Simulation

• Prototyp stellt den momentanen Entwicklungsstand eines Produktes in seiner Ganzheit dar
• wird hauptsächlich für Funktionsuntersuchungen und Dauerbelastbarkeitstest der Komponenten eingesetzt
• stellt das zukünftige Produkt so realistisch wie möglich dar
• kommt erst in den späten Phasen der Produktentstehung zum Einsatz

Erstellung von virtuellen (digitalen) Prototypen basierend auf Produkt- und Prozessdaten (technologische Ebene) und ihre Nutzung in der Produktentwicklung und -validierung

meistens in Verbindung mit den immersiven und auch den interaktiven Visualisierungsmöglichkeiten in Virtual Reality und Augmented Reality Umgebungen

• ist die frühzeitige, kontinuierliche, vernetzte (Prozesssicht) und integrierte (Systemsicht)
• Unterstützung des PEP hinsichtlich Abstimmung, Bewertung und Konkretisierung der Entwicklungsergebnisse aller Partner mit Hilfe virtueller Prototypen

• härterer Wettbewerb
• steigende Komplexität
• hohe Sicherheitsstandars
• Qualität und Variantenvielfalt
• Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit (Einsatz)
• steigende Leistung und Kapazitäten

• Unterstützung durch virtuelle Arbeitsweisen
• gleichzeitige Visualisierung der zehntausenden Einzelteile --> DMU
• Einzelteile werden aus CAD-System exportiert --> Datenreduktion (Tesselierung) --> digitaler Prototyp

• Wahrnehmung der realen Proportionen
• Flachere Lernkurve
• Unmittelbare Systemantwort (Echtzeitverhalten)
• Schnellere Ausführung von Entwicklungsaufgaben und verbesserte Modellierungsgenauigkeit
• Erweiterte Bewertungs- und Interpretations-möglichkeiten
• Handhabung und Analyse umfangreicher und komplexer Szenen
• Kommunikation und Entscheidungsfindung
• Integration von Informationen aus verschiedenen Quellen
• Multidisziplinäre Integration
• Verbesserte Zusammenarbeit und Kommunikation in (virtuellen) Teams
• Erhöhte Attraktivität

• CAx-Tools = schlechtes Look/Feel des Produktes und Einblick auf räumliche Präsenz --> physische/digitale Mock-Ups
• PMU = körperliche/reale Hardwarenachbildung eines gesichterten Stand der digitalen Daten

1. 1:1 Maßstab
2. verbauten Teile Platzhalter, keine Funktionalität/Eigenschaft
3. PMU erstellt durch Rapid Prototyping
4. Absicherung: Geometrie, Packaging, Funktion, Prozess
5. zeitaufwändig und kostspielig

• im PEP PMUs von allen Bauteilen/-gruppen --> vollständig PMU
• Änderung bedeuten:

1. 3-dimensionales einscannen der Änd. am PMU
2. Übernahme der Änd. in das CAx-System
3. Wiederholen gesamten Validierungsvorgang

• PEP nur sequenziell, physische Validierung standortgebunden
• zu frühen Phasen Variantenvielfalt groß --> viele PMU
• PMU schwierig zu archivieren (Varianten, Versionen, Informationen, Wissen)

ist eine virtuelle Repräsentationsform des gesamten Produktmodells (mit allen Varianten, Optionen und Versionen) entlang des Produktlebenszyklus und dient als Validierungs-Kommunikations- und Entscheidungsplattform

DMU besteht aus:

1. reduzierten CAD Daten direkt aus CAx-Tools (Tesselierung)
2. Bruchteil der Zeit ggü. PMU
3. praktisch ohne Zusatzkosten
4. Grenze bei Validierung von Baugrußßen in CAD-Systemen liegt bei 50-100 Modellen 

• Aufwand für Versionen/Varianten vertretbar, ggü. PMU gering
• Datenausleitung aus PDM i.d.R. über Nacht
• Archivierung problemlos über PLM-Systeme, weil Mock-Up digital

• virtueller Zusammenbau von positionierten und ausgerichteten Volumenmodellen von Bauteilen und Baugruppen 
• Basiert auf einer (geometrischen) Produktstruktur, die sich durch strukturelle Vollständigkeit kennzeichnet 
• kann intelligente Verknüpfungen zwischen den Bauteilen und Baugruppen enthalten (z.B. im Falle kinematischer Modelle) 
• kann zusätzlich Informationen zur Installation, Bedienung, Training und Wartung enthalten, entweder als „klassische“ Dokumentation (Hypertext, mit Bildern, Skizzen und Kurzfilmen, oder als AR-Datensätze)

• bildet die Datengrundlage einer realistischen Computersimulation des gesamten Produktmodells
• enthält notwendigen Informationen für die Unterstützung von Entwicklung, Herstellung und Service
• dient als Grundlage für die Produkt- und Prozessentwicklung und unterstützt die Kommunikation und die produkt- und produktionsrelevanten Entscheidungen 
• unterstützt den gesamten Produktlebenszyklus, vom ersten Entwurf bis zum Produktrecycling

• möglichst vollständige Ablösung der zeit- und kostenintensiven PMUs 
• Verringerung der Änderungskonstruktionsschleifen 
• Absicherung der Konstruktionsergebnisse aus fertigungstechnischer Sicht 
• Qualitätsverbesserung und hoher Reifegrad zu einem frühen Zeitpunkt 
• Verbesserung der Kommunikation aller an der Entwicklung beteiligten Personen 
• frühzeitige Sichtbarkeit von Entwicklungsergebnissen und deren  Auswirkungen

Physical Mock Up (PMU)

• Validierungsgrundlage
• Bauteilüberprüfung auf Kollision und Abstand
• Montage- und Servicefähigkeit
• Optimierung von Montage/Demontage und Werkzeugwegen

Digital Mock Up (DMU)

• Basiert auf einem zentralen Datenpool (PLM-System)
• Datenbasis und Validierungsgrundlage (wie PMU) durch frühzeitige und bereichs- und standortübergreifende Bauteilüberprüfung mit vielfältigen Visualisierungsmöglichkeiten 
• Simulationsgrundlage für weitere Validierungsvorgänge
• Bietet damit zusätzliche Möglichkeiten, z.B. die Überlagerung von dynamischen Bewegungen unter Betriebsbedingungen
• komplexe Crashtest
• Montageuntersuchungen in einer geplanten/nicht existierenden Fabrik

1. Baugruppenentwurf/struktur, Geometrie
2. Übertragung in DMU-System
3. Aufbau des DMU-Modells (Triangulation)
4. DMU Berechn., Simulation
5. Simulation, Interpretation, Entscheidung

1) geometrische Produktstruktur

• Position/Ausrichtung
• Ausmaße
• weitere (optionale) Daten

2) vereinfachte 3D-CAD Daten durch Tesselierung auf approximierte Oberflächenmodelle reduziert

--> DMU nur wenn geometrische Produktstruktur festgelegt, ggf. auch Ersatz durch Platzhalter

1. Baubarkeitsuntersuchungen

• „statisches Packaging“ --> räumliche Kollision
• Problematisch: Simulation flexibler Bauteile
• Toleranzberechnungen sollen auch einbezogen werden

2. Ein- und Ausbauuntersuchungen

• „dynamische Packaging-Untersuchungen“ --> montier- oder demontierbar
• Fertigungskontext wie Werkzeuge und Werkzeugwege, Körperausmaße des Monteurs beachtet

3.Simulation von Produktionsabläufen

• aus Fertigungssicht --> herstellbar
• Arbeitsvorbereitung: Verschmelzung des „Produkt-DMU “ mit dem „Fabrik-DMU “
• Unterschied zum dynamischen Packaging: Fertigungsumfeld
  (Roboter, Werkzeuge, Lager) mitsimuliert

4. Simulation von Produktfunktionalitäten: die mechanischen Produktfunktionen stehen hierbei im Vordergrund

5. Berechnungen: Simulationen wie Crashuntersuchungen und Schwingungssimulationen, die i.d.R. offline durchgeführt und deren Ergebnisse danach immersiv und interaktiv visualisiert werden

6. Visualisierung: immersive Visualisierungstechniken vermitteln dem
Konstrukteur einen exakten Eindruck bezüglich einer möglichst realistischen Darstellung des Produktes. Von besonderer Bedeutung ist hier die Datenreduktion (z.B. durch Tesselierung), wie auch der „Level of
Detail“, so dass die Ausschnitte am Rand der Szene nicht so ausführlich dargestellt werden wie die Szenen direkt vor dem Betrachter

7. Ergonomieuntersuchungen: ergonomische Eigenschaften des künftigen
Produktes werden untersucht

8. Anreicherung des DMU in Form von physikalischen Zuständen wie z.B.  Hitzezonen via eingefärbte Isoflächen (Unterstützung des Packaging
entlang des Powertrain)

• CAD-Modelle lassen sich wahrheitsgetreu und mit hohem
  Detailierungsgrad außerhalb des CAD-Systems und im Kontext des
  gesamten Produktes darstellen und analysieren
• zentrale Informationspool (die PLM-Systemlösung) ist für alle
  Beteiligten am Produktentstehungsprozess die Basis für
  fachbereichsübergreifende Kommunikation
• durch Continuous Update der Einträge im PLM-System sind die
  Entwicklungsdaten immer aktuell

• DMU-Ansatz bietet keine CAD-Funktionalitäten --> die Geometrie der
  Bauteile kann nicht verändert werden
• für eine effiziente Nutzung des DMUs ist ein einheitlicher Standard
  notwendig, bestehend aus standardisierten Formaten der tesselierten
  Daten, Bauteilorganisation, Zugriffsrechte, Verantwortlichkeiten für die
  Freigabe, Verwaltung der entwicklungsrelevanten Daten

Bauteile sind unbeweglich und starr --> DMU nur geometrische Info

• Kollisions- und Abstanduntersuchungen
• Ein- und Ausbauuntersuchungen von Bauteilen und Baugruppen,
• Optimierung der Ein- und Ausbauwege, sowohl für die Produktion, wie auch für Service und Reparatur 
• Optimierung der Werkzeuge und Werkzeugwege
• Ergonomieuntersuchungen, sowohl während der Nutzung des Produktes, wie auch für Montage und Wartung
• Komplexe Designstudien

• primäre Zielsetzung der Montage / Demontageuntersuchungen ist die Sicherung der Baubarkeit und Wartbarkeit eines Produktes
• räumlichen Verhältnisse der Produktstrukturen und der Betriebsmittel
  sowie der Handhabungsprozess des Ein- und Ausbaus betrachtet
• Simultaneous Engineering ermöglicht Montage, Demontage, Instandsetzung und ferner auch Recycling Untersuchungen schon während der Entwicklungsphase
• Ein- und Ausbauuntersuchungen sowie um Optimierung der Ein- und Ausbauwege --> Kameraperspektive und Zoom beliebig gewählt, Schnitte erstellt und Bauteile ein- und ausgeblendet werden

• geometrische Kollisionen zwischen Bauteilen ausfindig machen
• Mindestabstanduntersuchungen: Überprüfung der Einhaltung von vorgegebenen Mindestabständen
• Tritt ein bei Mangel an Kommunikation bei gruppenübergreifender Entwicklungsarbeit
• DMU als gruppenübergreifendes Produktmodell eignet sich besonders für diese Art von Untersuchungen
• zusätzlich Messungen mit großer Genauigkeit an Bauteilen und Berechnung Massenträgheitsmomente der Baugruppen

• DMU ist Datenbasis für komplexe Designuntersuchungen
• Daten aus 3D-Skizziertools enthalten Flächeninformationen und grobe Positionierung der Bauteile --> tesseliert und durch
  Hinzufügen von Reflexionen, Texturen und Licht- und Schatteneffekte im
  virtuellen Lichthof mit unterschiedlichen Hintergrundszenen vorgeführt
• DMU liefert auch die Daten für Prospekte und Werbefilme --> meistens
  wird ein virtuelles Fahrzeugmodell in eine Szene integriert

• Visualisierung der (selbstständigen) Bewegung von Bauteilen und Baugruppen im Kontext des gesamten Produktes
• Kollisions- und Abstanduntersuchungen für bewegliche Teile (mit
  Visualisierung der Bewegungen und Hervorheben der Kollisionen)
• Untersuchungen der Bewegungen und Schwingungen elastischer Teile
• Simulation des Verhaltens von Kabeln und Schläuchen
• Simulation und Analyse von Geräuschen
• Strömungs-, Elastizitäts- und Schwingungsuntersuchungen im Kontext der Funktionalität des gesamten Produktes

für starre Bauteile:

• Bewegungssimulationen
• Frequenzüberprüfung und Simulation des Schwingungsverhaltens.

für flexible Bauteile:

• Bestimmung der elastischen oder plastischen Verformung
• Simulation des Schwingungsverhaltens
• Simulation des Verhaltens von Kabeln und Schläuchen

• für Real-Time Visualisierungen bei großen Datenmengen reduzierte tesselierte Datensätze verwendet
• Bewegungsinfo aus Messungen/CAD- oder MKS-Tool erzeugt und im DMU-Tool mit dem statischen Datensatz verknüpft
• mehrere Bewegungen kombiniert dargestellt
• entsprechende Abhängigkeiten vorausgesetzt kann gesamter DMU wahrheitsgetreu animiert werden
• dynamische Clearance- und Kollisionsanalysen
• Teile können ausgeblendet, Schnitte erstellt werden

Grenzen:

1. Verhalten von Federn und Gummibuchsen --> approximierte Mehrkörpersimulation
2. Wegfall von Feder, Buchsen, Reifen, Kabel bei Animation
3. trotz nichtexistierenden Teilen bleiben Abhängigkeiten

• Überprüfung der Funktionalitäten eines Produktes
  • Bsp. äußerst komplexe mechan. Konstruktion
• Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik, Software
• nächster Schritt der Virtualisierung der PE
• noch frühe Entwicklungsphase, nur vereinzelt Funktionalitäten geprüft
• bezweckt, Funktionen/Funktionalitäten dem DMU hinzuzufügen, um Zusammenspiel (Mechanik, Elektronik, Software) zu simulieren

Ziel:

1. Verbindung Geometrie mit Funktion
2. Zusammenspiel (M.,E.,S.) darstellen
3. Berechnung in Echtzeit
4. interaktive Visualisierung/Validierung von Produktfunktionen
5. Funktionale DMU --> Virtuelles Produkt

Beispiele:

• Geräuschsimulation (spezielle CAE-Simulation)
• CarMaker-Vehicle Dynamics Simulation (komplettes Fahrzeug mit allen Subsystemen)

• triangular, quadrangular, hexagonal
• durch Diskretisierung gehen Information über Historie, Relation, Parametrisierung, Constraints, Features verloren
• Positionierung der Bauteile separat angegeben

• Virtuelle Prototypen integrieren die gesamten produkt- und fertigungsprozessbezogenen Daten und nutzen diese für komplexe Untersuchungen und Validierungen im Kontext des gesamten Produktes
• allgemeine Funktionalitätsuntersuchungen bezüglich Dynamik, Verformbarkeit und Elastizität von Bauteilen und Baugruppen, wie auch
• Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und Software
• Unterschied zum funktionalen DMU: das Zusammenspiel der Funktionalitäten kann simuliert und validiert werden
• Simulationen können per Schnittstellen in VR-Anlagen visualisiert, oder interaktiv und immersiv in der VR-Anlage durchgeführt werden
• Basierend auf den Virtuellen Prototypen können Test auf virtuellen Prüfständen durchgeführt werden

1. Relevante Modellumgebungen auswählen und laden:
a) Situation:100% DMU-Modell vorhanden ⇒ Nötig ist eine eigenständige Auswahl und Selektion der relevanten Produktstrukturknoten und Baugruppen durch

• manuelles Selektieren (Gute Fach- und Produktstrukturkenntnisse sind notwendig)
• Auswahl von vorkonfigurierten Varianten

b) Auswahl von vorkonfigurierten Gesamt-DMU Modellen
c) eine Mischung aus a) und b) um möglichst effektiv zu der für den speziellen Absicherungsvorgang adäquate Modellumgebung zu kommen

2. Modellumgebung sichten und verstehen durch Visualisierung von
a) 3D Geometriemodellen
b) Metadaten der Geometriemodelle (administrative u. technologische)
c) Produktstrukturdaten

3. Modellanalyse durch Anwendung der vielfältigen DMU Methoden und Funktionalitäten

1. Produktkonzeptionsphase → Design- und Ergonomieuntersuchungen, dafür werden nur Skizzen des Produktes benötigt.
2. Produktentwicklungsphase → erweiterte Validierung (statisches und dynamisches Packaging, Dynamik- und Kinematikuntersuchungen, Crash-Test, Aerodynamik-Untersuchungen, Funktionalitätsüberprüfung)
3. Produktionsplanung → Montagesimulation, Optimierung der Werkzeuge und des Produktionsprozesses, Programmierung der Fertigungsroboter
4. Im Produktvertrieb → reduzierter Datensatz für Kundenpräsentationen oder für direkte Visualisierung des eigens durch den Kunden konfigurierten Produktes
5. Produktverwendung → Simulation und virtueller Schulung von Service und Montage, oder Ableiten eines Augmented-Reality-Datensatzes, der den Techniker bei seine Tätigkeit unterstützen soll
6. Produktrecycling → zur Simulation der Demontage, oder Programmierung der Roboter für eine automatische Demontage

Auslegungsrechnung --> Dimensionierung:

• geometrischen Abmessungen
• funktionalen Parametern
• Maschinenelementen

Nachrechnung:

• Spannungen
• Verformungen
• Eigenfrequenzen

Optimierungsrechnung:

• Gewicht
• Steifigkeit
• Dynamisches Verhalten

Pre-Prozessor:

Berechnungs-modelle mit geringer Detaillierung erstellt oder aus den CAD-Modellen importiert

Solver:

im Solver sind die für die jeweilige Berechnungsaufgabe relevanten mathematischen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten implementiert

Post-Prozessor:

Ergebnisvisualisierung, wobei verschiedene Visualisierungs-methoden wie Tabellen, Graphen, Animationen, etc. zur Verfügung stehen können

Virtuelle Realitäten sind computer-generierte 3D-Modellwelten → Immersion

• in die der Benutzer eintaucht, die er als real-existierend wahrnimmt → Imagination
• mit denen er in Echtzeit interagieren kann → Interaktion
• Er tritt dabei selbst als Handelnder (1. Person) auf

Technisch gesehen steht der Vorsatz "VR-" (Virtuelle Realität) für eine Schnittstellentechnik:

• Methoden, Techniken und Verfahren mit denen eine 3D-Modellwelt interaktiv manipuliert
• computergenerierte Ergebnisse zur Stimulation menschlicher Wahrnehmungssinne an den Benutzer zurückgegeben werden können

Die schnelle Abfolge von Ein- und Ausgabe kann dabei als Echtzeit-Regelkreis angesehen werden. Je mehr Modalitäten (Wahrnehmungsebenen) in diesen Regelkreis einbezogen werden, umso realistischere Eindrücke können mit einer VR-Schnittstelle erzielt werden

Beispiele:

• CAVE (Computer Aided Virtual Environment)
• Holobench

• JT = Jupiter Tesselation (Technologie zur Erzeugung von Visualisierungsmodellen)
• De facto Industriestandart von Siemens PLM für 3D-Visualisierung, Kollaboration und gemeinsame Datennutzung
• Alle großen Softwarehersteller haben Schnittstellen zum JT-Datenformat entwickelt
• JT-Daten können entweder sehr „leicht“ sein und nur Oberflächeninformationen enthalten, oder mit den Original-CAD Daten verknüpft werden und Informationen über Baugruppen, Produktstruktur, Geometrie, Bauteileigenschaften und Metadaten enthalten
• JT unterstützt Validierungsoperationen wie Schnitte, präzise Messungen, Kollisionsuntersuchungen und Bewegungs-Simulationen, wie auch hochqualitative grafische Ausgabe in immersiver VR-Umgebung