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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Albert Albers
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Albert Albers is the Head of IPEK, the Institute of Product Engineering as well as the Program Director of M.Sc. Management of Product Development at HECTOR School.

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Virtual Experience of Prototypes

New XR Laboratory at IPEK Enables Early Validation of Interactive Products

Article within the current edition of the KIT magazine lookKIT on information at the Karlsruhe Institute of Technology, Edition 1/2019. The text was written in German, an excerpt is available in English at the end of the text.

 

Kann mein Produkt was es können soll – und wird es auch gekauft? Die Antworten auf diese Fragen sind entscheidend für Erfolg oder Misserfolg einer jeden Markteinführung. Wohl dem Unternehmen, welches sie schon lange vor dem Produktstart beantworten kann. Am IPEK – Institut für Produktentwicklung am KIT, entwickeln Forscherinnen und Forscher neue Methoden, um möglichst früh im Entwicklungsprozess herauszufinden, ob ein Produkt sowohl tauglich als auch für Kunden und Anwender attraktiv ist. Voraussetzung für aussagekräftiges Kundenfeedback ist die Verfügbarkeit anschaulicher Repräsentationen des zukünftigen Produkts. In der Produktentwicklung kommen dazu physische Prototypen zum Einsatz, die häufig jedoch erst spät im Prozess vorliegen und deren Herstellung mit hohem zeitlichem wie finanziellem Aufwand verbunden ist. Im neuen Extended-Reality-Labor (XR-Lab) des IPEK werden sie in frühen Entwicklungsphasen durch realistische voll- und teilvirtuelle Modelle ergänzt oder ersetzt.

 

„In der Automobilindustrie gehen nicht selten zehn Prozent des gesamten Entwicklungsbudgets in die Produktion von Prototypen“, sagt Jonas Reinemann vom IPEK. „Bei einem einzelnen Hersteller können da leicht mehrere hundert Millionen Euro zusammenkommen.“ Diesen Aufwand wollen die IPEK-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler reduzieren, indem sie die physischen Prototypen durch virtuelle Hologramme ersetzen. Diese können im XR-Lab direkt auf die Werkbank projiziert werden – als dreidimensionales Bild, allein oder in Verbindung mit physischen Teilen. Der Kombination von physischen und virtuellen Modellen, dem sogenannten Mixed Prototyping, messen die IPEK-Forscher dabei besonders großes Potenzial bei.

 

Die sogenannte Extended Reality (XR) ist ein Sammelbegriff für Computertechnologien, welche das wahrgenommene Umfeld um virtuelle Komponenten erweitern. Zum Beispiel indem dreidimensionale Bilder in den physischen Raum projiziert werden (Augmented Reality, AR) oder der Anwender sich in eine vollständig computergenerierte virtuelle Umgebung begibt (Virtual Reality, VR). Geschehen kann das zum Beispiel mittels einer Augmented-Reality-Brille, einem sensorunterstützten transparenten Display, das der Nutzer vor den Augen trägt, einer CAVE, einem Raum zur Projektion dreidimensionaler Illusionswelten, in dem sich auch mehrere Nutzer gleichzeitig bewegen können, oder dem eigenen Smartphone oder Tablet, die heutzutage auch über die notwendige Sensorik, Kameratechnik und Rechenleistung zur Erzeugung von XR-Umgebungen verfügen.

 

Ziel der Forschungen am IPEK zu XR ist es, Kunden und Anwender möglichst früh in die Entwicklung neuer Produkte einzubeziehen: Marc Etri beugt sich über das Gehäuse eines Elektromotors, das vor ihm auf dem Tisch liegt. Während es dem nebenstehenden Betrachter leer erscheint, kann der Masterstudent mit einer AR-Brille bereits den fertig montierten Antrieb in Augenschein nehmen. Die AR-Technologie verknüpft den physischen Gehäuseausschnitt des e-Motors mit den virtuellen Hologrammen verschiedener Motorkomponenten. So können verschiedene Gehäusevarianten, Wickelungen des Rotors oder Komponenten mit abweichenden Abmessungen ausprobiert werden. „Natürlich kann sich ein Motorenentwickler das auch anhand einer zweidimensionalen Zeichnung vorstellen“, erklärt Etri. „Aber der Kunde kann das vielleicht nicht so gut.“ Indem die zukünftigen Nutzerinnen und Nutzer bereits in einer sehr frühen Phase mit ganz unterschiedlichen Versionen des späteren Produkts konfrontiert werden, können deren Vorlieben in die weitere Entwicklung einfließen.

 

Geeignet sei die Technik vor allem für Produkte, mit denen der Mensch in Interaktion trete, erläutert Reinemann. „Wie etwa das Cockpit eines Autos oder Küchengeräte.“ So könne man mittels der Projektionen eine Vorstellung der räumlichen Dimensionen etwa einer Abzugshaube oder auch der Position verschiedener Bedienelemente bekommen, was die Kommunikation zwischen Anwendern und Produktentwicklern erleichtern kann. „Es lassen sich aber auch interaktive Produktfunktionen prüfen, wie die Steuerung einer Kameradrohne oder das Förderverhalten eines Schaufelradbaggers.“ Zunehmend werde es auch mit immer weniger Aufwand möglich sein, die virtuellen Einspielungen zu animieren, Geräusche und Sprache hinzuzufügen oder „live“ Veränderungen daran vorzunehmen. „In Zukunft wird der Anwender nicht mehr zwischen virtuell und real unterscheiden können.“

 

Geforscht werde am IPEK allerdings nicht an der Weiterentwicklung der XR-Technologie selbst, stellt Institutsleiter Albert Albers klar. „Wir entwickeln Methoden für eine kundennahe Produktentwicklung.“ Computergestützte Erweiterungen der Realitätswahrnehmung würden in einem atemberaubenden Tempo immer besser und wirklichkeitsnäher, wie man sie bei der Entwicklung und Validierung neuer Produkte sinnvoll einsetzen könne, sei indes noch weitgehend unerforscht. „Jeder sagt, das ist die Zukunft, aber keiner weiß, wie es geht!“, konstatiert Albers. Verfahren, wie man virtuelle Produkte testet und die Ergebnisse hinterher interpretiert, müssen noch erdacht und verfeinert werden. Dazu dient das IPEK XR-Labor, das neben Industrie- und Forschungsprojekten auch in der Lehre zum Einsatz kommt.

 

Kontakt: jonas reinemannMaz6∂kit edu

 

Excerpt in English

New XR Laboratory at IPEK Enables Early Validation of Interactive Products

Translation: Maike Schröder

 

Extended reality, or XR, is a collective term for technologies to extend the perception of reality with the help of computers. It includes both virtual reality (VR) and augmented reality (AR). These technologies enable the user to realistically perceive completely virtual (VR) or mixed physicalvirtual (AR) environments. In the past year, a new XR Laboratory was established at IPEK, KIT’s Institute of Product Engineering, to study the potential of these technologies in the development process.

 

Particular attention is being paid to integrating customers into the early validation phase of interactive product development. XR technologies make it possible for the customer to experience virtual variations of reference products. With AR technology, existing, physical reference products can be combined with virtual holograms. This allows solutions for the future to be experienced even during the early development phase of prototypes. Perception of these alternatives for the product can generate important knowledge regarding the explicit and implicit preferences of the customer.

 

IPEK’s XR Laboratory is used in industry and research projects as well as in academic education. For example, IPEK’s XR Laboratory modeled a mixed physical-virtual prototype of an electric motor developed by KIT in cooperation with Fraunhofer ICT under the DEmiL project. A physical section of the motor housing was combined with virtual holograms of various engine components using AR technology. Then, various housing types, winding geometries of the rotor, and geometrical dimensions of other components were validated in the AR environment for later packaging of the electric motor.

 

Contact: jonas reinemannSpi6∂kit edu