Die Realität abbilden

Von der Idee zum Produkt - eine Schlüsselrolle kommt dabei computergestützten Simulationsverfahren zu. © Fraunhofer

Von der Idee zum Produkt – die Zeitspanne in der Produktentwicklung wird immer kürzer. Und auch bereits bestehende Produkte und Prozesse müssen immer schneller optimiert werden. Eine Schlüsselrolle kommt dabei computergestützten Simulationsverfahren zu. Auf der Hannovermesse (24. bis 28 April) stellen Wissenschaftler aus 15 Fraunhofer-Instituten in Halle 16, Stand D16 ihre Projekte vor.


„Verknüpft man Simulation und Virtuelle Realität, kommt man den realen Abläufen ziemlich nahe“, erläutert Andreas Burblies vom Fraunhofer-Themenverbund für numerische Simulation NUSIM. „Simulationen werden immer präziser und finden nicht mehr nur abstrakt im Rechner statt. Die Ereignisse müssen in Echtzeit am PC in einer virtuellen Welt nachvollziehbar werden.“ Am Beispiel eines Pendels zeigen Fraunhofer-Forscher auf der Hannover-Messe, wie sich Realität simulieren lässt: An einem Tisch befestigt, schwingt eine Pendelstange von einem kleinen Motor angetrieben hin und her. Eine Motor-Regelung bringt das Pendel schließlich kopfüberstehend in eine stabile Lage. Der Computerbildschirm daneben zeigt die Simulation als 3-D-Animation. Echtes und simuliertes Pendel zeigen das gleiche Verhalten. Ein Unterschied ist nicht mehr erkennbar.

Das Pendel dient als Demonstrator für das Projekt GENSIM. Unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik FIRST in Berlin arbeiten sechs Fraunhofer-Institute an der Entwicklung eines Simulationswerkzeugs für komplexe technische Systeme – MOSILAB (Modeling and Simulation Laboratory). „Auf der Basis der werkzeugübergreifenden Simulationssprache Modelica simulieren wir heterogene und komplexe technische Systeme. Dabei können wir physikalische Modellierungsansätze oder den Detaillierungsgrad des Models je nach Systemzustand ändern. Wir sprechen hier von Modellstrukturdynamik“, erläutert Projektleiter Christoph Nytsch-Geusen von FIRST. Am Beispiel Flugzeug verdeutlicht er die Aussage: „Je nachdem ob ein Flugzeug rollt oder in der Luft ist, muss ich verschiedene physikalische Größen in die Simulation einbeziehen – den Rollwiderstand am Boden oder die Aerodynamik an den Tragflächen in der Luft. Wir realisieren Simulationsmodelle, die während des Simulationslaufs das Umschalten zwischen den Teilmodellen erlauben. In uninteressanten Phasen können auch gröbere, weniger genaue und damit rechenaufwändige Verfahren eingesetzt werden. MOSILAB bietet Schnittstellen zu gängigen Programmiersprachen und Standardwerkzeugen. Durch seine offene skalierbare Architektur ergibt sich ein breites Anwendungsspektrum – von der Kompaktvariante bis zum Web-Service für verteilte Simulationsberechnungen. Bisher haben die Forscher MOSILAB in der Mechatronik, in der Fertigungstechnik, in der Bauphysik und auch in Brennstoffzellensystemen getestet.

Der Realität so nahe wie möglich kommen Forscher im Projekt SR-PRO. Unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern verbinden Forscher aus dem Fraunhofer-Institut für Grafische Datenverarbeitung IGD und dem Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI Simulation, Optimierung und Virtuelle Realität zur Simulierten Realität. „Ziel unseres Projekts ist es, Entscheidungsprozesse – etwa im Automobilbau interaktiv zu unterstützen“, erläutert Projektleiter Dietmar Hietel vom ITWM. Dabei konzentrieren sich die Forscher derzeit auf zwei Pilotanwendungen: Im Fahrzeugbau sehen die Entwickler direkt am PC, was im Crash passiert, wenn sie beispielsweise die Motorhaube am Auto verstärken. Bei der Produktion von Vliesstoffen erkennen sie, wie die Fasern in einer Windel verteilt werden sollten, damit der Babypopo möglichst trocken bleibt.

Ein Echtzeitsimulationssystem ist auch der Produktionsassistent von ProVis.Agent, dem ersten agentenbasierten Leitsystem des Fraunhofer-Instituts für Informations- und Datenverarbeitung IITB in Karlsruhe, der in der Automobilindustrie eingesetzt wird. Mehr als 450 automatisierte Produktionsstationen – vom Rohbau bis zur Montage – gibt es in der C-Klasse-Fertigung bei DaimlerChrysler in Bremen. Wenn eine Anlage ausfällt, ist der Leitstand heute auf die Erfahrung der Mitarbeiter angewiesen – je komplexer die Produktion wird, um so schwieriger sind Auswirkungen von Störungen zu überblicken. Der Produktionsassistent prognostiziert mit Hilfe der Daten des Realzeitsystems, in welcher der kommenden Schichten an welcher Station Engpässe auftreten werden. Ob etwa die IST-Stückzahl oder die Betriebsmittel ausgehen. „Er errechnet, was der Mitarbeiter im Leitstand machen muss, um die Soll-Stückzahl möglichst zu erreichen“, erklärt Olaf Sauer, Geschäftsfeldleiter am IITB. „Etwa eine geplante Pause zu verschieben, Mitarbeiter innerhalb der Linien anders einzusetzen oder die Reihenfolge der Fahrzeuge kurzfristig zu ändern.“

Virtuelles Werkstoffdesign stellen Forscher um Andreas Burblies aus dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen vor. Dabei geht es zum einen um Materialdesign: „Wir können aus zehn Materialien, die sich in Porosität und Dichtigkeit unterscheiden, Bauteile so fertigen, dass sie ein optimales Strukturdesign aufweisen.“ Bei Implantaten etwa muss das Material so verteilt werden, dass der künstliche Knochen von der Oberfläche und der Festigkeit her für den Patienten optimal verträglich wird. Ein weiterer Anwendungsbereich ist der Leichtbau. Moderne Faserverbundwerkstoffe müssen ebenfalls beste Eigenschaften bei geringem Gewicht aufweisen. Künftig wollen die Forscher eine Verbindung zwischen Simulation und Rapid-Prototyping schaffen. Das simulierte Modell entsteht dann sofort in einer Art Druckverfahren – etwa das Implantat.

Das Thema Monitoring beschäftigt die Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt. Moderne mechatronische Systeme müssen zuverlässig funktionieren. Um sie zu überwachen, setzten Forscher Sensoren ein, die relevante Systemgrößen erfassen und an eine zentrale Stelle übermitteln. Windkraftanlagen auf hoher See etwa können nur in ganz bestimmten Zeitfenstern gewartet und repariert werden. Die Betreiber sind darauf angewiesen, dass die Anlagen mit Sensoren überwacht werden. Nur mit aktuellen Daten ist es möglich zu entscheiden, ob die Anlage den nächsten Sturm noch übersteht oder besser vorher abgeschaltet werden muss. Auf der Hannover-Messe zeigen die LBF-Forscher an einem Fahrrad die Möglichkeiten, die moderne Überwachung bietet. Neben dem Betriebszustand lassen sich auch der aktuelle Systemzustand erfassen sowie auftretende Schäden vorhersagen.

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