Kabel- und Schlauchsimulation in der Produktentstehung - Icido
Kabel- und Schlauchsimulation in der Produktentstehung - Icido
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<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong><br />
Zusammenfassung<br />
Christian Wienss, Gernot Goebbels<br />
IC:IDO GmbH – fleXilution GmbH<br />
Gottfried Hagen Strasse 60, 51105 Köln<br />
Tel.: +49 (0) 221 / 460207-16 (-29 Fax)<br />
E-Mail: Christian.Wienss@icido.com<br />
Gernot.Goebbles@flexilution.com<br />
In <strong>der</strong> Entstehung e<strong>in</strong>es Produktes von <strong>der</strong> ersten Idee bis zur Berücksichtigung von<br />
Service-Fällen müssen verschiedene Schritte mit Hilfe von physikalischen Prototypen<br />
überprüft werden. Diese Hardwareabsicherungen im Auto- Flugzeug- <strong>und</strong> Schiffsbau<br />
s<strong>in</strong>d sehr kosten- <strong>und</strong> vor allem zeit<strong>in</strong>tensiv. In e<strong>in</strong>igen Fällen können Simulationen die<br />
Anzahl dieser Aufbauten reduzieren. Von ergonomischen Sichtbarkeits- <strong>und</strong> Erreichbarkeitsuntersuchungen<br />
über Unfalltests bis h<strong>in</strong> zu Baubarkeitsuntersuchungen s<strong>in</strong>d Simulationssysteme<br />
im E<strong>in</strong>satz. E<strong>in</strong> aktueller Aspekt auf diesem Gebiet ist die physikalisch<br />
genaue Simulation von biegeschlaffen Bauteilen.<br />
Mit dem Ansatz von IDO:Flexible <strong>der</strong> Firma IC:IDO GmbH wurde dieser Aspekt aufgegriffen.<br />
E<strong>in</strong> mathematisches Modell wurde entwickelt, um <strong>Kabel</strong> <strong>und</strong> Schläuche <strong>in</strong><br />
Echtzeit darzustellen <strong>und</strong> physikalisch korrekt zu simulieren. Sowohl immersiv als auch<br />
am Desktop sollen diese Untersuchungen durchführbar se<strong>in</strong>.<br />
Jede Simulation muss zur Qualitätsabsicherung auf Ihre Genauigkeit h<strong>in</strong> untersucht<br />
werden, bevor sie den Prototypenbau ablösen kann. Für <strong>Kabel</strong> <strong>und</strong> Schläuche kann dies<br />
nur <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em direkten Vergleich zwischen <strong>der</strong> Realität <strong>und</strong> dem berechneten Formverlauf<br />
geschehen, um neben dem theoretischen Verhalten auch praktische Störkomponenten<br />
zu berücksichtigen.<br />
In diesem Artikel wird vorgestellt, wie mit IDO:Flexible e<strong>in</strong>e <strong>Kabel</strong>simulation erstellt<br />
<strong>und</strong> diese mit realen Formverläufen verglichen wird. Als Referenz werden typische <strong>Kabel</strong><br />
<strong>und</strong> Bündel optisch vermessen. Zugleich sollen Anwendungsfälle aus <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong><br />
vorgestellt werden.<br />
Schlüsselwörter<br />
Virtual Prototyp<strong>in</strong>g, VDP, IDO:Flexible, <strong>Kabel</strong>simulation, <strong>Schlauchsimulation</strong>
Seite 2 C. Wienss, G. Goebbels<br />
1 Vergleichbare Arbeiten<br />
Auf dem Gebiet <strong>der</strong> Simulation von flexiblen Bauteilen werden verschiedene Ansätze<br />
verfolgt. Aktuelle Forschungsprojekte werden im Folgenden kurz erläutert.<br />
In [THE07] wird e<strong>in</strong> Ansatz zur Simulation von e<strong>in</strong>dimensionalen Objekten mit Hilfe<br />
von Spl<strong>in</strong>es beschrieben, <strong>der</strong> auf [TQ94] aufbaut. Q<strong>in</strong> <strong>und</strong> Terzopoulus [TQ94]<br />
komb<strong>in</strong>ierten geometrische Spl<strong>in</strong>es mit physikalischen Randbed<strong>in</strong>gungen. Unter dem<br />
Namen Dynamic Material Spl<strong>in</strong>es (DMS) wird e<strong>in</strong> auf dem Lagrangeformalismus<br />
beruhendes Modell umgesetzt, das die Kontrollpunkte (De-Boor-Punkte) <strong>der</strong> Spl<strong>in</strong>es als<br />
Randbed<strong>in</strong>gung für e<strong>in</strong> kont<strong>in</strong>uierliches Objekt verwendet. Diese Idee wurde<br />
aufgegriffen <strong>und</strong> unter Vernachlässigung <strong>der</strong> Genauigkeit <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en echtzeitfähigen<br />
Ansatz umgesetzt.<br />
In [GS06] wird e<strong>in</strong> Ansatz vorgestellt, welcher die Simulation von <strong>Kabel</strong>n <strong>und</strong><br />
Schläuchen anhand e<strong>in</strong>es Fe<strong>der</strong>-Masse-Ansatzes beschreibt. Je<strong>der</strong> Massepunkt wird<br />
durch e<strong>in</strong>e Koord<strong>in</strong>ate <strong>und</strong> se<strong>in</strong>e Ausrichtung unter Berücksichtigung von Torsion <strong>in</strong><br />
Quaternionen def<strong>in</strong>iert. Interaktion mit dem Objekt f<strong>in</strong>det über das Anlegen von Kräften<br />
statt. Dem Cosserat Modell folgend berücksichtigt dieser Ansatz nur <strong>und</strong>ehnbare <strong>und</strong><br />
nicht verscherende Objekte. Weiterh<strong>in</strong> wird <strong>der</strong> Durchmesser über die Objektlänge<br />
h<strong>in</strong>weg als konstant <strong>und</strong> <strong>der</strong> Querschnitt als homogen def<strong>in</strong>iert. Auch die<br />
Materialeigenschaften bleiben im gesamten Objekt konstant.<br />
W. Schotte hat im Rahmen se<strong>in</strong>er Diplomarbeit [SCH05] im Projekt Codnesim am<br />
Fraunhofer IGD (Darmstadt) e<strong>in</strong>en impulsbasierten Fe<strong>der</strong>-Masse Simulationsansatz<br />
weiterverfolgt. Beim impulsbasierten Verfahren werden E<strong>in</strong>flüsse auf das System nicht<br />
durch Kräfte, son<strong>der</strong>n durch Impulse realisiert. Impulse werden genau e<strong>in</strong>mal auf das<br />
System übertragen <strong>und</strong> verän<strong>der</strong>n das Verhalten nachhaltig, während Kräfte ständig auf<br />
die Simulation e<strong>in</strong>wirken. Schotte et al. wenden den allgeme<strong>in</strong>en Ansatz <strong>der</strong><br />
Mehrkörpersimulation aus [SCH03] auf <strong>Kabel</strong>simulation an.<br />
L<strong>in</strong>n et al. [LIN06] präsentieren e<strong>in</strong>en Ansatz, <strong>der</strong> auf Kirchhoffs geometrisch exakten<br />
Theorien aufsetzt. Diese werden durch Energiem<strong>in</strong>imierung mit e<strong>in</strong>em nichtl<strong>in</strong>earen<br />
konjugierten Gradientenverfahren genähert gelöst. Der Algorithmus ist <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e<br />
Softwareumgebung <strong>in</strong>tegriert <strong>und</strong> soll über ähnliche Echtzeitfähigkeit verfügen wie<br />
[GS06].
<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> Seite 3<br />
2 Simulationsumfeld<br />
Zur Reduktion von Prototypen ist die Fähigkeit zum praktischen E<strong>in</strong>satz ebenso<br />
entscheidend wie die Genauigkeit des Simulationsansatzes. Hierzu gehören<br />
beispielsweise Bedienbarkeit <strong>und</strong> Daten<strong>in</strong>tegration. Um die Validation <strong>der</strong> Simulation<br />
vorzubereiten, wird <strong>in</strong> diesem Abschnitt die Funktionsweise <strong>und</strong> Bedienung von<br />
IDO:Flexible erläutert. Die Software ist e<strong>in</strong> Modul <strong>der</strong> Visual Decision Platform (VDP),<br />
welche sich mit verschiedenen Aspekten <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> ause<strong>in</strong>an<strong>der</strong>setzt. Die<br />
Software setzt auf e<strong>in</strong>en numerischen Lösungsansatz (fleXeng<strong>in</strong>e) auf, welcher den<br />
Formverlauf von Schläuchen, <strong>Kabel</strong>n <strong>und</strong> <strong>Kabel</strong>bündeln berechnet. Die fleXeng<strong>in</strong>e<br />
verwendet e<strong>in</strong>en Ansatz, <strong>der</strong> auf <strong>der</strong> Verwendung des Hamilton Formalismus unter<br />
Randbed<strong>in</strong>gungen beruht. Dieser ist e<strong>in</strong>e mathematische Verallgeme<strong>in</strong>erung <strong>der</strong><br />
Methode <strong>der</strong> Lagrange-Multiplikatoren, verfe<strong>in</strong>ert durch analytische Methoden aus <strong>der</strong><br />
Differenzialrechnung <strong>und</strong> Gruppentheorie. Mit diesen Methoden erreicht man e<strong>in</strong>e<br />
Klassifizierung <strong>und</strong> Elim<strong>in</strong>ierung von S<strong>in</strong>gularitäten, e<strong>in</strong>e effektive Faktorisierung <strong>der</strong><br />
eigentlichen Bewegungen <strong>und</strong> e<strong>in</strong> stabiles numerisches Schema, um die<br />
Elastizitätsgleichungen <strong>in</strong> Echtzeit zu lösen.<br />
Bild 2: Die Oberfläche <strong>der</strong> VDP2007 mit IDO:Flexible. 1:Geometrieansicht, 2:Menüleiste,<br />
3:Toolbar, 4:Eigenschaftendialog, 5:Objektbereich, 6:IDO:Flexible-Funktionen <strong>und</strong><br />
7:Tree Editor
Seite 4 C. Wienss, G. Goebbels<br />
Während die weiteren mathematischen Gr<strong>und</strong>lagen <strong>in</strong> [HOR06, HOR07] erläutert<br />
werden, ist das Kernthema dieses Papers die Genauigkeit des Ansatzes. Zunächst wird<br />
beschrieben, wie <strong>der</strong> Funktionsumfang des mathematischen Models softwaretechnisch<br />
<strong>und</strong> softwareergonomisch umgesetzt wurde.<br />
Das Bedienkonzept umfasst drei Hauptbereiche zur Interaktion mit flexiblen Bauteilen.<br />
Das erste Themengebiet beschäftigt sich mit <strong>der</strong> Erstellung <strong>und</strong> Organisation von <strong>Kabel</strong>n<br />
<strong>und</strong> Schläuchen. Hier werden auch Funktionen zur Verfügung gestellt, um aus vorhandener<br />
starrer Geometrie biegeschlaffe Bauteile zu erzeugen (vlg. Bild2, Punkt 6).<br />
Der zweite Bereich behandelt Analysemöglichkeiten. Hier können neben Kollisionsbehandlungen<br />
auch Hüllkurven von <strong>Kabel</strong>n <strong>und</strong> Schläuchen erzeugt werden (vgl. Bild 3).<br />
Bild 3: Unter den Analysetools f<strong>in</strong>det man Möglichkeiten <strong>der</strong> Kollisionsbehandlung, <strong>der</strong> Ab-<br />
standsanalyse <strong>und</strong> <strong>der</strong> Erstellung von Bewegungshüllkurven.<br />
Darunter versteht man die Erstellung e<strong>in</strong>es Objektes, welches genau den Raum visualisiert,<br />
den das flexible Bauteil während se<strong>in</strong>er Bewegung e<strong>in</strong>nimmt.<br />
Bild 4: Der Material Manager mit den E<strong>in</strong>stellungsmöglichkeiten <strong>und</strong> Schwellwerten zu dem<br />
zu analysierenden Bauteil. Hier können beispielsweise Steifigkeit <strong>und</strong> m<strong>in</strong>imaler Bie-<br />
geradius spezifiziert werden.
<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> Seite 5<br />
Zudem können M<strong>in</strong>imalabstände zwischen unterschiedlichen Bauteilen untersucht werden,<br />
um Bauraumvorgaben e<strong>in</strong>zuhalten. Unter dem dritten Reiter: Material Manager,<br />
bef<strong>in</strong>den sich die E<strong>in</strong>stellungsmöglichkeiten zur Spezifikation des flexiblen Bauteils<br />
(vlg. Bild 4). Die Software ist sowohl am Desktop als auch immersiv anzuwenden.<br />
Die Materialeigenschaften Steifigkeit, Querkontraktion <strong>und</strong> Dichte s<strong>in</strong>d die Hauptkriterien<br />
für die Def<strong>in</strong>ition e<strong>in</strong>es Materials. Die Masse, das Aussehen <strong>und</strong> das <strong>in</strong>terne Biegeverhalten<br />
werden mit dem äußeren <strong>und</strong> <strong>in</strong>neren Durchmesser parametrisiert. Verletzungen<br />
von Schwellwerten wie z.B. maximaler Zugkraft <strong>und</strong> m<strong>in</strong>imaler Biegeradius werden<br />
durch Warnfarben angezeigt.<br />
3 Anwendungsfälle des Ansatzes<br />
Die Simulation von flexiblen Bauteilen f<strong>in</strong>det im <strong>Produktentstehung</strong>sprozess <strong>in</strong> unterschiedlichen<br />
Bereichen Anwendung. Um die Bedürfnisse <strong>in</strong> <strong>der</strong> Entwurfsphase zu bedienen,<br />
wurde die Möglichkeit des schnellen Rout<strong>in</strong>gs e<strong>in</strong>geführt. Hierbei kann man auf<br />
<strong>der</strong> Geometrie überall dort h<strong>in</strong> klicken, wo e<strong>in</strong> flexibles Bauteil befestigt werden soll<br />
bzw. von wo nach wo es geführt werden muss. So kann, ohne das endgültige Wissen<br />
über Bauteileigenschaften, <strong>in</strong> kurzer Zeit e<strong>in</strong> Bauraum reserviert werden. Sobald Details<br />
über das <strong>Kabel</strong> o<strong>der</strong> den Schlauch absehbar werden, können diese übertragen <strong>und</strong> somit<br />
die Genauigkeit <strong>der</strong> Aussage erhöht werden. Zudem ist <strong>in</strong> diesem Modus <strong>und</strong> <strong>in</strong> diesem<br />
Stadium schon e<strong>in</strong>e M<strong>in</strong>imierung <strong>der</strong> Clipanzahl durchführbar.<br />
Bei <strong>der</strong> Validierung des Entwurfs wird überprüft, ob das Konzept realisierbar ist. Hierbei<br />
hilft IDO:Flexible bei Bauraumuntersuchungen <strong>und</strong> <strong>Kabel</strong>längendef<strong>in</strong>itionen. Als<br />
Beispiel wird e<strong>in</strong> Sensorkabel aufgezeigt (vgl. Bild 6), welches <strong>in</strong> ke<strong>in</strong>em E<strong>in</strong>- o<strong>der</strong><br />
Ausfe<strong>der</strong>zustand überdehnt se<strong>in</strong> <strong>und</strong> ke<strong>in</strong> an<strong>der</strong>es Bauteil berühren darf. So kann schon<br />
<strong>in</strong> dieser frühen Phase Bauteilverschleiß durch Abrieb ausgeschlossen werden. Zusätzlich<br />
wird <strong>der</strong> Konstrukteur noch durch Aufzeichnung e<strong>in</strong>er Hüllkurve unterstützt, welche<br />
er <strong>in</strong> se<strong>in</strong>em Author<strong>in</strong>gtool darstellen <strong>und</strong> somit stets den benötigten Platz berücksichtigen<br />
kann.<br />
Bild 6: Anwendungsfall zur Absicherung des Bauraumes für e<strong>in</strong> Sensorkabel <strong>in</strong> verschiede-<br />
nen E<strong>in</strong>fe<strong>der</strong>ungszuständen. Mit fre<strong>und</strong>licher Genehmigung <strong>der</strong> Audi AG.
Seite 6 C. Wienss, G. Goebbels<br />
In <strong>der</strong> Konstruktions- <strong>und</strong> Erprobungsphase greifen die Untersuchungsergebnisse aus<br />
<strong>der</strong> Validierungsphase, was zur deutlichen Reduzierung <strong>der</strong> physikalischen Prototypen<br />
führt. Diese Phase ist häufig die erste Phase, <strong>in</strong> <strong>der</strong> alle Bauteile zusammengeführt <strong>und</strong><br />
auf die verschiedenen Gesamtkomponenten gleichzeitig betrachtet werden. Hierbei<br />
kommt es zu weiteren Bauraumüberschneidungen, bei denen häufig flexible Bauteile<br />
betroffen s<strong>in</strong>d. Die betroffenen Package-Abteilungen müssen nun Lösungen f<strong>in</strong>den, bei<br />
denen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Regel die biegeschlaffen Komponenten geän<strong>der</strong>t werden (vgl. Bild 7).<br />
Bild 7: Bauraumüberschneidung <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mittelkonsole. Das flexible Objekt wird zunächst <strong>in</strong><br />
unverän<strong>der</strong>ter Länge wie geplant simuliert (l<strong>in</strong>ks). Dabei erkennt man die Verlet-<br />
zung des m<strong>in</strong>imalen Biegeradius (hellblau, mitte). Nach Längenangleich <strong>und</strong> Positi-<br />
onsän<strong>der</strong>ung des Anschlusses ist das Konzept umsetzbar (rechts). Mit fre<strong>und</strong>licher<br />
Genehmigung <strong>der</strong> Daimler AG.<br />
Zudem werden <strong>in</strong> <strong>der</strong> Erprobungsphase Lasttests <strong>und</strong> wirkende Kräfte analysiert. Hierbei<br />
helfen die e<strong>in</strong>geführten Stop- <strong>und</strong> Analysekriterien, bei denen Kräfte, Kollisionen<br />
<strong>und</strong> Biegeradienverletzungen im Vorfeld erkannt werden können.<br />
Während <strong>der</strong> Fertigung unterstützt <strong>der</strong> numerische Ansatz von IDO:Flexible beispielsweise<br />
bei <strong>der</strong> Konstruktion <strong>und</strong> Planung <strong>der</strong> Schweiß- <strong>und</strong> Montageroboter. Diese<br />
werden elektrisch o<strong>der</strong> hydraulisch bewegt <strong>und</strong> müssen somit <strong>Kabel</strong>stränge <strong>und</strong> Druckleitungen<br />
führen, welche starken Bewegungen ausgesetzt s<strong>in</strong>d. Hierbei gilt es übermäßige<br />
Zugbelastungen <strong>und</strong> Knicke von Schläuchen zu vermeiden.<br />
4 Messung <strong>der</strong> Materialeigenschaften<br />
Beg<strong>in</strong>nend mit <strong>der</strong> Validierungsphase steigt <strong>der</strong> Anspruch <strong>der</strong> physikalischen Genauigkeit<br />
an das System. Es muss beachtet werden, welche Materialien zum E<strong>in</strong>satz kommen,<br />
um die entsprechenden Parameter <strong>der</strong> Simulation zu übergeben. Hierzu wurden alle verwendeten<br />
Proben auf verschiedene Eigenschaften h<strong>in</strong> vermessen:
<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> Seite 7<br />
1. Steifigkeit: In e<strong>in</strong>em Biegeversuch wird die e<strong>in</strong>gespannte Probe ausgelenkt <strong>und</strong><br />
die benötigte Steifigkeit gemessen (vlg. Bild 8). Hieraus wird mit Hilfe <strong>der</strong> Balkentheorie<br />
<strong>und</strong> <strong>der</strong> Annahme, dass es sich um e<strong>in</strong> homogenes Material handelt,<br />
die Steifigkeit ermittelt. Bei Schläuchen wird zusätzlich die Steifigkeit aus dem<br />
Zugversuch ermittelt. Für die Simulation wird allerd<strong>in</strong>gs die Steifigkeit aus dem<br />
Biegeversuch verwendet. Die beiden Steifigkeiten können sich um den Faktor<br />
100 unterscheiden, da die Bauteile als System verschiedener Komponenten vorliegen.<br />
Der Zugversuch wird durchgeführt, um die Poissonzahl zu bestimmen.<br />
2. Querkontraktion: im Zugversuch von Schläuchen wird mit e<strong>in</strong>er hochauflösenden<br />
Kamera die Querverjüngung bei gleichzeitiger Längsdehnung gemessen.<br />
Zusätzlich ist die Probe mit e<strong>in</strong>er oberflächenspannungslosen Flüssigkeit gefüllt,<br />
anhand welcher das Innenvolumen überprüft wird. Hieraus kann die Än<strong>der</strong>ung<br />
<strong>der</strong> Wandstärke ermittelt werden, aus welcher die Poissonzahl berechnet wird.<br />
3. Dichte: Die Dichte wird mittels Auftriebsanalyse mit e<strong>in</strong>em Pyknometer gemessen.<br />
Das Messpr<strong>in</strong>zip beruht auf <strong>der</strong> Verdrängung <strong>der</strong> im Gefäß bef<strong>in</strong>dlichen<br />
Flüssigkeit. Dabei wird erst das leere bzw. das mit Flüssigkeit gefüllte Gefäß gewogen<br />
<strong>und</strong> dann <strong>der</strong> zu messende Körper <strong>in</strong> das Gefäß gegeben.<br />
Bild 8: Aufbauten zur Materialvermessung. Von l<strong>in</strong>ks nach rechts: Optische Messung <strong>der</strong><br />
Querkontraktion, Biegeversuch mit Auslenkung <strong>und</strong> Kraftmessung, Hysteresekurve<br />
aus Weg zu Kraft.<br />
5 Messung des Formverlaufes<br />
Zur Beurteilung <strong>der</strong> Güte e<strong>in</strong>er <strong>Kabel</strong>simulation ist <strong>der</strong> Vergleich mit <strong>der</strong> Realität unabd<strong>in</strong>gbar.<br />
Hierzu wurden verschiedene Vermessungstechniken begutachtet <strong>und</strong> verglichen.<br />
Benötigt wurde e<strong>in</strong> System mit folgenden Eigenschaften, die neben wissenschaftlichen<br />
Zielen auch Firmen<strong>in</strong>teressen entsprechen mussten:
Seite 8 C. Wienss, G. Goebbels<br />
1. Genauigkeit: Maximaler Fehler <strong>der</strong> Messdaten: 200 μm.<br />
2. Freiheitsgrade: Es ist wichtig auch <strong>in</strong> schwierig zu erreichenden Positionen<br />
umfassende Messdaten zu erlangen (z.B. Bremsschlauch im Radkasten).<br />
3. Scandauer: E<strong>in</strong>e Scandauer von über drei M<strong>in</strong>uten nicht s<strong>in</strong>nvoll, da Kräfte <strong>und</strong><br />
Gravitaion e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge Formverän<strong>der</strong>ung über die Zeit bewirken.<br />
4. Scanvolumen: Bauräume von bis zu 1 m³ sollten erfasst werden können.<br />
5. Datenmengen: Die ermittelten Messdaten müssen ausreichen, um den <strong>Kabel</strong>verlauf<br />
h<strong>in</strong>reichend genau zu beschreiben.<br />
6. Messbee<strong>in</strong>flussung: Durch die Vermessung darf <strong>der</strong> Probenverlauf nicht verän<strong>der</strong>t<br />
werden.<br />
7. Transportierbarkeit: Schnelles Auf- <strong>und</strong> Abbauen <strong>und</strong> Verstauen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />
handlichen Schutzbehältnis wichtig für den k<strong>und</strong>ennahen E<strong>in</strong>satz.<br />
8. Kalibrationszeit: Maximal zehn M<strong>in</strong>uten Aufbau- <strong>und</strong> Kalibrationszeit erlaubt<br />
für professionellen <strong>und</strong> rentablen K<strong>und</strong>enauftritt.<br />
9. Auftreten: Look and Feel e<strong>in</strong>er professionellen Lösung.<br />
10. E<strong>in</strong>richtungszeit: E<strong>in</strong> rentabler Auftritt setzt e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge E<strong>in</strong>arbeitungsphase<br />
<strong>und</strong> wenig Startprogrammierung voraus.<br />
11. Datenformat: Ausgabe des Systems soll e<strong>in</strong> schnell <strong>in</strong> <strong>der</strong> firmeneigenen Software<br />
ladbares Datenformat se<strong>in</strong>.<br />
12. Garantierte Lauffähigkeit: Fällt e<strong>in</strong>e Komponente des Systems aus, muss <strong>in</strong>nerhalb<br />
kürzester Zeit das Gerät wie<strong>der</strong> funktionsfähig se<strong>in</strong> können.<br />
Durch die Anfor<strong>der</strong>ungsvorgaben lassen sich Klassifizierungen verschiedener Messsysteme<br />
vornehmen. Haptische Systeme bee<strong>in</strong>flussen den <strong>Kabel</strong>verlauf, ergeben e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge<br />
Anzahl von Messdaten <strong>und</strong> benötigen vergleichsweise viel Zeit zur Datenerfassung.<br />
Ihr Vorteil liegt <strong>in</strong> <strong>der</strong> schnellen Kalibration <strong>und</strong> hohen Genauigkeit. Optische<br />
Systeme bieten den Vorteil, das Datenvolumen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Zeitschritt zu erfassen. E<strong>in</strong><br />
mögliches System wird von <strong>der</strong> Firma GOM vertrieben <strong>und</strong> basiert auf Epipolargeometrie.<br />
Hierbei werden Streifenmuster auf die Oberfläche projiziert <strong>und</strong> von zwei Kameras<br />
aufgenommen. Die gemessene Objektstruktur wird automatisch <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Oberfläche<br />
überführt <strong>und</strong> kann exportiert werden. Nachteile des Systems s<strong>in</strong>d allerd<strong>in</strong>gs <strong>der</strong> Preis<br />
<strong>und</strong> das Umstellen <strong>der</strong> Apparatur für Scans von mehreren Seiten. Zudem s<strong>in</strong>d Aufnahmen<br />
<strong>in</strong> engen Bauräumen (z.B. Radkasten) schwierig umzusetzen. Mit e<strong>in</strong>em Laserscanner,<br />
gestützt durch e<strong>in</strong>en 3D-Messarm, lassen sich die meisten Kriterien erfüllen.<br />
E<strong>in</strong>e hohe Genauigkeit im Zusammenspiel mit ger<strong>in</strong>ger Kalibrationszeit, hoher Mobilität,<br />
ke<strong>in</strong>er Messbee<strong>in</strong>flussung <strong>und</strong> e<strong>in</strong>em großen Messraum auch unter verw<strong>in</strong>kelten Bed<strong>in</strong>gungen<br />
bei gleich bleiben<strong>der</strong> Genauigkeit wird gewährleistet. Zudem wird das System<br />
kommerziell vertrieben <strong>und</strong> garantiert so Lauffähigkeit, ger<strong>in</strong>ge E<strong>in</strong>richtungszeit<br />
<strong>und</strong> professionelles Auftreten. Es wird e<strong>in</strong> 3D Datenmodell erzeugt, das <strong>in</strong> gängigen<br />
Formaten abgelegt werden kann. Kritikpunkte wären das nötige Weißen <strong>der</strong> Probe, <strong>der</strong>
<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> Seite 9<br />
Preis sowie die objektgrößenabhängige Scandauer. Aufgr<strong>und</strong> des direkten Vergleichs<br />
<strong>der</strong> Messmethoden wurde sich für die Verwendung des lasergestützen optischen Systems<br />
entschieden. Die Wahl fiel auf die Komb<strong>in</strong>ation aus dem Microscribe G2 taktilen<br />
3D-Arm <strong>der</strong> Firma Immersion <strong>in</strong> Komb<strong>in</strong>ation mit dem Laserscanner Microscan <strong>der</strong><br />
Firma MSI. Dieser liefert e<strong>in</strong>en ausreichend großen Abtastungsradius (120cm) bei hoher<br />
Auflösung (100 μm). Es werden 28.000 Punkte pro Sek<strong>und</strong>e aufgenommen, wodurch<br />
e<strong>in</strong>e hohe Datenmenge entsteht. Zudem ist das System e<strong>in</strong>fach zu transportieren<br />
(800x300x300mm Kiste) <strong>und</strong> schnell zu kalibrieren (ca. 4 M<strong>in</strong>uten). Das System wird<br />
mit e<strong>in</strong>er Software ausgeliefert (Microscan Tools), welche mehrere Scans e<strong>in</strong>es Objektes<br />
analysiert <strong>und</strong> Messfehler m<strong>in</strong>imiert. Die gescannten Punkte werden unter Berücksichtigung<br />
von Ausreißerbehandlung zu e<strong>in</strong>er Gitterstruktur verb<strong>und</strong>en, welche im .stl<br />
Format o<strong>der</strong> als VRML gespeichert wird. So können die Scanergebnisse <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Arbeitsschritt<br />
erfasst <strong>und</strong> zur Simulation vorbereitet werden.<br />
Für die Verlaufsanalysen wurde e<strong>in</strong>e Messreihe entworfen, welche typische Anwendungsfälle<br />
abdeckt <strong>und</strong> sowohl Biegung als auch Torsion berücksichtigt. Neben anwen<strong>der</strong>spezifischen<br />
Lastfällen wurden bislang drei Testreihen gemessen, welche <strong>in</strong> Bild 9<br />
dargestellt werden.<br />
Bild 9: Verschiedene Aufbauten zur Vermessung von <strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Kabel</strong>bündelverläufen. Alle<br />
Setups wurden mit <strong>und</strong> ohne Torsion analysiert.<br />
Die gescannten Formverläufe werden <strong>in</strong> IDO:Flexible importiert <strong>und</strong> mit Hilfe des Assisted<br />
Mode <strong>in</strong> flexible Bauteile umgewandelt. Hierbei werden sehr viele Stützstellen<br />
entlang des realen Scans gesetzt, um das physikalische Verhalten genau nachzubilden.<br />
Im nächsten Schritt werden die Endpositionen <strong>und</strong> die Materialkennwerte <strong>der</strong> Simulation<br />
übergeben, die nun den Formverlauf ohne Zwischenfixierungen errechnet. Als Ergebnis<br />
werden zwei Mittell<strong>in</strong>ien exportiert, e<strong>in</strong> Nachbau <strong>der</strong> Realität <strong>und</strong> e<strong>in</strong>e Simulation.<br />
Diese werden <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em separaten Tool (z.B. UGSPLM NX) mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong> verglichen<br />
<strong>und</strong> die maximale Abweichung ermittelt.
Seite 10 C. Wienss, G. Goebbels<br />
6 Ergebnisse<br />
Die Messaufbauten wurden mit sechs verschiedenen <strong>Kabel</strong>typen sowie sechs verschiedenen<br />
<strong>Kabel</strong>bündeltypen durchgeführt. Die Bündel unterschieden sich im <strong>in</strong>neren Aufbau<br />
sowie <strong>in</strong> <strong>der</strong> Wickelungsart. Diese werden wie <strong>in</strong> Bild 9 beschrieben e<strong>in</strong>gespannt<br />
<strong>und</strong> ohne Torsion vermessen. Zusätzlich werden die Proben mit 90° Torsion versehen<br />
<strong>und</strong> gescannt. Daraus ergeben sich 72 Scans, welche mit IDO:Flexible nachgebaut <strong>und</strong><br />
errechnet werden. Die maximale Abweichung wird als Fehler <strong>in</strong> Prozent bezogen auf<br />
die Probenlänge angegeben. Beispiel <strong>in</strong> Bild 10: Die maximale Abweichung beträgt<br />
4,43mm, was bei e<strong>in</strong>er Probenlänge von 751mm e<strong>in</strong>en Fehler von 0,59% bedeutet.<br />
Bild 10: Vergleich Realität (grau) <strong>und</strong> Simulation (gelb). 10mm² <strong>Kabel</strong>, Aufbau wie <strong>in</strong> Bild 9<br />
(l<strong>in</strong>ks) ohne Torsion. Die Mittell<strong>in</strong>ien werden extrahiert <strong>und</strong> mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong> verglichen.<br />
Mit fre<strong>und</strong>licher Genehmigung von Delphi Packard.<br />
Die Vergleiche zwischen <strong>der</strong> Realität <strong>und</strong> <strong>der</strong> Simulation lieferten folgende Ergebnisse:<br />
bei 50 Proben lag <strong>der</strong> Fehler unter e<strong>in</strong>em Prozent, bei 20 unter 2%, jeweils e<strong>in</strong>e Probe<br />
ergab e<strong>in</strong>en Fehler von 3% <strong>und</strong> 4%. Die Hauptursache für die entstandenen Abweichungen<br />
waren manuelle Fertigungsfehler sowie Vordeformationen durch händische Wickelung<br />
<strong>und</strong> Transport (vlg. Bild 11).
<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> Seite 11<br />
Bild 11: Manuelle Fertigungsfehler <strong>in</strong> <strong>der</strong> Wickelung <strong>der</strong> Bündel (l<strong>in</strong>ks) sowie Vordeformati-<br />
on durch Lagerung (rechts) s<strong>in</strong>d die Hauptursache für Abweichungen zwischen <strong>der</strong><br />
Simulation (gelb) <strong>und</strong> <strong>der</strong> Realität (grau).<br />
Von den Benutzerlastfällen wurde das Sensorkabel im Radkasten (vgl. Bild 6) mit Hilfe<br />
des Laserscanners vermessen (Audi). Hierbei ergab sich e<strong>in</strong> maximaler Fehler über alle<br />
E<strong>in</strong>fe<strong>der</strong>ungszustände von 0,77%.<br />
7 Zusammenfassung <strong>und</strong> Ausblick<br />
In diesem Paper konnte bewiesen werden, welche Genauigkeit aus dem mathematischen<br />
Modell von IDO:Flexible resultiert. Alle gemessenen Proben lagen mit <strong>und</strong> ohne Torsion<br />
weit <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> vom OEM gefor<strong>der</strong>ten Toleranz (meist 5%). Somit konnte nachgewiesen<br />
werden, dass physikalische Prototypen zur Absicherung des Entwurfs aufgr<strong>und</strong><br />
<strong>der</strong> Simulationsergebnisse reduziert werden können. Die größten Abweichungen<br />
entstanden durch <strong>in</strong>dividuelle Fehler <strong>in</strong> <strong>der</strong> manuellen Fertigung sowie Lagerung.<br />
Mit diesem Modell werden Zeit <strong>und</strong> Kosten e<strong>in</strong>gespart, was zur Beschleunigung des<br />
<strong>Produktentstehung</strong>sprozesses führt. Die Bereiche im Produktlebenszyklus, <strong>in</strong> denen die<br />
Simulation von flexiblen Bauteilen s<strong>in</strong>nvoll ist, wurden diskutiert. Entsprechend den<br />
Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>in</strong> den verschiedenen Stadien wurden Lösungskonzepte vorgestellt.<br />
E<strong>in</strong> wichtiger Faktor für die gemessenen Ungenauigkeiten waren gewünschte sowie ungewünschte<br />
Vordeformationen. Diese treten zudem im Bereich von Lüftungs- <strong>und</strong> Klimaschläuchen<br />
häufig auf. Aus diesem Gr<strong>und</strong> wird dieser <strong>in</strong>teressante Forschungsaspekt<br />
<strong>in</strong> den nächsten Versionen umgesetzt.
Seite 12 C. Wienss, G. Goebbels<br />
Literatur<br />
[GEK01] GAUSEMEIER, J.; EBBESMEYER, P.; KALLMEYER, F.: Produkt<strong>in</strong>novation - Strategische Planung<br />
<strong>und</strong> Entwicklung <strong>der</strong> Produkte von morgen. Carl Hanser Verlag, München, Wien, 2001<br />
[GS06] GRÉGOIRE, M.; SCHÖMER, E.: Interactive simulation of one-dimensional flexible parts.<br />
ACM Symposium on Solid and Physical Model<strong>in</strong>g, 2006<br />
[HOR06] HORNUNG, N.; NIKITIN, I.; GOEBBELS, G.; KLEIN, U.; MÜLLER, S.; WIENSS, C.: fleXeng<strong>in</strong>e:<br />
Highly Accurate Real-Time Simulation System For Cables, Hoses and Wir<strong>in</strong>g Harness<br />
with Contacts. Proceed<strong>in</strong>gs of the International Wire and Calbe Symposium (IWCS),<br />
Inc, Rhode Island, USA, 2006<br />
[HOR07] HORNUNG, N.; NIKITIN, I.; GOEBBELS, G.; KLEIN, U.; HAMBÜRGER, T.; WIENSS, C.; RATTAY,<br />
O.; TROCHE, K.; GÖBEL, M.: fleXeng<strong>in</strong>e: Realtime dynamics simulation of cables, hoses<br />
and wir<strong>in</strong>g harnesses for high accuracy digital mockups and load analysis. Proceed<strong>in</strong>gs<br />
of the Conference Automotive Power Electronics Paris - Salons de l'Aveyron (APE),<br />
Paris, France, 2007<br />
[LIN06] LINN, J.; STEPHAN, T.; CARLSON, J.S.; BOHLIN, R.: Fast simulation of quasistatic cable deformations<br />
for simulation applications <strong>in</strong> VR. Proceed<strong>in</strong>gs of the European Conference<br />
of Mathematics <strong>in</strong> Industry ECMI, 2006<br />
[SCH03] SCHMITT, A.;: Dynamische Simulation von gelenkgekoppelten Starrkörpersystemen mit<br />
<strong>der</strong> Impulstechnik, Universität Karlsruhe, 2003<br />
[SCH05] SCHOTTE, W.: Simulation des dynamischen Verhaltens von <strong>Kabel</strong>n für E<strong>in</strong>bau-Montage-<br />
Simulation <strong>in</strong> VR. Master’s thesis, Fraunhofer IGD, Darmstadt, Germany, 2005<br />
[THE07] THEETTEN, A.;: Quasi-dynamic spl<strong>in</strong>es. SPM ’07: Proceed<strong>in</strong>gs of the 2007 ACM symposium<br />
on Solid and Physical modell<strong>in</strong>g, S. 409, New York, USA, 2007<br />
[TQ94] TERZOPOULUS, D.; QIN, H.: Dynamic NURBS with geometric constra<strong>in</strong>ts for <strong>in</strong>teractive<br />
sculpt<strong>in</strong>g. ACM Transactions on Graphics, 1994<br />
[WIE05] WIENSS, C.; NIKITIN, I.; GOEBBELS, G.; MÜLLER, S.: fleXeng<strong>in</strong>e: Echtzeitdeformation <strong>und</strong><br />
Kollisionserkennung zur virtuellen Operationssimulation. Virtuelle <strong>und</strong> Erweiterte Realität,<br />
Shaker, Aachen, 2. Workshop <strong>der</strong> GI Fachgruppe VR/AR, Gesellschaft für Informatik,<br />
2005<br />
Dipl.-Inform. Christian Wienss, Jahrgang 1979, studierte von Oktober 2000 bis Dezember 2004<br />
Computervisualistik an <strong>der</strong> <strong>der</strong> Universität Koblenz. Von September 2003 bis Dezember 2004 war er<br />
neben dem Studium Hilfswissenschaftler im Competence Center Virtual Environments des Fraunhofer<br />
Institutes für Medienkommunikation (IMK). Ab 2005 arbeitete er <strong>in</strong> <strong>der</strong> Fa. fleXilution GmbH,<br />
wo er bis November 2006 <strong>in</strong> <strong>der</strong> Entwicklung <strong>und</strong> als Doktorand tätig war. Bei <strong>der</strong> Zusammenführung<br />
mit <strong>der</strong> IC:IDO GmbH wechselte er <strong>in</strong> die Position e<strong>in</strong>es technischen Beraters <strong>und</strong> verfasst weiterh<strong>in</strong><br />
se<strong>in</strong>e Dissertation über das Verhalten biegeschlaffer Bauteile.<br />
Dr. Gernot Goebbels ist Mitbegrün<strong>der</strong> <strong>und</strong> Geschäftsführer <strong>der</strong> fleXilution GmbH, Deutschland. Von<br />
1998 bis 2004 war er Projektmanager im Competence Center Virtual Environments des Fraunhofer<br />
Institutes für Medienkommunikation (IMK). Se<strong>in</strong>e durch Prof. Dr. Vali Lalioti (University of Pretoria)<br />
betreute Promotion schloss er 2001 ab.