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TU Berlin

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FORUM

Forschungs- und Anwendungszentrum für Füge- und Beschichtungstechnik an der Technischen Universität Berlin

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Darstellung FG Industrielle Informationstechnik

1. Motivation

Um Kosten zu sparen und den Entwicklungsprozess zu beschleunigen, werden in der Produktentstehung zunehmend mit Hilfe von digitalen Modellen und Intelligenzen Produktionsprozesse und Produktsystem kostengünstig und nachhaltig in verschiedenen Variationen evaluiert. Das Digital Cube Test Center als Bestandteil des Forschungs- und Anwendungszentrums für Füge- und Beschichtungstechnik (FORUM) an der TU Berlin kann für verschiedene Anwendungsszenarien innerhalb der Produkt- und Prozessentwicklung eingesetzt werden. Schwerpunktanwendungen stellen Smart Hybrid Process Planning und Smart Hybrid Prototyping dar (Fig.1). Im Bereich des Smart Hybrid Process Planning sollen so beispielsweise Schweiß- und Fügeprozess digital abgesichert und zugleich erlebbar gemacht werden.

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2. Einbindung in eine Virtual Reality Umgebung

Die Methodik mit der Simulation, Visualisierung und Interaktion zu einer Anwendung zusammengeführt werden, ist unter dem Begriff Model-View-Controller (MVC) bekannt. Die saubere Trennung zwischen Simulationsmodell (Model), Visualisierung (View) und Interaktionsschnittstelle (Controller) erlaubt einen modularen Aufbau der Simulationsumgebung. Damit ist die Anwendung mit einem minimalen Aufwand um neue Komponenten erweiterbar und für neue Anwendungen wiederverwendbar.

3. Smart Hybrid Process Planning

Smart Hybrid Process Planning in Kombination mit Motion Capture

Planungswerkzeuge wie Tecnomatix oder DELMIA unterstützen die Montageplanung momentan nur unzureichend. Montageprozessen werden mit Hilfe von Virtuellen Mensch-Modellen modelliert und simuliert. Mittels der Virtuellen Mensch-Modelle, welche auf antropometrischen Datenbanken basieren, werden Analysen hinsichtlich Erreichbarkeit, Sichtbarkeit und Ergonomie durchgeführt. Die Modellierung der Szenarien und Montageprozesse mittels der Planungssysteme erweist sich jedoch als sehr umständlich und zeitaufwändig. Smart Hybrid Process Planning soll die Prozessplanung durch die mittels Augmented-Reality (AR) und Virtual-Reality (VR) Technologien ermöglichte hybride Interaktion vereinfachen und beschleunigen. Motion Capture Technologien erfassen die menschlichen Bewegungen in der Virtuellen Realität ganzkörperlich (z.B. virtuelle Absicherung eines neuen Schweißprozesses mit Hilfe von erlebbarer und/oder interaktiver Schweißtechnik mittels CAE, VR Anlagentechnik und Force Feedback). Die aufgenommenen Montageprozesse sind anschließend an die virtuellen Mensch-Modelle und Planungswerkzeuge zu übertragen.

Smart Hybrid Process Planning in Kombination mit CAE

Der Fokus in den Planungswerkzeugen liegt weiterhin auf der rein geometriebasierten Absicherung des Montageprozesses (Kollisionserkennung, Sichtbarkeits- und Erreichbarkeitsanalysen). Eine Absicherung hinsichtlich unter Berücksichtigung des realen physikalischen Verhaltens der zu montierenden Baugruppe und Ressourcen ist nicht verfügbar. So können z.B. Verformungen, flexible Teile, Kräfte, Trägheitsmomente, Schwingungen oder Schwerkraft nicht simuliert werden. Dies führt dazu, dass Montageprozesse in den Planungswerkzeugen abgesichert sind. Jedoch kann sich bei der Versuchsserie herausstellen, dass die z.B. bei Montageprozessen auftretenden Kräfte einzelne Komponenten bzw. Baugruppen beschädigen und somit die Funktionsfähigkeit des Produkts negativ beeinflussen. Smart Hybrid Process Planning soll die Absicherung von Montagevorgängen um die Dimension des physikalischen Verhaltens erweitern. Dabei sollen einerseits Game Physics eingesetzt werden, für die frühe Konzeptplanung, andererseits sollen genauere Berechnungsergebnisse aus CAE-Werkzeugen in das Montageszenario überlagert werden können (Phase der Serientwicklung).

Smart Hybrid Process Planning in Kombination mit virtueller Inbetriebnahme (VIBN), halb-/automatisierter Herstellprozesse, Arbeitsschutz

Die Bewegung des Personals (s.o. Motion Capture) kann wiederverwendet werden, um Virtuelle Steuerungen zu prüfen hinsichtlich der Sicherheit der Werker. Sensoren, welche in der Fabrik die Bewegung erfassen, sollen simuliert und überprüft werden. Bereiche außerhalb von Sensoren, können visualisiert und ergänzt werden. Weiterhin können stark vereinfachte physische Attrappen von halbautomatisierten Montagewerkzeugen erstellt werden, deren Verhalten im Kontext der Virtuellen Inbetriebnahme überprüft werden kann.

Weiterhin kann Smart Hybrid Process Planning dazu dienen die Robotorplanung zu ergänzen bzw. Konzepte virtuell erlebbar abzusichern. Auch eine Kombination mit Reverse Engineering ist denkbar.

4. Functional Drive Simulator

Die Entwicklung mechatronischer Systeme erfordert ein enges interdisziplinäres Zusammenspiel von Mechanik, Elektrik/Elektronik und Software. Um funktionale Probleme bei der Gesamtintegration mechatronischer Produkte frühzeitig zu ermitteln und abzusichern, ist ein fachübergreifender auf digitalen Modellen basierender Produktentwicklungsprozess zu definieren. Die VDI-Richtlinie 2206 empfiehlt beispielsweise eine auf dem V-Modell aufbauende Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme mit dem Ziel der Integration domänenspezifischer Entwürfe in einem Gesamtsystem.

Eine Herausforderung des Virtual Prototyping stellt jedoch die Entwicklung von Schnittstellen zum Benutzer dar. An physischen Prototypen können Konzepte durch Benutzerstudien evaluiert werden, dies ist an virtuellen Repräsentationen nicht ohne weiteres möglich. Virtuelle Menschmodelle und Virtual Reality-Techniken können zwar helfen, Produkte nutzergerecht zu gestalten, die Evaluation ist in der Regel aber auf Erreichbarkeits- und Sichtbarkeitsüberprüfungen beschränkt. Physische Interaktionen können nur sehr eingeschränkt evaluiert werden. Dies ist aber häufig erforderlich, da benutzerzentrierte Anforderungen nur schwer fassbar und nicht mathematisch überprüfbar sind.

Der Functional Drive Simulator stellt einen solchen hybriden Prototyp dar. Mit Hilfe des Functional Drive Simulators können Komponenten oder vollständige Fahrzeuge früh im Entwicklungsprozess evaluiert werden.

Beispielhafte Untersuchungsmöglichkeiten sind:

  • Fahrwerksauslegung
  • Fahrerassistenzsysteme
  • Wahrnehmung der Lichtverhältnisse
  • Neuartige Interieurkonzepte
  • Simulation von Schiebetüren

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