Innovation trifft Virtuelle Realität: Das Potential der VR-Technologie zur Optimierung von Produktentwicklungsprozessen durch die Integration von Virtuellen Prototypen

Textprobe:
Kapitel 1, Einleitung:
'V [irtual] R [eality] is now really real' (Brooks Jr, 1999, S. 16).
Virtual Reality (d. Virtuelle Realität) entstand als ein Teilbereich der Mensch-Maschine-Kommunikation und deren Anwendungen in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts. Doch erst durch die rasante Entwicklung der Computertechnologie in den vergangenen Jahrzehnten, ist die Vision der Virtuellen Realität (VR) jetzt erlebbare Wirklichkeit (McLellan, 1996). Der Wissenschaftler und MIT1-Absolvent Ivan E. Sutherland stellte bereits 1965 in 'The Ultimate Display' seine Vision eines VR-Systems dar. Er beschrieb den Computerbildschirm als ein Fenster, durch das die virtuelle Welt erblickt wird. Besondere Herausforderung der Computergra?k ist es diese virtuelle Welt real aussehen, klingen und in Echtzeit handeln zu lassen. Dabei sollen so viele Sinne wie möglich angesprochen werden (Sutherland, 1965). Sutherland sagte voraus, dass die Computerwissenschaft früher oder später im Stande sein wird durch virtuelle Erfahrungen die Sinne zu überzeugen. Mit der Er?ndung des Head Mounted Displays, einer Datenbrille zur Visualisierung dreidimensionaler Umgebungen, brachte Sutherland die VR-Entwicklung entscheidend voran (McLellan, 1996). So bezeichnet Virtual Reality eine Technologie, die versucht, dem Benutzer eine vollständige Immersion in einer interaktiven computergenerierten Umwelt zu bieten (Steurer, 1996). Dabei beschreibt das Konzept der Immersion das Eintauchen in die virtuelle Realität. Wie stark ein Individuum in die dargestellten Inhalte eines digitalen Mediums eintaucht, hängt davon ab wie viele Sinne durch das Medium stimuliert werden und wie realistisch diese Eindrücke sind (Butz, Malaka & Hußmann, 2009). Der Filmtheoretiker Bela Balazs beschrieb 1938 in einem Text Immersion als das Eintauchen in eine künstliche Welt durch Au?ösung der räumlichen Grenzen (Balazs, 1938). Balazs prägte diese Bezeichnung aus Sicht der damaligen Medienerlebnisse Film, Theater und Oper (Stapelkamp, 2010). In Bezug auf das Medium digitaler Film fördern beispielsweise eine hochwertige Bild- und Tonqualität das Immersionserleben. Dennoch bleibt der Rezipient als Betrachter des Films passiv, er kann sich nicht bewegen beziehungsweise mit dem digitalen Inhalt interagieren. In der Virtuellen Realität will man diese Grenzen durchbrechen und es den Nutzern ermöglichen sich frei in einer Szene zu bewegen (Butz et al., 2009). Immersion ist eng verknüpft mit dem Begriff Präsenz (engl. Presence). Nach Slater & Wilbur (1997) bezeichnet Presence das psychische, subjektive Erleben, sich innerhalb der virtuellen Umgebung zu be?nden ('being there'). Immersion beschreibt die mediale Qualität des technischen Systems, die von außen auf den Nutzer einwirkt und durch die Sinnesorgane wahrgenommen wird. Das Präsenzerleben setzt demnach die technische Realisierung von Immersion als notwendig voraus (Slater & Wilbur, 1997).
1.1, Motivation:
Neueste Entwicklungen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien zeigen ein immer stärkeres Zusammenwachsen der realen Welt mit virtuellen Umgebungen. War dies in jüngster Vergangenheit wenigen Forschern vorbehalten, so bringen mittlerweile Entwicklungen wie das Google Glass2 oder das Oculus Rift3 virtuelle Umgebungen und Immersionserleben in unseren Alltag. Der zunehmende globale Wettbewerb bringt viele Unternehmen bei der Entwicklung neuer Produkte an Ihre Grenzen. Zudem wird es für Unternehmen zunehmend schwieriger die Kundennachfragen zu erfüllen und konkurrenzfähig zu bleiben. Der Zeit- und Kostendruck in der Produktentwicklung zwingt die Unternehmen dazu sich neuen, aufstrebenden Technologien zuzuwenden (Sturm, 2009).
An dieser Stelle verfügt die VR-Technologie über enormes Potential zur problemlösenden, kostensparenden, innovativen und erfolgreichen Anwendung in verschiedensten Bereichen der Produktionstechnik (Mujber, Szecsi & Hashmi, 2004). VR erobert neben Anwendungsgebieten wie der Wissenschaft, Medizin, Psychologie, Architektur und dem Bildungswesen verstärkt den Bereich der Produktentwicklung und -fertigung im Rahmen des Virtual Prototyping. Dabei werden Aussehen und Eigenschaften eines physikalischen Modells durch Computer virtuell simuliert. In dessen Kontext werden virtuelle Prototypen bereits seit Jahren eingesetzt und ergänzen darüber hinaus die klassische Vorgehensweise des Baus von physikalischen Modellen nicht nur, sondern erweitern die Produkttentwicklung als digitale Entwicklungs- und Evaluierungswerkzeuge in gewinnbringendem, stetig wachsenden Umfang (Sturm, 2009). Thomas Reiber, Geschäftsführer von IC.IDO3, Pionier und global führender Anbieter von Virtual Reality und Virtual Engineering Lösungen, erklärt und verdeutlicht, dass die VR-Technik durch neue, speziell auf die Bedürfnisse der Industrie angepasste Funktionen nun vor einer breiten industriellen Anwendung steht. In Folge der rasanten Entwicklung der VR-Technologie, erkennen nun immer mehr Unternehmen das Potential des VR-Einsatzes und die damit verbundenen Wettbewerbsvorteile (Daemisch, o. J.). Zur visuellen Darstellung virtueller Szenen kommen VR-Systeme in Form von dreidimensionalen Modellen im Desktop-Bereich bis hin zu voll immersiven Projektionssystemen zum Einsatz. Mittels Head Mounted Displays (HMD) oder Caves, Installationen, die mit Projektionen um den Nutzer herum eine virtuelle Szene aufbauen, kann das Eintauchen in virtuelle Realtäten ermöglicht werden (Brooks Jr, 1999).
In vielen Industriebranchen ist die Technologie der computervermittelten Realität wichtiger Bestandteil des Entwicklungs- und Produktionsprozesses geworden. Auf diese Weise ist es möglich, trotz der heutigen Anforderungen einer individualisierten aber auch ?exibilisierten Großserienproduktion, Beschäftigte, Kunden sowie Geschäftspartner in den Entwicklungsprozess miteinzubeziehen und deren Input gewinnbringend zu nutzen (Mujber et al., 2004). Prototypen können in den verschiedenen Stadien des Produktionsprozesses virtuell exploriert, erkundet und getestet werden. Geringere Erstellungskosten der virtuellen gegenüber den physikalischen Prototypen und ein enormer Informationsgewinn in frühen Stadien der Entwicklung eines Produktes sind nur zwei der Vorteile des Einsatzes computervermittelter Realität.
Das Potential der VR-Technologie ist unübersehbar. Dennoch gibt es Bereiche, in denen VR- Umgebungen noch unbekanntes Terrain darstellen. Im Yacht- und Schiffbau kommen neben physikalischen Prototypen viele digitale Entwicklungs- und Designanwendungen zum Einsatz, allerdings sind Technologien der Virtual Reality bislang noch ungenutzt. Gerade hier bietet die VR-Technik zahlreiche Möglichkeiten den Produktionsprozess positiv zu verändern und letzten Endes für Kunden und das Unternehmen neue Wege zu eröffnen. Virtuelle Prototypen, die mit realen Bewegungen und realistischen Sinneseindrücken exploriert werden können, steigern Möglichkeiten der Entwicklung und der Evaluation. Die Erstellung eines 3D-Modells ist nicht nur überwiegend kostengünstiger, sondern überzeugt durch die Eigenschaft schnell an aufkommende Anforderungen angepasst werden zu können, was bei physikalischen Modellen mit enorm höheren Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist (Mujber et al., 2004). Vor allem im Yacht- und Schiffbau beziehen sich wichtige Designentscheidungen auf die Wahrnehmung von Raum, Größe und Bewegung. Hier bietet Virtual Reality zukunftsorientierte Anwendungsmöglichkeiten, wobei integrierte, ?exible und rekon?gurierbare Ansätze für die Produktentwicklung entstehen. Neben der Visualisierung des Modells, das für Designentscheidungen grundlegend und notwendig ist, ergeben sich durch Navigation und Interaktion mit dem 3D-Modell neue Perspektiven, die für die Produktentwicklung bedeutend sind. Beispielsweise kann der Nutzer (engl. User) Inventar verschiedenartig anordnen und verändern. Auch in Bezug auf Kosten und Aufwand, die mit dem Bau und der Nutzung physikalischer Prototypen verbunden sind, ergeben sich mit der Verwendung virtueller Entwicklungen kostensparende Vorteile. So kann bereits vor der Anfertigung eines physikalischen Prototypen am virtuellen Modell ausgiebig evaluiert und angepasst werden (Mujber et al., 2004). Ohne Einschränkung können beispielsweise verschiedene Designentscheidungen umgesetzt werden ohne aufgrund ?nanzieller Einschränkung frühzeitig eine spezielle Richtung einschlagen zu müssen. Komplexe Designkomponenten können ?exibler organisiert und integriert werden. Das somit erhöhte Maß an Kreativität, Entwicklungsfreiheit und erweiterten Testmöglichkeiten ist ein bedeutender Bestandteil des innovativen Fortschritts.
Dieses Buch beschreibt ein Projekt, welches das Potential der VR-Technologie für den Yacht- und Schiffbau aufzeigt. Mittels spezieller Software wird eine virtuelle Welt entwickelt, innerhalb dieser der Nutzer ein dreidimensionales Modell einer Yacht interaktiv begehen kann. Ziel ist es den User in diese virtuelle Realität vollständig eintauchen zu lassen. Durch reale Bewegungen wie Gehen kann er sich auf der Yacht frei bewegen und sie erkunden. Von der virtuellen Umgebung ausgehende äußere Sinneseindrücke sollen dem User das Gefühl vermitteln sich auf dieser Yacht, die wiederum mit der virtuellen Wasser- und Inselumgebung interagiert und so den Grad der Immersion erhöht, zu be?nden. Dynamisches, durch Tastendruck veränderbares Wetter sowie darauf angepasste Audiosequenzen wirken zusätzlich auf das Realitätsemp?nden. Die menschlichen Sinnessysteme sollen so natürlich wie möglich angesprochen werden. Ohne physikalische Grenzen oder Gefahren kann die virtuelle Welt interaktiv erforscht werden. Als Produktentwickler oder auch als Kunde generiert der User durch diese virtuelle Erfahrung wichtige Informationen, die in zukünftige Schritte der Entwicklung integriert und effizient verarbeitet werden können. Einerseits wird so die Übertragbarkeit von Änderungsvorschlägen von Endkunden verbessert, andererseits werden die Phasen der Produktentwicklung durch die Integration kon?gurierbarer, anpassungsfähiger virtueller Prototypen in eventueller Kombination mit der Verwendung physikalischer Prototypen optimiert.