Softwarewerkzeuge für den phasen- und domänenübergreifenden Entwurf

Im heutigen Produktentwicklungsprozess wird eine Vielzahl von Methoden und Werkzeugen für Entwurf und Simulation eingesetzt. Die vorliegende Arbeit entwickelt ein Konzept zur Integration dieser isolierten Werkzeuge in ein System für die phasen- und domänenübergreifende Modellierung und Simulation technischer Systeme. Im ersten Schritt wird die Integration verschiedener Entwurfsphasen betrachtet und im Detail ausgearbeitet am Beispiel eines Entwurfswerkzeugs, das eine Software zum Entwurf von Bewegungssystemen auf der Prinzipebene mit einem parametrischen 3D-CAD-System verbindet. In einem zweiten Schritt wird der Integrationsgedanke auf den domänenübergreifenden Entwurf erweitert. Vorgestellt wird ein Entwurfswerkzeug für heterogene Systeme, das die gewohnte domänenspezifische Darstellung der Teilsysteme (Mechanik, Optik, Regelungstechnik) beibehält. Begleitet wird die Arbeit von einer softwaretechnischen Umsetzung, die die Leistungsfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Ansätze nachweist.This thesis proposes two major improvements of software tools for the early phases of product design. The first one concerns phase-spanning design of motion systems based on bi-directional interconnections of product features modelled on different levels of abstraction. In addition, this approach also led to a method for manipulating CAD models directly in VR environments. Addressing the second issue, the thesis develops a concept for a software tool that allows cross-domain modeling and simulation of heterogeneous systems. Designed as an extensible platform, it provides means of incorporating arbitrary domains and related simulation methods. In contrast to previously existing software tools for cross-domain modeling it allows the user to access the product model using domain-specific concepts and visual representations. Software implementations of both concepts as well as different application examples prove the feasibility and power of the approaches. In addition, the thesis shares a broad range of experiences in devising and implementing such software tools.Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Softwareunterstützung in frühen Phasen der Produktentwicklung. Dazu wurden insbesondere zwei Problemfelder identifiziert und bearbeitet. Dabei handelt es sich zum einen um die Realisierung eines phasenübergreifenden Entwurfskonzepts für Bewegungssysteme auf der Basis einer bidirektionalen Verknüpfung von Produktmerkmalen in Modellen unterschiedlicher Abstraktionsniveaus. Ausgehend von dieser Lösung wurde außerdem ein Verfahren entwickelt, das die Manipulation von CAD-Modellen in VR-Umgebungen erlaubt. Zum anderen wurde ein Softwarewerkzeug konzipiert, das eine domänenübergreifende Modellierung und Simulation heterogener Systeme erlaubt. Als Plattform ist es dank der komponentenbasierten Softwarearchitektur um beliebige Domänen und zugehörige Berechnungsverfahren erweiterbar. Im Unterschied zu existierenden domänenübergreifenden Werkzeugen bietet es einen nutzerzentrierten Zugang zum Produktmodell, der domänenspezifische Darstellungen und Begriffe berücksichtigt. Die Entwicklung beider Konzepte ging mit einer softwaretechnischen Umsetzung einher, die deren Realisierbarkeit belegt und eine Demonstration ihrer Arbeitsweise anhand verschiedener Anwendungsbeispiele ermöglicht. Mit dieser Arbeit wird ein umfangreiches Spektrum an Erfahrungen bei der Konzeption und Implementierung solcher Softwarewerkzeuge präsentiert und weitergegeben

Einflussfaktoren einer Recyclinggerechten Konstruktion auf die Liniear- und Kreislaufwirtschaft

Die recyclinggerechte Konstruktion ist kein neuer Ansatz dennoch nimmt die Bedeutung stets zu. Die Anforderungen an diese Konstruktionssystematik ändern sich allerdings fortwährend. Die Einflüsse sind vielschichtig und vielseitig. Die wesentlichen Einflüsse aus Technik, Wirtschaft und Recycling werden in diesem Artikel dargestellt, anschließend wird das methodische Vorgehen präsentierte um diese Einflüsse für die Recyclinggerechte Konstruktion aufzubereiten.Design for a Circular Economy is not a new approach but the relevance is rising in a steady pace. The requirements for this design approach are constantly changing. Those influences are complex and versatile. The article shows the main influences from the technical, economic and recycling view, followed by the methodical procedure to generate sufficient information to aid the Design for Circular Economy

Virtual Reality und Augmented Reality als Werkzeug in der Aufstellplanung

Aus Einleitung und Motivation "Die gegenwärtigen Entwicklungen von Head-Mounted Displays (HMD, hier synonym auch als Brille bezeichnet) für Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) schaffen ein nie da gewesenes Potential dieser Technologien als Werkzeuge in der Produktentwicklung. Wenngleich VR- und ARAnwendungen keineswegs neu in der Industrie sind, bringt der Fortschritt der Verbraucher-HMDs völlig neue Möglichkeiten. Immersive VR-Systeme bedeuten künftig keine hunderttausend Euro Anschaffung mehr – AR-Brillen dienen zukünftig nicht nur der Erweiterung der Realität mit zweidimensionalen Informationen. Cave Automatic Virtual Environments (CAVE), 360-Grad-Projektoren und interaktive Planungstische sind in der Fabrikplanung teilweise etabliert (Runde et al. 2015). Im Unterschied zu diesen Techniken können HMDs jedoch eine deutlich höhere Immersion ermöglichen, was auch für die Interaktion mit der virtuellen Umgebung von Vorteil sein kann. Das Gefühl der Immersion ist wichtig, um in bestimmten Entwicklungsphasen entsprechende Kriterien besser beurteilen zu können. Primär ist der VR-Einsatz für Bewertungsmerkmale sinnvoll, welche nur qualitativ und nicht quantitativ bewertbar sind (Pawellek 2014). Des Weiteren spielt auch die Eingabetechnologie eine essenzielle Rolle. Um mit virtuellen Elementen interagieren zu können, sollte das Eingabegerät echtzeitfähig und intuitiv sein. ...

CAD-FEM-Kopplung auf der Grundlage etablierter Datenschnittstellen

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Individuelle dreidimensionale Simulation von Weichteilveränderungen im Gesichtsbereich

In dieser Studie wurde eine individuelle faziale Weichteilprognose mit der Finiten-Elemente-Methode getestet und deren Validität und Prognosegenauigkeit geprüft. Zum Vergleich wurden die Messwerte mit einem zweidimensionalen Verfahren, dem Dentofacial Planner Plus Version 2.01, verglichen. Für die Erstellung der Weichteilprognose stellten sich 12 erwachsene Probanden zur Verfügung, bei denen eine kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgische Behandlung durchgeführt wurde. Zur präoperativen Prognose der Weichteilveränderungen wurde ein Profilfoto mit einer digitalen Kamera der Firma Canon, EOS 10D, und ein Fernröntgenseitenbild für die Weichteilprognose des zweidimensionalen Verfahrens hergestellt. Nach Eingabe der kephalometrischen Messpunkte in das interaktive Softwaretool des Dentofacial Planners konnte die Operation simuliert werden. Dazu wurden die Werte der Modelloperation hinzugezogen. Nach Verschiebung der Maxilla und Mandibula in sagittaler und vertikaler Richtung errechnete die Software die Weichteilprognose, die als Profillinie zweidimensional visualisiert wurde. Für die digitale Gesichtserfassung der Probanden wurden mittels 3-D Laserscanner die fazialen Weichteile für das dreidimensionale Verfahren erfasst. Die akquirierten Punktwolken konnten vereinigt und über spezielle Algorithmen in ein CAD-Modell verarbeitet werden. Über diese CAD-Schnittstelle war es möglich ein Finite-Elemente-Modell zu generieren. Die Simulation zur fazialen Weichteilprognose erfolgte mit der Software Design Space (Ansys Inc.). Im Unterschied zum zweidimensionalen Verfahren besteht beim Finite-Elemente-Verfahren die Möglichkeit einer falschfarbenkodierten Visualisierung der regionalen Weichteilveränderungen im dreidimensionalen Raum. Es kann neben der Prognose der Profillinie auch eine ästhetisch wichtige Beurteilung der Wangen, der Nasenflügel und Nasiolabialfalten getroffen werden. Bei vergleichenden Messungen zwischen den beiden Prognoseverfahren zeigen sich bezüglich der Validität und der Prognosegenauigkeit eindeutige Unterschiede. Der durchschnittliche Gesamtfehler des Dentofacial Planners ist fast doppelt so hoch, im Vergleich zum Fehler des Finite-Elemente-Verfahrens. Es konnten regionale Unterschiede festgestellt werden. Im Mittelgesicht ist die Prognose der beiden Verfahren als gut einzustufen, währenddessen die Prognose des unteren Gesichtsdrittels mit dem Dentofacial Planner hohe Abweichungen zum postoperativen Gesichtsprofil aufweist. Diese Ergebnisse wurden von Fischer (2002) in einer Dissertation bestätigt. Die Prognosegenauigkeit des Finite-Elemente-Verfahrens ist im unteren Gesichtsdrittel höher. Jedoch wurde am Messpunkt Weichteilmenton Abweichungen in vertikaler Richtung mit Messwerten von über 1,5 mm aufgezeigt. Eine mögliche Erklärung dafür ist die geringe Simulation der Autorotation des Unterkiefers bei der Bearbeitung des Finite-Elemente-Modells. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass trotz der besseren Beurteilung der individuellen, fazialen Weichteilverhältnisse in allen drei Dimensionen des Raumes im Vergleich zum zweidimensionalen Verfahren keine absolut perfekte Weichteilprognose getroffen werden kann. Um dieses Verfahren der Finiten-Elemente-Methode zu verfeinern sollten bei der Herstellung des Finite-Elemente-Modells die Weichgewebsschichten und die Autorotation des Unterkiefers berücksichtigt werden