Einsatz der virtuellen Realität zur Analyse von Kunststoffaufbereitungsprozessen im übergreifenden chemietechnischen Kontext
Final Report Abstract
In den 28 Monaten der Projektlaufzeit wurde erstmalig eine Verknüpfung zwischen der Simulation von Schmelzeströmungs- und Mischprozessen bei der Kunststoffaufbereitung und Visualisierungen in VR-Umgebungen geschaffen. Die wichtigste Aufgabe der Kunst Stoff-Aufbereitung mit einem Doppelschneckenextruder stellt das Einmischen von Additiven oder Füll- und Verstärkungsstoffen dar. Dazu muss zunächst die Extrudergeometrie, angepasst an den Anwendungsfall, aus einzelnen Schneckenelementen konfiguriert werden. Der KunststoffVerarbeiter untersucht dann am fertig konfigurierten Extruder, die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und der sich einstellenden Güte der Mischung. Bei der Analyse der komplexen Strömungsvorgänge im Extruder bieten ihm dreidimensionale Strömungssimulationen Unterstützung. Jedoch ist der Zugang zu den Simulationsergebnissen und das Verständnis der sich hieraus ergebenden Strömungsphänomene schwierig. Im Rahmen dieses Projekts wurde die Schnittstelle zwischen Mensch und Rechner untersucht, um dem Ingenieur eine umfassendere und effizientere Nutzung der sehr umfangreichen und extrem unübersichtlichen Datenmengen zu ermöglichen. Die hier neu geschaffenen Techniken zur Verbesserung des Prozessverständnisses bieten mehr als nur die dreidimensionale rämlich erfahrbare Darstellung von Strömungsphänomenen (Virtual Reality Techniken). Möglich gemacht wurde auch die Interaktion mit der Simulation und den Daten (Extruderkonfiguration, Setzen von Bahnlinienstartpunkten) und es wurden Techniken zur Animation von Mischungsprozessen erarbeitet. Besondere Schwerpunkte lagen dabei auf der Entwicklung speziell angepasster Visualisierungstechniken, sowie der explorativen Analyse von Simulationsdaten instationärer Schmelzeströmungen in virtuellen Umgebungen. Diese Techniken wurden umgesetzt durch die Realisierung eines Software-Prototypen. Eine erste noch rudimentäre Evaluierung der Techniken fand durch Interviews mit Fachleuten der Kunststofftechnik und durch eine Benutzerstudie statt. Im Folgenden werden die wesentlichen Ergebnisse der einzelnen Arbeitspakete zusammengefasst. Visualisierung von Strömungs- und Mischungsvorgängen: Wichtige Phänomene bei der Verarbeitung im Extruder sind vorliegende lokale Strömungsformen, Partikelzerteilung, räumliche Homogenität und die Vermischung zweier Komponenten. Existierende Kennwerte für diese Phänomene wurden auf dreidimensionale Strömungsvorgänge übertragen. Hieraus wurden erstmals Visualisierungsformen dieser Strömungs- und Mischungsphänomene erarbeitet. Um die Visualisierung großer Partikelmengen zu ermöglichen, wurden Zeichenlast verringernde Techniken, wie z.B. Billboard Visualisierungen, eingesetzt, um die Anzahl der gleichzeitig in die Strömung eingelassenen Partikel zu erhöhen. Standardvisualisierungstechniken, wie Isoflächen-, Schnittoder Glyphdarstellungen wurden durch eine ausgelagerte Berechnung auf einem Hochleistungsrechner echtzeitfähig gemacht, was eine Grundvoraussetzung für eine interaktive explorative Analyse ist. Annotation von Simulationsdaten: In diesem Projekt wurde erstmals ein applikationsunabhängiges Modell eines Annotationssystems entwickelt, unter spezieller Berücksichtung der Anforderungen der Analyse instationärer Strömungsdaten. Mit diesem System können instationäre Strömungen in virtuellen Umgebungen kommentiert, markiert und beschrieben werden. Dieses bietet die Möglichkeit, Erkenntnisse aus einer Analysesitzung zu transportieren und für spätere Analysesitzungen zugänglich zu machen. Evaluierung der Visualisierungstechniken: Virtuelle Realität wird überall dort eingesetzt, wo spezielle Personengruppen ausgebildet, trainiert oder therapiert werden. Eine Lücke bei der Anwendung von VR-Techniken gab es allerdings im Bereich der Kunststofftechnik. Von einem industriellen oder pädagogischen Einsatz der VR-Technologie ist man in diesem. Bereich noch weit entfernt. Die Interaktionsformen in virtuellen Umgebungen unterscheiden sich deutlich von den konventionellen Formen. Über die im Rahmen des Projekts realisierten, auf die Analyse von Extrudern zugeschnittenen Interaktiontechniken erhält der Anwender eine höhere Anzahl von Freiheitsgraden bei der Exploration der Simulationsdaten. Um zunächst einmal ansatzweise beurteilen zu können, wie groß der pädagogische Nutzen des in diesem Projekt entwickelten VR-Prototyps in Zukunft sein kann, wurde durch eine Benutzerstudie der subjektive Lerneffekt unterschiedlicher Visualisierungsbeispiele studiert.
Publications
- ASSENMACHER, I. ; RÖTTGEN, C, ; STEWERiNG, J. ; KUHLEN, T.: Virtual Reality zur interaktiven Konfiguration von Doppelschneckenextrudern. In; 5, Paderborner Workshop AR & VR in der Produktentwicklung, 2006, S. 103-116
- ASSENMACHER, L ; HENTSCHEL, B. ; Ni, C. ; KUHLEN, T. ; BISCHOF, C.: Interactive Data Annotation in Virtual Environments. In: Eurographics Symposium on Virtual Environments, 2006, S. 119-126
- GERNDT, A.: Methoden des parallelen Postprocessing numerischer Strömungssimulationsdaten für die echtzeitfähige Visualisierung und Interaktion in VR-basierten Arbeitsumgebungen, Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, RWTH Aachen, Diss., 2006
- HABERSTROH, E. ; STEWERING, J.: New Aspects for the Visualisation of Compounding Processes. In: Annual Meeting of the Polymer Processing Society, PPS-21, 2005
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- HABERSTROH, E.; KRUMPHOLZ, T.; LETTOWSKY, C.; SCHMITZ, T.; LÜTZELER, R. ; SCHLUMM, M.: Aus der Technologieschmiede Aachen. In: Kunststoffe (2006), S. 76-80
- MICHAELI, W.; HABERSTROH, E.; STEWERING, J. ; HOORN, R. van ; SCHMITZ, T. ; SEIDEL, H.: Visualisierung von Strömungsdaten aus CFD-Simulationen mit 23 Virtual Reality Techniken. In: Internationales Kunststofftechnisches Kolloquium, Aachen, März., 2006
- STEWERING, J.: Auslegung mit Virtual Reality. In: Plastverarbeiter 03 (2004), S. 93 [Ste06a] STEWERING, J.: Erfolgreich Entwickeln und Kunden überzeugen. In: Plastverarbeiter 05 (2006), S. 35
- STEWERING, J.: Entwicklung von Visualisierungsalgorithmen für Strömungssimulationen. In: 4- VRCA-Workshop, Aachen, 2004
