Automobilkonzerne fahren bereits auf digitale Simulationen ab
Virtuelle Welten aus dem Computer

Virtuelle Realität (VR) ermöglicht heute nicht nur die plastische Echtzeit-Simulation, sondern auch simulierte Fertigungs- und Montageprozesse. Die einst teure Technik soll nun auch für kleinere Unternehmen und Ingenieurbüros erschwinglich werden.

HB DÜSSELDORF. Egal, ob Karosserieberechnungen, Konstruktion neuer Autoteile oder die Simulation der Montage - immer mehr Modelle und Produkte werden heute von der ersten Idee, über Planung und Entwicklung am Computer erstellt. Das Ziel: neue Prototypen möglichst real und Kosten sparend zu entwickeln. Was einst mit massigen Monitorhelmen und klobigen Datenhandschuhen begann und eher den Eindruck dick verpackter Astronauten erweckte, bedarf heute nur noch federleicht zu tragender Brillendisplays.

Inzwischen lässt sich sogar ein Cyberspace-Würfel (Cube) - ein zimmergroßer Raum, der von allen Seiten durch Rückprojektion beleuchtet wird - simulieren. Eine LCD-Shutterbrille vermittelt die auf die Innenwände der Cyberhöhle Cave projizierten 3D-Modelle stereoskopisch über das Auge so ins Gehirn, dass man den Eindruck hat, man säße tatsächlich in dem Auto, dessen Bau erst in einigen Monaten geplant ist. Durch wechselseitiges Ab- und Aufblenden der Brillengläser 120-mal in der Sekunde werden die auf Front-, Seiten und Bodenflächen projizierten Stereobilder so überlagert, dass für den Betrachter ein vollkommen räumlicher Eindruck der abgebildeten Objekte entsteht.

Zumindest visuell erscheinen die projizierten Gegenstände in dem drei Meter Seitenlänge messenden Cube vollkommen plastisch und zum Greifen nahe, auch wenn man sie nicht tatsächlich physisch fassen kann. Durch ein elektromagnetisches Tracking-System wird stets die Position des Betrachters im Kubus erfasst und das Bild in Echtzeit für den jeweiligen Betrachterstandpunkt berechnet. Dadurch kann man um das plastisch aus dem Raum hervortretende Gebilde herumgehen, es von allen Seiten betrachten oder gar darin eintauchen.

So lässt sich Erstaunliches erleben: Gebäude, die es noch gar nicht gibt, werden begehbar; Ärzte, die sich auf eine schwierige Gehirnoperation vorbereiten, üben am exakt nachgebildeten Computermodell des Patienten, und Autos, für die noch kein Stück Blech geliefert wurde, machen Probefahrten. Denn das virtuelle Auto umfasst bereits alle virtuellen Einzelkomponenten, wie etwa Motor, Bremsen, ABS-System, Reifen, Sitze oder Airbag.

Ziel der virtuellen Autoschmieden ist ein vollständiges digitales Modell - ein digital Mock-up (DMU), dessen Eigenschaften dem physikalischen Pendant in nichts nachstehen. Damit wird etwa beim Automobilbauer BMW bereits der Einbau des Motorblocks samt eventuellen Kollisionen unter der Motorhaube virtuell simuliert.

"Künftig wird es sogar möglich sein, entsprechende Widerstände der virtuellen Autoteile beim Einbau zu simulieren", hofft Antonino Gomes de Sa aus dem BMW-Bereich CA-Integrationsmethoden. "Dadurch erhält der Ingenieur einen noch realistischeren Eindruck als durch blinkende Signale, die eine Kollision anzeigen", so der Experte. Bei der bayerischen Autoschmiede denkt man dazu an einen Datenhandschuh, der sich entsprechend der auftretenden Kraft kontrahiert. Damit sind die Zeiten vorbei, in denen man zum Beispiel erst bei der Montage des Prototyps bemerkt, dass das neue Getriebe zu groß ist und nicht montiert werden kann.

Mittels virtueller Maschinen, die nur im Computer existieren, können Mitarbeiter auch künftige Fertigungsabläufe trainieren. So wird bei BMW etwa die Autotür durch ein virtuelles Türschloss im VR-Display des Monteurs überlagert.

Mit Hilfe von Pfeilen und Symbolen wird ihm gezeigt, wie er das Schloss einzusetzen hat. "VR-Systeme bedeuten eine neuartige Qualität für die Montageprozesse", ist auch Ralf Breining von der Fraunhofer Gesellschaft (FhG) in Stuttgart überzeugt. "Mitarbeiter können schneller und kostengünstiger als am lebenden Objekt in die Arbeitsabläufe eingeführt werden. Das bedeutet neben höherer Motivation zugleich eine Fehlerminimierung. Außerdem erhält man Zugang zu Informationen, die bisher mit den Sinnen nicht wahrnehmbar waren", so Breining weiter.

Der Autokonzern BMW richtet gerade seine Lackierstraße mit Hilfe virtueller Realität ein: Das Zusammenspiel einer Vielzahl von Robotern wird im Vorfeld ausprobiert, damit die Produktion später reibungslos verläuft. So entsteht die perfekte Cyber-Fabrik, noch bevor das erste Stück durchläuft. "Wir verwirklichen gerade die Vision des extended DMU - sie umfasst das gesamte Autoleben, von der Entwicklung der ersten Bauteile bis zum kompletten Auto über das Marketing bis hin zum Vertrieb", so VR-Spezialist Gomes de Sa.

Zu den Vorreitern der Cyber-Realisten zählt auch die Firma Tan-Projektionstechnologie, die in Düsseldorf seit kurzem ein Zentrum für virtuelle Realität betreibt. Die knifflige Aufgabe, die Tan gelöst hat, ist es, eine Schlüsselelektronik zu entwickeln, die fließende Übergänge und Ecküberlappungen zwischen den einzelnen Bildkanälen errechnet und die Objekte nahtlos in optimaler Bildqualität erscheinen lässt. Das Zentrum in Düsseldorf dient in erster Linie als Democenter für Kunden, etwa aus der Automobilindustrie, die die Anschaffung eines eigenen VR-Centers planen. Neben einer Workbench, einer L-förmigen Projektionsbank, auf der das 3D-Objekt stereoskopisch auf einem Tisch zu schweben scheint, befindet sich dort auch eine planare sechs Meter breite Großbildwand, auf der etwa Produktdesigner aus dem Automobilbereich ganze Fahrzeuge im Maßstab 1:1 darstellen können.

Die Cyberhöhle Cave gibt es in einer 3-, 4- oder 5-Seiten-Ausführung. Kürzlich hat Tan sogar einen 6-seitigen und damit in sich völlig geschlossenen und rundum projizierten Cube für das Royal Institute in Stockholm entwickelt. Das ist bis heute weltweit eine der größten Virtuell-Reality-Installationen.

Lichtreflexe und Oberflächenverläufe lassen sich damit bereits am virtuellen Rechnermodell fast ebenso gut beurteilen wie am real gefertigten Modell. Tans Kundenliste liest sich wie das "Who is Who" der Automobilindustrie. Die Hersteller nutzen die 3D-Technik, um Windkanalströmungen am virtuellen Modell sichtbar zu machen oder Crashtests zu simulieren, ohne eine einzige reale Lackschramme zu verursachen. Allein die eingesparten Autowracks dürften die Investitionskosten für Rechner und Projektionsoptik zügig amortisieren.

Aber für viele kleinere Anwendungen ist eine derartige virtuelle Höhle zu kostspielig. Die Projektionstechnik kostet rund 2 Mill. Mark, weitere 2,5 Mill. Mark sind für Rechner und Software zu berappen. "Für Architekten, Bauunternehmen und Investoren sind die bisherigen Systeme einfach zu teuer und nicht mobil", weiß Andreas Rößler vom Competence Center Virtual Reality des Fraunhofer Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO). Die neue vom IAO entwickelte Personal Immersion-Technik zeichnet sich durch einen bis zu 80 % geringeren Systempreis aus und soll die moderne Cyberwelt für jedes Büro auch in kleineren Unternehmen zugänglich machen.

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