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Virtual Reality Wie virtuelle Realität die Entwicklung im Werkzeug- und Formenbau unterstützt

Autor / Redakteur: Christoph Runde / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Virtual Reality (VR) im Engineering wird vielfach mit Anwendungen in der Produktevaluation hinsichtlich Montierbarkeit, Wartbarkeit, Ergonomie oder im Industrial Engineering assoziiert. Gleichwohl haben sich in den vergangenen Jahren etliche VR-Anwendungen etabliert, die im Werkzeug- und Formenbau angesiedelt sind. Dazu zählen Anwendungen für das Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaft ändern, also alle Hauptgruppen der Fertigungsverfahren .

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Virtual-Reality-Techniken werden heute bereits für die Analyse und den Entwurf zahlreicher Fertigungsverfahren eingesetzt.
Virtual-Reality-Techniken werden heute bereits für die Analyse und den Entwurf zahlreicher Fertigungsverfahren eingesetzt.
(Bild: VDC Fellbach)

Die Auslegung von Fertigungsverfahren ist vielfach eine komplexe räumliche Aufgabenstellung. Damit lässt sich VR grundsätzlich sinnvoll einsetzen. Vielfach beruhen VR-Anwendungen hier auf einer Weiterverarbeitung (Post Processing) von Daten aus der physikalischen Simulation, beispielsweise aus den Bereichen Computational Fluid Dynamics (CFD) oder Finite-Elemente-Analyse (FEM). Die dort üblichen Metaphern wie Fehlfarbendarstellung werden übernommen, gleichzeitig werden weitere Techniken in der VR eingesetzt. Großprojektionssysteme lassen sich einsetzen, um Gruppendiskussionen - auch über Fachgrenzen hinweg - zu unterstützen. Liegen bereits physische Prototypen vor, anhand derer der Fertigungsprozess getestet wurde, ist der Einsatz von Augmented Reality (AR) für die Superposition denkbar. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über vorhandene Anwendungen, ihre spezifischen Herausforderungen und angestrebte Ergebnisse der jeweiligen VR-Implementierung.

Überblick über eingesetzte VR-Techniken

Werden Ergebnisse aus der Fertigungssimulation erzeugt, können schnell große Datenmengen anfallen. Daher sind die generierten Ergebnisse intuitiv und übersichtlich aufzubereiten, so dass sie leicht zu verstehen sind. Dies kann auch darin resultieren, dass immer nur eine Auswahl der Ergebnisse angezeigt wird. Die Auswahl kann anhand räumlicher Kriterien erfolgen (Anzeige lediglich bestimmter räumlicher Bereiche), anhand von Wertebereichen (Anzeige lediglich der Modellbereiche, die bestimmte Werte aufweisen) oder aber Darstellung nur von Berechnungswerten einer bestimmten Klasse (etwa nur Temperaturwerte, keine Spannungen).

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Folgende VR-Techniken sind heute im Einsatz:

  • Fehlfarbendarstellung: Eine physikalische Größe (wie z. B. Temperatur, mechanische Spannungen) wird über eine Farbcodierung sichtbar gemacht (Abb. 1a).
  • Proben: Der Betrachter kann mit einem Messfühler das Modell abfahren und Messwerte anzeigen lassen. Der Messfühler kann unter Umständen bezüglich der gemessenen Größe variabel sein (Abb. 1b).
  • Schnitte: Das 3D-Modell wird so angeschnitten, dass die für den Betrachter wichtigen Bereiche gut zu sehen sind (Abb. 1c).
  • Zeitraffer, Zeitlupe: Ist der Fertigungsvorgang als dynamische Animation dargestellt, so kann diese beschleunigt, verlangsamt und eingefroren werden. Die Animation dient dazu, zeitliche Zusammenhänge im Verfahren leichter zu erkennen (Abb. 1d).
  • Überhöhen: Eine physikalische Größe (wie z. B. Schichtdicke, Auslenkung bei Schwingung) wird so verstärkt, dass sie überhaupt erst sichtbar wird (Abb. 2a).
  • Komparative Darstellung: Alternative Fertigungsprozesse (z. B. aufgrund anderer Prozessparameter wie Vorschubgeschwindigkeit) werden simultan gezeigt, um sowohl die Absolutwerte der Einzelprozesse wie auch Unterschiede identifizieren zu können (Abb. 2b).
  • subtraktive Darstellung: lediglich der Unterschied zwischen zwei Prozessalternativen wird angezeigt. Damit lassen sich Prozessunterschiede noch leichter ausmachen (Abb. 2b).
  • Superposition: Verschiedene Simulationsergebnisse oder aber ein Versuchsteil und ein Simulationsergebnis werden überlagert. Werden genau die simulierten Verfahrensergebnisse des real verwendeten Verfahrens überblendet, weisen Abweichungen auf mögliches Optimierungspotenzial des Simulationsmodells oder auf qualitative Schwankungen des Verfahrens hin (Abb. 2c).
  • Inline-Analyse mit AR: Weiterhin lassen sich Prozessparameter und Messwerte einem Werkstück graphisch überlagen, auch während des Fertigungsprozesses.
  • Selektive Darstellung nach Werten: Nur Modellbereiche, deren Elemente Messwerte in einem anzugebenden Bereich aufweisen, werden angezeigt. Damit lassen sich Problemzonen sehr schnell extrahieren (Abb. 2d).

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