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Ausgabe 02/2006 - Was Unternehmern nützt

Was ist eigentlich - VIRTUAL PROTOTYPING?

Wie schaut das Licht am besten um die Kurve? Die Frage ist kompliziert. Besonders wenn man sie so stellt wie der Autoscheinwerferhersteller Visteon. Die Kerpener Firma entwickelt zurzeit ein "intelligentes" Kurvenlichtsystem mit Namen Predictive Advanced Frontlighting System (PAFS). Es soll die Kurven einer Straße anhand von GPS-Daten eines Navigationssystems vorausahnen und ausleuchten, bevor der Fahrer am Lenkrad dreht. Dadurch, so glaubt Visteon, lassen sich kurvenreiche Fahrstrecken nachts deutlich besser meistern als mit bisherigen Systemen, die den Lenkbewegungen des Fahrers folgen.

Bei der Entwicklung seiner intelligenten Autoscheinwerfer wäre der Kerpener Automobilzulieferer noch vor wenigen Jahren auf umfangreiche Versuchsreihen mit realen Prototypen bei Nacht und Nebel angewiesen gewesen - und dies von den ersten Entwicklungsstufen an. "Unser Virtual Nightdrive kann die Zahl solcher Tests deutlich reduzieren und damit Entwicklungszeiten deutlich verkürzen", sagt Oberingenieur Michael Grafe vom Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn.

Grafe sieht ein wenig aus wie ein in die Jahre gekommener Computerspieler - und der Nightdrive gehört offenkundig zu seinen Lieblingsspielzeugen.

Täuschend echt projiziert die Software Fahrsituationen bei Dunkelheit auf Bildschirme oder Großleinwände und erlaubt Automobilentwicklern so, Scheinwerfer- und Nachtsichtsysteme sowie Ausweich- und Spurwechselassistenten schnell, kostengünstig und zuverlässig auszuprobieren. Und das lange bevor sie auf den Markt kommen. Dank der Erkenntnisse aus dem Rechner werden erst in späteren Entwicklungsstufen die ersten echten Prototypen aus Glas, Metall oder Kunststoff gebaut. Fachleute nennen diesen Ansatz Virtual Prototyping.

Basteln war gestern - heute wird die Wirklichkeit im Rechner simuliert Im Fall PAFS bestand der große Vorteil darin, zwei vorhandene Techniken - GPS und Kurvenlicht - im Rechner zu koppeln. In der kurvenreichen Nordschleife des Nürburgrings, selbstverständlich ebenfalls virtuell nachgebildet, konnte dann unendlich oft probiert werden, wann die Scheinwerfer wie stark einschwenken müssen, um dem Fahrer optimal den Weg zu leuchten.

"Virtual Prototyping heißt, Rechenmodelle von in Entwicklung befindlichen Produktionsanlagen zu bilden und zu analysieren." So definieren die Wissenschaftler am Nixdorf Institut die Entwicklungsmethode. Die Anwendungsbreite ist bereits riesig, und sie wächst mit beeindruckender Geschwindigkeit. Virtuelle Prototypen verbessern Einspritzdüsen, Roboterstraßen, Tragflächen von Flugzeugen, Wasserkraftwerke, Leiterplatten, optische Linsen oder Sportschuhe. Auch die computeranimierten 3-D-Modelle von Architekten fallen unter den Begriff Virtual Prototyping. Getestet werden Form, Festigkeit, Material- oder Strömungsverhalten, Ästhetik, Statik, elektromagnetische Eigenschaften, Wärmeleitung, optische Eigenschaften oder alles zusammen.

Die Anfänge des Virtual Prototyping liegen rund vier Jahrzehnte zurück - auch wenn die digitale Simulationstechnik damals noch nicht so hieß. In den sechziger Jahren kamen die ersten kommerziellen Programme auf den Markt, die nach der Finite Element Methode (FEM) einfache Berechnungen von Werkstoffeigenschaften durchführten, zum Beispiel wann ein Metall in welcher Stärke bei welcher Belastung bricht.

Seit rund 15 Jahren erlaubt Virtual-Prototyping-Software prognosesichere Strömungsberechnungen. Heute geht der Trend dahin, verschiedene Funktionen und Eigenschaften eines Produktes der Zukunft in einem Programm gleichzeitig zu berechnen und darzustellen. Ein CAD-Programm (Computer Aided Design) hilft Entwicklungsingenieuren bei der Konstruktion der Form, ist aber gleichzeitig mit Programmen hinterlegt, die Formstabilität, Wärmeleitung oder magnetische Eigenschaften verschiedener Materialien testen können.

Auch wer noch nie auf dem Mond war, sollte wissen, wie es dort sein könnte In der Automobilbranche ist rechnergestützte Modellsimulation aus den Entwicklungsprozessen seit langem nicht mehr wegzudenken. Sie hat Virtual Prototyping in den vergangenen 15 Jahren am stärksten vorangetrieben. Hier ist der Druck besonders groß, Innovationen vor den Konkurrenten hervorzubringen. Zum anderen stehen hohe Entwicklungsbudgets zur Verfügung.

Virtual Prototyping senkt zwar auf lange Sicht die Entwicklungskosten, forderte aber bis vor kurzem hohe Anfangsinvestitionen in Mensch und Maschine. Der zweite große Treiber ist deshalb nach wie vor die Luft- und Raumfahrtindustrie. "Hier sind echte Prototypen in der Luft oft nur sehr schwer zu testen. Und wenn Sie zum Mond fliegen, aber noch nie da waren, müssen Sie versuchen, vorher auszurechnen, wie es dort sein könnte", sagt Uwe Janoske, Leiter des Studiengangs Virtual Engineering an der staatlichen Berufsakademie in Mosbach und Mitbegründer des Netzwerkes "Virtual Dimension Center" in Stuttgart-Fellbach. Doch auch der deutsche Maschinenbau hat in den vergangenen Jahren den Einsatz virtueller Prototypen für sich entdeckt. Die Vorteile sprechen für sich: Virtual Prototyping hilft ...

1. ... Fehler und Probleme eines Produktes frühzeitig zu erkennen. Je später eine Korrektur im Entwicklungsprozess vorgenommen werden muss, desto teurer wird sie in der Regel auch. Ein Entwicklungs- und in der Folge Marketing-Desaster wie der Elchtest bei der Einführung der Mercedes A-Klasse dürfte heute dank Computersimulation keinem Automobilhersteller mehr unterlaufen.

2. ... Entwicklungszeiten zu verkürzen. Und schnellere Entwicklung heißt bei gleicher Zeiteinheit auch bessere Qualität. Je mehr Ideen Ingenieure kostengünstig ausprobieren, desto größer ist die Chance auf echte Innovation.

3. ... bei der Visualisierung. Der Rechner und seine Grafik-Tools machen Vorgänge sichtbar, die am realen Objekt nur schwer oder nur mit erheblichem Aufwand beobachtet werden können. Prozesse, die in Bruchteilen von Sekunden ablaufen, wie Crash-Simulationen oder elektronische Schaltvorgänge, können am Rechner zeitverzögert betrachtet werden. Gleiches gilt für sehr langsam ablaufende Vorgänge, die der Computer im Zeitraffer darstellen kann. Auch die Rahmenbedingungen einer Versuchsanordnung, wie unterschiedliche Temperatureinflüsse, Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen können am Rechner (ohne kosten- und zeitintensive Versuchsstandvorbereitungen) per Mausklick verändert werden.

4. ... die Anzahl realer Prototypen - und damit auch die Kosten - deutlich zu reduzieren. Diese Rechnung geht vor allem dort auf, wo reale Prototypen groß und teuer sind, zum Beispiel bei der Konstruktion von Kraftwerken. Auch müssen sich beim Einsatz von virtuellen Prototypen die verschiedenen Abteilungen nicht mehr um wenige Prototypen streiten und im Kleinkrieg belegen, dass Materialeigenschaften viel wichtiger sind als die Form oder umgekehrt. 5. ... die Kommunikation aller am Entwicklungsprozess beteiligten Personen im Unternehmen zu verbessern, denn Messergebnisse werden für alle anschaulich.

Bislang war Virtual Prototyping vor allem ein Werkzeug großer Unternehmen. "Das muss und wird sich ändern", sagt Joachim Belz, Vorstand für Neue Technologien beim Steckverbindungshersteller Harting in Espelkamp. Belz, im Ehrenamt auch Leiter des Impulskreises "Innovationskraft KMU" der Initiative "Partner für Innovation", ist überzeugt: "Fehlende Geschwindigkeit bei der Entwicklung und Kapitalmangel sind die beiden Hauptprobleme vieler Mittelständler." Und Virtual Prototyping kann ein wichtiges Tool sein, Konkurrenzfähigkeit zurückzugewinnen.

Denn wie auf dem ganzen Feld der Informationstechnologie wird die Hardware immer günstiger und die Software immer freundlicher zu den Anwendern. Auch Hochschulen haben reagiert und bauen Virtual Prototyping langsam in die Lehrpläne für den Ingenieursnachwuchs ein.

Doch nach wie vor scheuen viele kleine und mittlere Unternehmen, Zeit und Geld in den Umgang mit der - mehrere zehntausend Euro teuren - Software zu investieren. Und nicht zu vergessen: Oft haben sie schon von Misserfolgen bei der Konkurrenz gehört.

Gerade am Anfang sind Rückschläge in den komplexen Anwendungen programmiert. "Qualität und Prognosesicherheit steigt mindestens proportional zur Erfahrung der Mitarbeiter, die mit virtuellen Prototypen arbeiten", weiß Belz.

Virtual Prototyping ist der Versuch, mit mathematischen Modellen die Wirklichkeit zu simulieren. Das braucht eine Menge an Fachwissen. Füttert der Mensch die Maschine mit falschen Daten oder Formeln, kommt der Rechner zu anderen Ergebnissen als die Natur. Und der virtuelle Dummy findet die Wand nicht, gegen die er fahren soll.

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