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10.09.1999 - 

IT in der Autoindustrie/Mit dem Digital Mock-up (DMU) in die Zukunft

BMW senkt Kosten mit Hilfe digitaler Produktionstechniken

Autohersteller wollen billig produzieren und schnell am Markt sein. BMW setzt dabei auch auf Virtual-Reality-Techniken. Antonio Gomes de Sa, Rainer Klier und Joachim Jakobs* berichten.

"Time to Market" ist ein entscheidendes Kriterium in der Automobilindustrie: Wenn sich die Markteinführung eines neuen Modells auch nur um wenige Monate verzögert, kostet das den Hersteller Hunderte von Millionen, abgesehen von dem ramponierten Image und dem - vermutlich uneinholbaren - Verlust seines Anteils in diesem Marktsegment. Das ist untragbar für eine Branche, deren Teilnehmer - so eine Analyse des weltweit tätigen Beratungsunternehmens Pricewaterhouse Coopers (PwC) - 31 Prozent ihrer weltweiten Kapazität mangels Auslastung im vergangenen Jahr ungenutzt ließ.

"Diese Überkapazität bedeutet einen riesigen Druck für eine Branche, deren Kosten und Profitabilität sehr eng an die Kapazitätsauslastung gebunden sind", so die Berater in ihrer Studie. Daher suchen die Hersteller ihr Heil nicht allein in der Auslastung ihrer Kapazität, auch bei den variablen Kosten der Produktion wird an Pfennigbeträgen gespart. Und die Pfennige summieren sich: In der Erhebung hat das Beratungsunternehmen Kostensenkungen der weltweiten Hersteller je produziertes Fahrzeug im zweistelligen Prozentbereich ermittelt. Dauerhaft können nur wenige dieses gewaltige Tempo beibehalten, und so werde die Kette von Aufkäufen und Zusammenschlüssen ê la Daimler-Chrysler - so vermuten jedenfalls die PwC-Berater - nicht eher enden, bis etwa sechs oder acht weltweit tätige Hersteller übrig bleiben.

Bei BMW hat sich die Informationstechnik - insbesondere in der Herstellung - zum zentralen Nervensystem des Unternehmens entwickelt: Im digitalen Produktionszeitalter geht es nicht mehr darum, einen Motorblock mit einem 3D-CAD-Programm zu konstruieren, sondern Ziel ist das digitale Modell - oder auch digital Mock-up (DMU) -, dessen Eigenschaften seinem physikalischen Bruder in nichts Wesentlichem nachstehen: So wird beispielsweise der Einbau des Motorblocks samt eventuellen Kollisionen unter der Motorhaube virtuell simuliert. Dazu werden Motorblock und Karosserie beispielsweise auf eine Fläche realistisch - dreidimensional und farbig - projiziert. Beide Aggregate lassen sich auf verschiedene Art und Weise beliebig drehen und wenden.

Der Konstrukteur trägt dabei eine 3D-Shutter-Brille, mit der er die simulierten Objekte auch tatsächlich dreidimensional wahrnimmt. Die Bewegungen der Brille werden dabei mit Hilfe elektromagnetischer Techniken oder videobasierend verfolgt. Dadurch "weiß" der Rechner jederzeit, aus welcher Perspektive der Betrachter die Szene beobachtet; er berechnet die Veränderungen und wirft das neue Bild auf die Projektionswand - ohne Zeitverzögerung.

Künftig wird es auch möglich sein, entsprechende Widerstände der virtuellen "Hardware" beim Einbau zu simulieren; dadurch erhält der Ingenieur einen noch realistischeren Eindruck als durch blinkende Signale, die eine Kollision anzeigen. Gedacht wird dabei an einen Datenhandschuh, der sich entsprechend der auftretenden Kraft kontrahiert. Ein wesentliches Problem ist die Sicherheit des Ingenieurs; schließlich darf er auch von virtuellen Widerständen nicht verletzt werden. IGD, BMW, Volkswagen, Daimler-Chrysler und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln arbeiten gemeinsam im Rahmen des Leitprojekts "integrierte virtuelle Produktentstehung" des Bundesforschungsministeriums an entsprechenden Geräten. Laut Projektplan sind die ersten Prototypen im Jahr 2000 verfügbar.

Die Projektionswand ist aber nicht das einzige ungewöhnliche Ausgabemedium, über das die BMW-Entwicklungsabteilung verfügt: Es werden auch Head-Mounted Displays (HMD), eine "Cave" (Cave Automatic Virtual Environment), ein Virtual Table und eine Powerwall eingesetzt.

Ein Head-Mounted Display ist ein Datenhelm, in den virtuelle Objekte aller Art eingeblendet werden können. Dazu werden auch dessen Bewegungen - wie beim Table - elektromagnetisch verfolgt, die Bilder werden erneut berechnet und in Echtzeit eingeblendet.

Mit Hilfe dieses Mediums prüft der Hersteller das Design der Einzelteile auf ihre Montagefähigkeit. Vorstellbar ist aber auch, daß ähnliche Systeme künftig in der Produktion eingesetzt werden. Für diese erweiterte Realität - oder auch Augmented Reality - wird "Reales" mit "Virtuellem" gemixt: Das bedeutet beispielsweise, daß eine reale Autotür im Hintergrund durch ein virtuelles Türschloß in der Brille überlagert wird. Mit Hilfe von Pfeilen und anderen Symbolen kann dem Monteur gezeigt werden, wie er das Schloß einbauen muß.

Ein Prototyp für ein derartiges System wurde am Darmstädter Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung (IGD) bereits entwickelt. Bis es allerdings in der täglichen Fertigung eingesetzt werden kann, muß seine Bedienung noch vereinfacht und die nötige Hardware günstiger angeboten werden. Ein Schritt in diese Richtung soll mit dem Leitprojekt "Arvika" (www.arvika.de) des Bundesforschungsministeriums gemacht werden. Ein Ziel des Projekts ist, die Hardware am Körper tragbar - wearable - zu machen, was allerdings einen Hochleistungsgrafik-Computer im Miniformat verlangt. Dadurch würde sich die Mobilität des Benutzers wesentlich erhöhen.

In einem virtuellen Raum, einer Cave, können in München bereits virtuelle Modelle von kleineren Projektgruppen besprochen und bearbeitet werden. Auf die vier Leinwände an drei Seiten und auf dem Boden dieser Höhle können Stereobilder so projiziert werden, daß der Benutzer den Eindruck erhält, er säße tatsächlich in dem Auto, dessen Markteinführung erst in einigen Monaten geplant ist. Bewegt er den Kopf, verändert sich die Projektion auf den vier Flächen. Möglich sind natürlich auch fünfseitige Caves - wie am IGD in Darmstadt, wo die Bilder auch auf die Decke geworfen werden. Allerdings erfordert eine derart luxuriöse Ausstattung Investitionen in Millionenhöhe.

Auf einer drei mal sechs Meter großen gläsernen Powerwall können selbst die längsten Karossen präsentiert werden. Dazu befindet sich hinter der Wand eine sogenannte Rückprojektion, ein komplexes Gebilde aus Projektoren und Spiegeln.

Ähnliche Hilfsmittel wie beim virtuellen Modelleinbau werden bei BMW künftig auch zur Simulation weiterer Situationen im Produktlebenszyklus eines Autos eingesetzt. Deformationen durch Unfälle beispielsweise können bis ins Detail visualisiert werden. Mit der Verabschiedung der Altautoverordnung durch die Europäische Union vor einigen Wochen erweist sich die frühzeitige Entscheidung der Industrie als richtig, die Neufahrzeuge mit Hilfe des digitalen Mock-up möglichst demontage- und recyclinggerecht zu konstruieren.

Diese sogenannte "Absicherung" der Konstruktion muß aber nicht nur innerhalb der BMW-eigenen Fertigung durchgeführt werden, sondern auch zwischen Hersteller und Zulieferer.

Diese haben angesichts der erheblich gesunkenen Fertigungstiefe in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen und müssen deshalb auch für die Absicherung ihrer Komponenten Sorge tragen.

Die Frage, inwieweit sich diese Verlagerung der Verantwortung auf die Produktivität des Fahrzeugherstellers auswirkt, läßt sich nur mit Blick auf jeden einzelnen Zulieferer beantworten. Generell kann man sagen: Je penibler der Zulieferer bisher schon gearbeitet hat, desto geringer ist die Auswirkung auf BMW.

So wird derzeit die Vision des Extended DMU verwirklicht. Sie umfaßt das gesamte Autoleben, von der Entwicklung der ersten Schraube bis zum kompletten Auto, dem Marketing, dem Vertrieb und der Wiederverwertung einzelner Elemente im Folgemodell.

Künftige Datenautobahnen werden dabei wesentliche Unterstützung leisten, denn sie ermöglichen es, solche Vorgänge unabhängig von Raum und Zeit darzustellen: So werden die Ingenieure in England, South-Carolina und Südafrika nicht mehr zwingend nach München reisen müssen, um mit ihrem dortigen Kollegen die Spezifika der neuen Modellreihe zu diskutieren. Es wird reichen, in jedem Werk entsprechende Kommunikationsmittel, wie zum Beispiel den virtuellen Tisch, einzurichten, diese Tische per Datenleitung miteinander zu koppeln und die 3D-Präsentation wird live in die Schwesterwerke übertragen.

Auch wenn es sich beispielsweise bei den genannten telekommunikativen Möglichkeiten noch um Zukunftsvisionen handelt, sind die Auswirkungen grafisch-interaktiver Werkzeuge auf betriebswirtschaftliche Kennzahlen nicht zu übersehen: In einigen Bereichen wurden bis zu 50 Prozent an Einsparungen festgestellt.

In den Bereichen DMU, Vir- tual/Augmented Reality und "Kooperatives Arbeiten" quer über Kontinente hinweg, kooperiert BMW mit verschiedenen Abteilungen des IGD und des Zentrums für Graphische Datenverarbeitung e.V. (ZGDV). Die beiden Forschungsinstitute gehören zum INI-Graphicsnet (Darmstadt), einem weltweiten Verbund von Einrichtungen der grafischen Datenverarbeitung mit 300 festen Mitarbeitern, 460 wissenschaftlichen Hilfskräften und einem Gesamtbudget von etwa 70 Millionen Mark. Da das INI-Graphicsnet eine reine Forschungseinrichtung und kein gewerbliches Unternehmen ist, konnte in den Bereichen Dokumentation, Benutzerunterstützung und Vor-Ort-Service keine optimale Unterstützung geleistet werden - auch wenn dies noch so wichtig für einen Industriebetrieb ist. Mit Hilfe der Vrcom GmbH, einer Ausgründung aus dem IGD zur Vermarktung der VR-Standardsoftware "Virtual Design 2", soll sich das künftig ändern.

Virtuelle Realität für die Lackierstraße

Neben der Verbesserung im Entwicklungsprozeß wird auch in anderen Bereichen nach Möglichkeiten zur Steigerung der Produktion geforscht. Dazu gehören die Abläufe in der Produktion und das Fabriklayout.

Zur Zeit richtet der Konzern seine Lackierstraßen mit Hilfe von virtueller Realität ein. Die Ziele dabei: Die Straße soll so breit sein, daß die Produktion reibungslos verläuft - aber eben auch nicht breiter. So viele Roboter sollen auf den Straßen eingesetzt werden, wie nötig sind, um die Karosserie in der gewünschten Qualität zu lackieren - aber eben auch nicht mehr. Genauso werden nicht nur die Arbeitsplätze, sondern auch die Arbeitsabläufe eines Tages komplett digital visualisiert sein: vom Bauteil über die Baugruppe bis zum Komplettsystem des Lieferanten, das dann beim Hersteller eingebaut wird.

Wann die Arbeitsvorbereitung komplett mit ihren Arbeitskarten, -plänen, Stücklisten und Unterlagen Realität sein wird, hängt von dem Zeitpunkt ab, zu dem finanzierbare Rechner mit ihrem Hauptspeicher in den Gigabyte-Bereich vorstoßen und die Übertragungskapazität öffentlicher Netze Entsprechendes zu leisten vermag - ist also noch offen.

ANGEKLICKT

Zahlreiche Virtual-Reality-Techniken sind bei BMW bereits Wirklichkeit. So wird zum Beispiel der Einbau eines Motorblocks zunächst einmal virtuell simuliert, um eventuelle Kollisionen unter den realen Bedingungen unter der Motorhaube zu vermeiden; Datenhandschuhe sollen überdies für die Sicherheit der Ingenieure sorgen. Prototypen sind für das Jahr 2000 geplant. Auch der Head-Mounted-Display soll bei der Montage beispielsweise von Türschlössern eine Rolle spielen. Unfallsimulationen nehmen Einfluß auf den Bau von Neufahrzeugen, und das "Kooperative Arbeiten" quer über die Kontinente hinweg bedient sich eines virtuellen Tisches für die Darstellung von 3D-Präsentationen. Auch die Lackierstraßen werden bereits mit Hilfe von virtueller Realität eingerichtet.

*Antonino Gomes de Sa arbeitet bei BMW in der Abteilung "CA-Integrationsmethoden", Rainer Klier in der Abteilung CA-Methodenentwicklung, und Joachim Jakobs ist Mitarbeiter des INI-Graphicsnet in Darmstadt.