Virtuelle Produktentwicklung Wie Simulation für mehr Luxus in unserem Leben sorgt

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Heute stellen wir vier Simulationsanwendungen vor, die sich abseits der typischen Fragestellungen aus dem Maschinen- und Anlagenbau bewegen: Wie Simulation für perfekte Diamanten, mechanische Armbanduhren, den virenreduzierten Konzertbesuch und mehr Sicherheit im Motorsport sorgt.

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Nicht nur zum Valentinstag ist Schmuck ein beliebtes Geschenk. Diamanten sind der Ferrari unter den Steinen. Auch hier unterstützt Simulation dabei, das Beste aus dem Stein herauszuholen.
Nicht nur zum Valentinstag ist Schmuck ein beliebtes Geschenk. Diamanten sind der Ferrari unter den Steinen. Auch hier unterstützt Simulation dabei, das Beste aus dem Stein herauszuholen.
(Bild: Ansys)

Die Simulation von Produkten, ihren physikalischen Eigenschaften und dem Zusammenspiel verschiedener Komponenten ist im Normalfall der Fokus unserer Berichterstattung. Heute verlassen wir diese Pfade und zeigen vier spannende Anwendungen, die auf Simulation basieren.

Mit optischer Simulation die Brillanz von Diamanten maximieren

Das Aussehen und der Wert eines Edelsteins hängen von Schliff, Karat, Reinheit und Farbe ab. Der Schliff des Rohdiamanten bestimmt den Winkel und damit den Lichteinfall. Der richtige Schliff sorgt also für den Glanz des Diamanten und lässt ihn strahlen. Mithilfe der optischen Simulationssoftware Ansys Speos können die verschiedenen Faktoren analysiert und vor dem Schliff des Diamanten simuliert werden. Verschiedene Optionen für Lichteinfall und Farbe können virtuell getestet werden. Speos simuliert den Glanz und das Funkeln des Edelsteins, indem es alle einfallenden Lichtstrahlen und ihre Wirkung nachbildet. Die Software errechnet den Schimmer und die Farbe jeder – noch virtuellen – Facette und berücksichtigt dabei auch weitere Einflussfaktoren wie Größe, Form, Proportionen oder Beleuchtung.

Der optimierte Schliff kann daraufhin in ein virtuelles Schmuckstück eingefasst werden. Denn auch der umgebende Schmuck wirkt sich auf den Diamanten aus. In Speos werden auch diese Folgen virtuell getestet und die Wahl optimiert – damit zum Beispiel Valentinstaggeschenke auch richtig zur Geltung kommen.

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Simulation beschleunigt die Entwicklung von Luxusarmbanduhren

Die Software Speos kommt auch bei der Entwicklung von Luxusarmbanduhren zum Einsatz: Die französische Uhrenmanufaktur XRby setzt auf Simulationssoftware, um die Entwicklungszeit von Tagen auf Stunden zu verkürzen. Durch den Einsatz der Ansys-Software vereinfacht XRby die Entwicklung, verbessert die Ästhetik seiner Armbanduhren und verzichtet auf physische Prototypentest.

Die Uhrenmanufaktur aus dem französischen Jura produziert eine extrem limitierte Auflage mechanischer Métiers d'Art-Armbanduhren, in die Materialien wie organische Fasern und Edelsteine eingearbeitet werden. In der Vergangenheit war für diese maßgeschneiderten Uhren mindestens ein physischer Prototyp erforderlich, um Kunden zu gewinnen. Angesichts der hohen Produktionskosten und seiner strengen Nachhaltigkeitsziele entschied sich XRby für die Erstellung virtueller Prototypen mit Ansys Speos. Mit dem numerischen optischen Simulationsansatz entwickelt XRby innovative Uhrenkonzepte, analysiert die Lichtreflexion und testet ästhetische Optionen aus.

XRby nutzt das Speos Texture Mapping schon früh im Entwicklungszyklus, um vorherzusagen, wie sich Uhrenmaterialien bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen verhalten werden. Die Ingenieure nutzen die Software für die Auswahl der Saphirstärke und der Kantenwinkel und verbessern so die Ästhetik der Uhr. So wurden mehrere Bauvarianten getestet und mehr als 100 Materialien und Elemente evaluiert. Zusätzlich wurden während des gesamten Entwicklungsprozesses physikalisch basierte, realitätsgetreue Bilder der digitalen Prototypen generiert. Dadurch konnten die Ingenieure der Uhrenschmiede nicht nur sehen, wie die Uhrendesigns unter realen Licht- und Nutzungsbedingungen aussehen würden, sondern auch schneller Designentscheidungen treffen. Dadurch konnten Entwicklungszeit und -kosten erheblich reduziert werden.

Mit Speos konnten unsere Ingenieure die optimalen Materialien, Formen und Dekorationen für das Design der Uhr in nur wenigen Stunden auswählen. Traditionelle Simulationen benötigen unter Umständen Tage, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen.

Xavier Rousset, Gründer von XRby

Erforschung des Unbekannten: wie Simulation für mehr Sicherheit im Konzertsaal sorgt

Dassault Systèmes arbeitet zusammen mit der Philharmonie de Paris an der sicheren Rückkehr von Publikum und Orchester in den größten Konzertsaal. Im philharmonische Wahrzeichen der französischen Hauptstadt nutzt man Simulation für die Wiedereröffnung des größten Konzertsaals nach Ende des pandemiebedingten Lockdowns.

Der Grande Salle Pierre Boulez hat 2.400 Plätze. Er umfasst das Auditorium mittig und lässt es in die Musik eintauchen. Ein Belüftungssystem in jedem Sitz leitet geräuschlos Frischluft ein und reguliert deren Richtung und Strömungsgeschwindigkeit. Mit den von der Philharmonie de Paris bereitgestellten Daten erstellte Dassault Systèmes mit Hilfe von Simulation ein digitales 3D-Modell des voll besetzten Konzertsaals. Gleichzeitig wurde mit der Simulationssoftware der Luftstrom von den obersten Balkonen bis zum Orchesterboden visualisiert, um beurteilen zu können, wie Luftstrom und Schutzmaßnahmen – beispielsweise Masken – die Ausbreitung von Virenpartikeln beeinflussen.

In mehreren Szenarien konnte die Konzentration der Partikel veranschaulicht werden, die ein mit dem Virus infizierter Zuschauer beim Husten mit und ohne Maske abgibt. Ebenfalls gezeigt wurde die Ausbreitung der Partikel in Richtung Konzertbesucher, Musiker und Dirigent, und zwar unter Berücksichtigung des Belüftungssystems jedes Sitzes und der verschiedenen Richtungen, in denen Treppen, Sitze und Boden des Konzertsaals von der Luft umströmt werden.

Die Simulationen zeigten, dass das Risiko der Virenausbreitung sinkt, wenn Zuschauer passende Masken tragen und die Luftströmung an jedem Sitzplatz um 50 % gesenkt wird. Masken, insbesondere wenn sie gut passen, tragen deutlich zur Senkung der in die Luft abgegebenen Partikelmenge und Ausstoßgeschwindigkeit bei – sie sind daher eine wichtige erste Barriere.

Unsere Zusammenarbeit mit der Philharmonie de Paris ist Teil unserer fortlaufenden Bemühungen, Unternehmen und Institutionen dabei zu helfen, Bedingungen zu simulieren, zu visualisieren und zu analysieren, Auswirkungen von 'Was-wäre-wenn'-Szenarien zu bewerten und Lösungen zu finden, damit eine Wiedereröffnung und ein sicheres Arbeiten möglich sind. Das Leben kennt keine Generalprobe. Während die reale Welt mit pandemiebedingten Schließungen kämpft, ermöglicht die virtuelle Welt Experimente, um Unbekanntes zu erforschen.

Florence Verzelen, Executive Vice President, Industry, Marketing and Sustainability bei Dassault Systèmes

Ferrari entwickelt Headup-Display für mehr Sicherheit im Motorsport

Trotz der Fortschritte in der Renntechnologie erhalten die Fahrer von ihren Teams im Kontrollzentrum weiterhin über Funk Informationen zum Rennen wie beispielsweise die Fahrzeugpositionen, Hindernisse und Unfälle. Diese Methode kann langsam und ineffizient sein und darüber hinaus noch durch mögliche Übertragungsprobleme von Funksignalen in einem überfüllten Funkbereich erschwert werden.

Um die Informationsübermittlung zu beschleunigen, verfolgte Ferrari das Ziel, ein Headup-Display (HUD) zu entwickeln, das wichtige Daten auf die Windschutzscheibe projiziert, so dass der Fahrer Informationen sieht, ohne dabei die Augen von der Straße nehmen zu müssen.

Die Kommunikation zwischen Ingenieuren, Fahrern und der Boxencrew ist in einem Rennen von entscheidender Bedeutung. Daher wollen wir die effizientesten Mittel erforschen, um dem Fahrer alle Informationen an die Hand zu geben, die er für den Sieg benötigt. Ein HUD ist vielversprechend, nicht nur wegen der Kommunikationsgeschwindigkeit, sondern auch wegen der zusätzlichen Sicherheit. Um diese zu gewährleisten, müssen die angezeigten Informationen natürlich gut erkennbar sein, ohne die Sicht auf die Strecke zu behindern. .

Mauro Barbieri, GT Endurance Racing Performance Engineer bei Ferrari

Die Ingenieure von Ferrari und Ansys nutzten die Software Ansys VR-Xperience, um die kritischen Parameter eines HUD-Systems virtuell zu testen. Das HUD muss jederzeit lesbar sein, egal ob die Sonne am Horizont steht und direkt auf die Windschutzscheibe scheint oder ob das Rennen bis in die Nacht hinein andauert, wie das bei Rennen wie Le Mans der Fall ist. Zudem ist die Menge der angezeigten Daten und ihre Position auf der Windschutzscheibe entscheidend. Zu viele Informationen könnten den Fahrer überfordern, der sich auf die Strecke und die Konkurrenz konzentrieren muss. Die Daten müssen folglich so auf die Windschutzscheibe projiziert werden, dass der Fahrer sie bei über 300 km/h gut sehen kann, ohne dass sie ihm dabei die Sicht versperren.

Anstatt zu versuchen, einen physischen Prototypen eines HUD-Systems für einen Rennwagen zu bauen, wurde ein virtueller Fahrsimulator entwickelt, mit dem die neuen Komponenten und ihre Funktionalität getestet werden konnten. Die Ingenieure simulierten verschiedene Lichtintensitäten des Projektors in Kombination mit allen Einstrahlungswinkeln der Sonne, um die optimale Projektionshelligkeit zu bestimmen und zu überprüfen, dass die projizierten Daten unabhängig vom Stand der Sonne sichtbar waren.

AR für die Produktentwicklung

In der ersten Folge von "Neu am Markt" spricht unsere Redakteurin Monika Zwettler mit Luis Bollinger, Co-Founder und CMO von Holo-Light, über die Vorteile von Ares, einer neuen Augmented-Reality-Lösung für die Produktentwicklung.

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