Digitale Entwurfsmethoden Fahrzeugentwicklung: Mit dem Digital Twin effizient beschleunigen

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Die Automobilindustrie befindet sich mitten in einer Transformation. Beispielsweise müssen die Automotive-OEMs ihre Fahrzeugarchitekturen an die veränderten Systeme des elektrischen Antriebsstrangs anpassen, was zu einem neuen Grad an Komplexität führt. Um dies bewerkstelligen zu können, entwickelt die Mercedes-Benz AG Prozesse, Methoden und Modelle, um in der frühen Phase der Produktentstehung und Fahrzeugentwicklung digitale Repräsentanten und Absicherungsprozesse zu erschaffen.

Fahrzeugarchitekturen und ihr Entstehungsprozess haben sich in mehr als 100 Jahren Automobilbau evolutionär entwickelt und an die Anforderungen der verbrennungs­motorischen Antriebstechnik angepasst. Die Automobilindustrie befindet sich derzeit in einer turbulenten Phase der Transformation, in der Fahrzeugarchitekturen an die veränderten Systeme des elektri­schen Antriebsstrangs und einen neuen Grad an Komplexität angepasst werden müssen. Die Megatrends der Automatisierung der Fahrfunktionen, der Digitalisierung, der Elektrifizierung des Antriebs und der Vernetzung des Fahrzeugs mit seiner Umwelt führen zu revolutionären Veränderungen im Produkt Fahrzeug und verändern den Fahrzeug­entwicklungsprozess radikal [1].

Die Transformation der Automobilindustrie stellt etablierte Standardkonzepte und Lösungen in Frage. Vor dem Hintergrund kürzerer Entwicklungszyklen durch neue Wettbewerber müssen Antworten auf diese Fragestellungen in kurzer Zeit entwickelt und abgestimmt werden. Die Digitalisierung der Arbeitswelt ermöglicht den Einsatz neuer Methoden wie Virtual Reality (VR) und kollaborative Arbeitsprozesse in der Gesamtfahrzeugkonstruktion. Unter dem Begriff digitale virtuelle Produktentwicklung eröffnen sich neue Chancen und Möglichkeiten [1, 2].

Herausforderung und Problemstellung bei der Fahrzeugentwicklung

Die Forschungs- und Entwicklungsbereiche der Mercedes-Benz AG widmen sich diesen Frage­stellungen und entwickeln Prozesse, Methoden und Modelle, um in der frühen Phase der Produktentstehung digitale Repräsentanten und Absicherungsprozesse zu erschaffen. In der Fahrzeugkonzeptionsphase entstehen dadurch gleichzeitig mehr Modelle mit höherem Detaillierungsgrad, was die Effizienz in der Entwicklung steigert. Im Austausch mit der Serienentwicklung ergänzen oder ersetzen diese neuen voll-digitalen Ansätze bestehende Prozesse in der Fahrzeugentwicklung.

In der Fahrzeugkonzeption werden heute Anforderungen [3] aus unterschiedlichen Entwicklungsbereichen (siehe Abbildung 1) in technische Konzeptstudien überführt und erste maßliche Setzungen in geome­trische Modelldarstellungen übernommen. Geometrische 3D-LowPoly-Flächenmodelle verbinden die Fahrzeugkonzeptentwicklung und die Fahrzeuggestaltung. Bereits in der frühen Entwurfsphase des Fahrzeugkonzeptes stellt eine kooperative Entwicklung mit Fachbereichen, unter anderem Antrieb und Fahrwerk, Aerodynamik, Design/Styling und Rohbau, sicher, dass mögliche Zielkonflikte frühzeitig zum Ausgleich gebracht werden. Durch die digitale Abbildung der Anforderungen der Fachbereiche mittels parametrischer 3D-Flächenmodelle sollen funktionale Produkteigenschaften künftig gegenüber Bauraumanforderungen der technischen Aggregate und Komponenten sowie der Positionierung der Passagiere geprüft werden.

Der Einsatz von 3D-Flächenmodellen als Teil eines digitalen ­Repräsentanten hilft dabei, die hohe Veränderungsdynamik zu bewältigen. Hierbei werden die konzeptbestimmenden Fahrzeugmaße als Parameter in das Flächenmodell integriert, um parametrische 3D-Maßkonzepte zu erstellen. Abbildung 2 zeigt dies am Beispiel einer Konzeptstudie [4]. Diese Modelle dienen als Eingangsgrößen für technische Berechnungsmodelle, um funktionale oder geometrische Eigenschaften des Fahrzeugkonzepts zu ermitteln. So lassen sich beispielsweise Kennzahlen für den Raumkomfort oder die Ergonomie ableiten. Im Laufe des Entwurfsprozesses steigt der Detaillierungsgrad der Modelle. Aus der Kombination des digitalen Repräsentanten mit Hardware-Prototypen entsteht ein früher digitaler Zwilling [5], der die Auswirkungen von Konzeptentscheidungen über die Konzeptphase abbildet und immersiv erlebbar macht.

Maßkonzept, Package und Design

In der frühen Entwurfsphase von Fahrzeugkonzepten verwenden Gesamtfahrzeugingenieure Silhouetten und grobe Abmessungen, um Fahrzeugkonzeptideen zu beschreiben. Designer nähern sich neuen Konzepten in der Regel über Skizzen des Exterieurs und Interieurs an, um sie dann in 3D-Flächenmodelle zu überführen. Auf Basis erster maßlicher Vorüberlegungen soll zukünftig ein 3D-Maßkonzept entwickelt werden, das 3D-LowPoly-Flächen­modelle mit Maßkonzept-Parametern verbindet. Hauptabmessungen von Vorgängerfahrzeugen und Wettbewerbern dienen dabei als Ausgangspunkt. Das 3D-Maßkonzept wird die Basis für ein erstes Exterieur-Flächenmodell bilden. Dieses lässt sich durch ein generisches Interieur-Modell ergänzen, welches eine Instrumententafel, Sitze und Rückbank sowie eine Mittelkonsole umfasst. Auch die Gestaltung von Innen nach Außen wird dabei berücksichtigt. Das 3D-Fahrzeugkonzeptmodell bietet einen realistischen ersten Eindruck und wird im Laufe des Entwicklungsfortschritts weiter ausdetailliert [6].

Parametrische Modelle haben den Vorteil, dass konzeptbestimmende Hauptabmessungen im Laufe der Konzeptentwicklung in Abstimmungsrunden gemeinsam mit den beteiligten Fachbereichen diskutiert werden können. Das parametrische 3D-Modell passt sich nach der Änderung eines Konzeptmaßes automatisch an, was aufwändige manuelle Modellierungsarbeiten bei kleineren maßlichen Konzeptanpassungen in der Regel überflüssig macht.

Fahrzeugentwicklung: Ergonomie, Aerodynamik und Räder/Reifen

Sobald ein erster grober Fahrzeugkonzeptentwurf erstellt ist, lassen sich erste Untersuchungen und Studien mit den 3D-Flächenmodellen durchführen. In dieser Phase sind ergonomische Anforderungen für das Interieur von großer Bedeutung, die durch die Kopplung des ­3D-Modells mit XR-Technologien beurteilt werden können. Dabei wird die VR-Darstellung mit einem Sitzbock schrittweise durch die Nutzung von XR-Methoden zu einem vollständigen Interieur-­Demonstrator mit prototypischen Hardwaremodellen überführt. Im Exterieur lassen sich erste Beurteilungen und simulativ-rechnerische Bewertungen der Fahrzeugaerodynamik durchführen, um die Stirnfläche und den cW-Wert frühzeitig zu berechnen. Um belastbare Aussagen über die aerodynamische Effizienz des Fahrzeugs treffen zu können, muss man die LowPoly-Modelle höher auflösen und vernetzen. Die 3D-LowPoly-Flächenmodelle sind Ausgangspunkt eines Pre-Processings für Simulationsrechnungen mit numerischen Strömungssimulations-Tools (CFD), die heute schon in späteren Phasen der Fahrzeugentwicklung gebräuchlich sind.

Rohbau, Gewicht und Reichweite

Die Kombination eines 3D-Flächenmodells des Exterieurs und eines geschlossenen ­Interieur-Flächenmodells mit einem Pack­age-Modell in einem CAD-System definiert einen Designraum für die Ableitung eines Konzeptrohbaus (siehe Abbildung 3). Durch bionische Optimierungstools kann beispielsweise der Designraum entlang von Lastpfaden gefüllt werden, um eine bionisch gewachsene Rohbaustruktur zu schaffen. Ein Rohbauentwickler überführt diese Struktur in einen Konzeptrohbau aus beispielsweise Profilen, Blechen und Gussknoten, welche die Lastpfade aufgrund der eingeprägten Kräfte berücksichtigen.

Schnittstellen zwischen den Entwicklungskreisen und den Tools

Das parametrische 3D-Flächenmodell wird in einer digitalen Entwicklungsumgebung eingebettet sein, die Schnittstellen zu zahlreichen betroffenen Fach- und Querschnittsbereichen bereithält. Über eine zentrale Schnittstelle zu einer internen Parameter-Datenbank soll ein Datenaustausch mit zahlreichen ­Anwendungen im Entwicklungsumfeld nach dem Ein-Quellen-Prinzip [8] stattfinden. ­Moderne digitale Kollaborationswerkzeuge und digitale Whiteboards helfen dabei, das 3D-Maßkonzept zur kollaborativen Entwicklung von frühen Fahrzeugkonzepten zu nutzen. Potenzielle Konzeptanpassungen und deren Auswirkungen auf andere Anforderungen und Randbedingungen lassen sich anhand des Modells diskutieren. Entwicklungsmethodische Ansätze wie das Design Thinking unterstützen das beschriebene Vorgehen zusätzlich. Prüfaufträge für erfolgversprechende Konzeptanpassungen oder Umsetzungsentscheidungen stellen den Einstieg in eine nächste, reifere Entwicklungsschleife im Sinne eines Spiralmodells [9] dar.

Um die Erlebbarkeit neuer Fahrzeugkonzepte in Abstimmungsrunden mit Fach­bereichen und Entscheidern zu verbessern, lassen sich die 3D-Flächenmodelle in ein Visualisierungstool exportieren und für eine VR-Präsentation aufbereiten. Mit Hilfe einer VR-Brille wird das Fahrzeugkonzept in Kombination mit einem einfachen Sitzaufbau oder einer „Sitzkiste“ aus Alu-Profilen und Holzkonstruktionen erlebbar. Dies trägt wesentlich zur Verbesserung der Entscheidungsqualität in der frühen Konzeptphase im Rahmen einer agilen Fahrzeugkonzeptentwicklung bei.

Ausblick auf die zukünftige Fahrzeugentwicklung

Der vorgestellte Ansatz vereint Technik und Gestaltung in einem parametrischen ­3D-Flächenmodell, das es ermöglicht, Fahrzeugkonzepte schon in der frühen Phase dreidimensional zu erleben sowie flexibel anzupassen und weiter zu optimieren. Dies bietet verschiedene Möglichkeiten der Konzept-Optimierung in der frühen Phase, bevor die Serienentwicklung startet. Es ist wichtig, viele Konzeptalternativen und Fahrzeugderivate zu beschreiben, bevor die Fahrzeugarchitektur und ihre Modell-Familie verabschiedet wird. Startwerte für konzeptbestimmende Maße lassen sich aus Vergleichen des Vorgängers mit aktuellen Fahrzeugen der Wettbewerber ableiten. Zudem bilden Fahrzeugdatenbanken und Wettbewerbsvergleichstools eine breite ­Datengrundlage, um charakteristische Maße und Zusammenhänge zu analysieren. In diesem Zusammenhang finden auch ­KI-basierte Ansätze Verwendung [10].

Die Autoren: Maximilian Schmitz, M. Sc., ist Doktorand an der Technischen Universität Ilmenau am Fachgebiet Mechanik Nachgiebiger Systeme.
Dr. rer. pol. Dipl.-Ing. Thomas Neff ist Entwicklungsingenieur Zukunftsstudien & Fahrzeugkonzepte bei der Mercedes-Benz AG. 
Dipl.Ing. (FH) Hubert Kazmaier ist Entwicklungs­ingenieur Zukunftsstudien & Fahrzeugkonzepte bei der Mercedes-Benz AG. 
Dr.-Ing. Jochen Bisinger ist Leiter Zukunftsstudien & Fahrzeugkonzepte bei der Mercedes-Benz AG.

[1] Schmitz, M.; Bisinger, J. & Zentner, L. (2023): Effiziente parametrisierte Fahrzeugarchitekturauslegung in der frühen Konzeptphase. Konferenzbeitrag zu IFToMM 2023
[2] Schmitz, M.; Bisinger, J. & Zentner, L. (2023): ­Potentials of an early digital twin for dimensional vehicle concept creation in the concept phase. In: 16th IFToMM World Congress, 05.-10.11.2023, Tokio, Japan
[3] IEEE Computer Society (2005): 1220 IEEE Standard for Application and Management of the Systems Engineering Process
[4] Hens, H. F. (2022): Entwicklung eines dem Luxusanspruch der 2030er Jahre gerecht werdenden Fahrzeugkonzepts. Masterarbeit, HAW Hamburg
[5] Eigner, M.; Roubanov, D. & R. Zafirov (Hrsg.) (2014): Modellbasierte Virtuelle Produktentwicklung. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg
[6] Urrego-Giraldo, G. & Giraldo, G. L. (2012): A Process Model Representation for Supporting Concurrent Engineering.
[7] Robert Bosch GmbH (2022): Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 30th edn. Springer Vieweg, Berlin
[8] VDI (2021): VDI/VDE 2206 - Development of mechatronic and cyber-physical systems
[9] Böhm, B.W. (1988):  A Spiral Model of Software Development and Enhancement
https://web.archive.org/web/20091007032104/http:/www.computer.org/portal/cms_docs_computer/computer/homepage/misc/Boehm/r5061.pdf
[10] Jo, T. (2021): Machine Learning Foundations