Erklärung

Virtual Prototyping, auch digital Prototyping, ist ein Konzept des Produktentwicklungsprozesses. Es wird ein 3D-Computermodell des zu entwickelnden Produkts aufgebaut und wie ein realer Prototyp analysiert. Zur Konstruktion, Visualisierung und Validierung eines Designs vor der Erstellung eines physischen Prototyps werden Computer-Aided Design- (CAD), Computer-Automatisiertes Design- (CAutoD) und Computer-Aided Engineering- (CAE) Software verwendet. 

Der Produktentwurfs- und Entwicklungsprozess beruht bei der Erstellung eines ersten Konzeptentwurfs sehr stark auf Erfahrung und Einschätzungen der zuständigen Ingenieure. Darum wurden meist ein oder mehrere physikalische Prototypen gebaut, die auf Leistung, Handling, Baustruktur, Funktionalität und Montagefähigkeit getestet wurden. Das dauerte mitunter lange - Prototypen wurden häufig umkonstruiert und umgebaut, um Schwächen und Probleme zu beheben, die bei Tests aufgedeckt wurden.

Heute sind Hersteller gezwungen, die Time-to-Market zu minimieren, wobei Produkte keinerlei Mängel bezüglich Leistung und Zuverlässigkeit aufweisen dürfen. 
Aus Zeitdruck werden viele Produkte daher nur noch auf Basis virtueller Prototypen entwickelt. Wenn zusätzlich noch physikalische Prototypen gebaut werden, dann nach Überprüfung der virtuellen Prototypen und zur abschließenden Validierung dieser. 
Dadurch erreichen Hersteller, die Simulationen frühzeitig im Entwurfsprozess implementiert haben, eine fast 90%ige Steigerungen in der Umsetzung von Kosten-, Markteinführungs- und Qualitätszielen.

Ziel

Durch Bau und Analyse eines virtuellen Prototyps erkennt man schon früh und ohne den aufwendigen Bau eines physikalischen Prototyps, ohne komplexe und teuere Messmethoden und ohne eine langwierige Trial-and-Error-Phase Fehler, Schwächen und Mängel. Zudem können gestalterische Varianten des Produkts untersucht und bewertet werden. 
Dadurch kommt es zu Zeit- und Kostenersparnissen. 

Digitale Prototypen erleichtern und ermöglichen zudem eine interdisziplinäre Entwicklung. Dadurch können international agierende Unternehmen besser kommunizieren und ganzheitlicher entwickeln. Sie sind ein unerlässliches Werkzeug der Industrie 4.0, erfordern aber ein gutes Produktdatenmanagement.

Vorgehen

Mithilfe von Software werden animierte Modelle von Produkten gebaut. Diesen werden je nach Zweck bestimmte Parameter zugewiesen. 

  • Farbigeiten und Materialien dienen der gestaltmäßigen Evaluierung und Validierung.
  • Für technische Tests müssen Materialien und Fertigungsverfahren angegeben werden um diese auf phyiskalische Gegebenheiten, Machbarkeiten und Stabilität zu testen. Simuliert werden können z.B. Produkte in dynamischen Systemen unter Berücksichtigung von Massen, Trägheit, Reibung, Steifigkeit etc. Dadurch kann man neben Bewegungssimulationen und Lastberechnungen auch Untersuchungen zum Schwingungsverhalten, zur Geräuschabstrahlung, zum Schallpegel und zur Struktur- und Ermüdungsfestigkeit durchführen. Auch Einbau- und Montagesimulationen werden analysiert.

Da das Verfahren des Digital Prototypings heutzutage Standard in der Entwicklung ist, wird es in sämtlichen Bereichen eingesetzt. Beispielsweise zur Simulation von Motorenteilen, Roboterstraßen, Tragflächen von Flugzeugen, Wasserkraftwerken, Leiterplatten, optischen Linsen oder Sportschuhen, Automobilen und vielen weiteren langlebigen Investitions- und Konsumgütern.

Tipp

Virtual Prototyping ist der Versuch, mit mathematischen Modellen die Wirklichkeit zu simulieren. Dazu braucht es eine Menge an Fachwissen, gibt der Mensch falsche Daten in den Rechner, kommt der Rechner zu anderen Ergebnissen als die Natur.

Fast jedes CAD-Programm hat implementierte Analyseprogramme, die die Konstruktion vereinfachen, oder Formstabilität, Wärmeleitung und andere Eigenschaften testen können. 

Quellen

Wikipedia

Heinz_Nixdorf_Institut_Universitaet_Paderborn
Innovation in Product Design / From CAD to Virtual Prototyping / 2011, 
Herausgegeben von Bordegoni, Monica; Rizzi, Caterina, Verlag: Springer Berlin
Virtual Prototyping for Conceptual Design of Tracked Mobile Robots
 Sadath Malik, Andrew Goldenberg

Beispiele