Whitepaper Virtuelle Techniken in textilen Anwendungen Anwendungsfelder & Chancen [2. Version Dezember 2013]

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1 Whitepaper Anwendungsfelder & Chancen [] von: Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde, Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach Hermann Finckh, Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf der deutschen Institute für Textil und Faserforschung Denkendorf

2 Umfeld der Textilwirtschaft hoher Konkurrenzdruck schnelle Produktwechsel großer Variantenreichtum emotionale Konsumprodukte räumliche Trennung von Entwurf, Produktion und Verkauf sehr aufwändige Berechnung für Simulation und Visualisierung zahlreiche Fertigungsmethoden (Weben, Stricken, Wirken, Flechten, ) zur Herstellung textiler Flächen/Halbzeuge jeder dieser Prozesse besitzt zahlreiche Möglichkeiten/Parameter zur Gestaltung/ Ausführung des Strukturaufbaus langwieriges und kostspieliges Trial-and-Error Bild: Adabala 2003 et al. Bild: 2

3 Anwendungsgebiete Virtueller Techniken im Textilumfeld Physikalische Simulation - Struktursimulation - Strömungssimulation - textile Lichteffekte Virtuelle Entwicklung - digitaler Entwurf - Design-Evaluation Relevante Technologien Textilmaschinenbau - Handhabungstechnik - Prozesssimulation - Maschinenkonstruktion - Training Digitale Präsentation von Textilien - Print, Film, Web - Sell-In, Point-of-Sales - Augmented Reality, Haptik Entwurfsmethoden und -werkzeuge (CAE-)Simulationsalgorithmen Visualisierungsalgorithmen, Computer Generated Imagery (CGI) Material-Scanning, High-Dynamic-Range(HDR)-Materialmodelle Product Lifecycle Management (PLM) 3

4 Physikalische Simulation von Textilien: Struktursimulation Betrachtungen auf der Mikro-Ebene Faden, Gewebe, Gewirk, Geflecht, Verwendung mechanischer Ersatzmodelle (zur Beschleunigung Berechnung) Bild: Peirce Peirce s geometrisches Gewebemodell Bild: Peirce Peirce s geometrisches Gewebemodell Bild: Peirce Nahbetrachtung Gewebe, korrespondierendes Partikel-Modell 4

5 Physikalische Simulation von Textilien: Struktursimulation Berechnung mechanischer Eigenschaften von Textilien (Verformung und Belastung) für unterschiedlichste Belastungsarten Zug Scherung Impact Drapierung Temperatur Bild: ITV Denkendorf Bild: ITV Denkendorf Bild: ITV Denkendorf Simulation einer biaxialen Zugbelastung (Airbaggewebe) Bild: ITV Denkendorf Simulation der Schutzwirkung eines textilbasierten Splitterschutzvorhanges Drapiersimulation eines Aramidgewebes Einzelfilamentmodell: Simulation der Garnkompression bei gleichzeitiger Zugbelastung mit ITV- Hybrid-Garnmodel 5

6 Physikalische Simulation von Textilien: Strömungssimulation Simulation Durchfluss z. B. durch Membranen Bewegung von Kleidungsstücken in bewegtem, flüssigen Medium ( Waschmaschinensimulator ) dabei Berücksichtigung starrer Umgebungsgeometrien (Trommel etc.) darüber hinaus: (nicht-graphische) Simulation des Waschprozesses selbst Bild: RWTH Aachen AME Bild: DEM Solutions Simulation Durchfluss durch Gewebe Simulation der Bewegung eines flexiblen Kleidungsstücks (grün) in einem Strömungsfeld und Kontakt mit Festkörper Bild: Metariver Simulation Kleidungsbewegung in Waschmaschine 6

7 Physikalische Simulation von Textilien: Lichteffekte durch Einsatz lichttechnisch wirksamer Textilien und spezieller Hinterleuchtung können viele 3D-Effekte erzeugt werden Tiefenwirkung ist deutlich größer als tatsächliche Bautiefe großflächige Gestaltungskonzepte ohne Einschränkung in Gebrauch Markt wird beflügelt durch die rasante Entwicklung der LED-Technologie hohe emotionale Wertigkeit Aufgabe Simulation/Visualisierung: ergebnisgetriebenes Prototyping der Textilien (anstelle Versuch) Bild: ITV Denkendorf Bild: ITV Denkendorf Bild: ITV Denkendorf LED-Lichtpunktleisten erzeugen Bögen Mit farbigen LEDs erzeugte Muster Einbauten im Ausstellungskontext: Denkendorfer Kreativkolloquium

8 Physikalische Simulation Virtuelle Entwicklung Textilmaschinenbau Virtuelle Entwicklung: Fashion-Entwurf Prozess Fashion-Prototyping Full Body Scan / Reihenmessungen Entwurf/Definition (CAD) Nähen/Herstellung Kleidungssimulation Bewegungsdefinition (Mocap) virtuelle Fashion Show Bild: clo3d clo3d Bild: Bronzwear Bild: Virtual Fashion Bronzwear V-Styler Virtual Fashion Basic 1.0 Bild: C-DESIGN C-DESIGN Fashion Bild: Tuka TUKA3D 8

9 Physikalische Simulation Virtuelle Entwicklung Textilmaschinenbau Virtuelle Entwicklung: Fashion-Entwurf Entwurf CAD Schnittmustererzeugung Abgleich mit digitalen Menschmodellen, die auf der Basis von Länder-spezifischen Reihenmessungen erstellt wurden Überprüfung Form, Sitz, Musterverlauf, Körperabstand Bild: Human Solutions Bild: Human Solutions CAD Assyst: Schnittentwicklung für Kleid. Anschließend Übernahme der Schnittdaten für Visualisierung. Änderungen im 2D werden online nach 3D übernommen Anzeige Körperabstand in Fehlfarben: Sitz des Bekleidungsstücks am Körper Bild: Human Solutions Scanatare auf Basis Reihenmessung isize, Angabe Körpergröße, Nationalität 9

10 Physikalische Simulation Virtuelle Entwicklung Textilmaschinenbau Virtuelle Entwicklung: Designevaluation Fashion 3D-Visualisierung direkte Übernahme der 3D-Daten aus dem CAD Materialzuweisung realistische Visualisierung; Tendenz Photorealismus Faltenwurf Qualitätssicherung: Vergleich möglich zwischen realem und digitalem Musterteil erste Möglichkeiten zur Inszenierung Bild: Human Solutions Bild: Human Solutions Bild: Human Solutions Simulation Faltenwurf: Zusammenspiel Schnitt, Stoff, Körper Qualitätssicherung: Vergleich digitaler Entwurf und realer Prototyp Inszenierung der Bekleidungsstücke: Kombination und Hintergrund 10

11 Physikalische Simulation Virtuelle Entwicklung Textilmaschinenbau Virtuelle Entwicklung: Designevaluation Fashion - Inszenierung die virtuelle Fashion-Show bietet verschiedene Möglichkeiten von der Diskussion des Entwurfs bis hin zu Web-Marketing (damit im Thema Präsentation einzuordnen) die physische Bühne kann durch eine virtuelle mit nahezu unbegrenzten Möglichkeiten ersetzt werden Bild: IRGP der Hochschule Albstadt-Sigmaringen Virtueller Laufsteg Bild Virtueller Laufsteg 11

12 Textilmaschinenbau: Handhabungstechnik Untersuchung Funktionsmechanismen als Grundlage für die Entwicklung neuer, verbesserter Produkte und Verfahren Detailentwurf des Gewebe-Herstellverfahrens Abbildung dynamischer Lastfälle Fadenbruch: Beanspruchungsberechnung/-abschätzung Bild: ITV Denkendorf Bild: ETH Zürich Technische Modellierung eines Fadens im Prozess: statische und dynamische Last Simulation der Maschenbildung Bild: ITV Denkendorf Simulation von Multiaxialwirken 12

13 Textilmaschinenbau: Handhabungstechnik Wickel- und Schrumpfvorgänge ITV-Spulen- Generierungssimulation: Bilder: ITV Denkendorf Fadenlagen werden zunächst näherungsweise durch eine mathematische Funktion beschrieben. Bei der anschließenden Schrumpfsimulation kommen die Fadenlagen aufeinander zu liegen und pressen die Hülse zusammen. 13

14 Textilmaschinenbau: Prozesssimulation Virtual Prototyping Simulation textiler Herstellungsprozesse: Gewebeherstellung Flechten Multiaxialgewirke Wickeln Drapieren Infiltration (Faserverbund) Bild: reden Simulation Flechten Bild: ITV Denkendorf Prozesssimulation Aramidgewebe aus Multifilamentgarnen 14

15 Textilmaschinenbau: Prozesssimulation Dargestellte Prozesssimulation: Herstellung eines Drehergewebes (Markissenstoff ). Basis für noch komplexere Prozesssimulationen wie Multiaxialweb- bzw. Stickwebtechnologie Open Reed Weaving Bilder: ITV Denkendorf 15

16 Textilmaschinenbau: Maschinenkonstruktion Überprüfung Funktionsweise Digital Mock-Up Kinematik Kollisionen/Freigängigkeit Physik, Steuerungstechnik Prozess-Simulatoren: Funktionsweise des Werkzeugs Beanspruchungen Servicebarkeit Bild: Oerlikon/ESI-IC.IDO Bild: Oerlikon/ESI-IC.IDO Überblick Gesamtanlage in VR; Teamarbeit Abschätzung Größenverhältnisse Blick in sämtliche Komponenten Bild: Oerlikon/ESI-IC.IDO Designreview in VR 16

17 Textilmaschinenbau: Collaborative Engineering Virtual Design Review Textilmaschine im Team vor einer Powerwall mit der Visual Decision Plattform (VDP) von ESI-IC.IDO Bild: Oerlikon/ESI-IC.IDO 17

18 Textilmaschinenbau: Ergonomie Ergonomie-Untersuchung an einer Rundstrickmaschine Bild: IRGP der Hochschule Albstadt-Sigmaringen 18

19 Textilmaschinenbau: Training 3D-Animation für Trainingszwecke: Verständnis Nähprozess und Funktionsweise Nähmaschine Bild: Lightshape 19

20 Digitale Präsentation von Textilien: Print 3D-Modell für High-End-Renderings: Photorealismus Erstellung von Marketingmaterial bereits während Produktentwicklungsprozess (Basis: digitale Prototypen) -> Reduktion Time-to-Campaign Vermeidung teurer Foto-Shootings an weit entfernten Orten Produktänderungen leicht und schnell nachziehbar Wiederverwendung der 3D-Umgebungsdaten bei Re-Designs nicht nur Präsentation des Designs möglich, sondern explizit der Technologie; Explosionsdarstellungen schwierige Kamerapositionen einnehmbar Transparenz, Ein-/Ausblicke: neue Einblicke bieten; Verborgenes und Funktionsweise zeigen (etwa Membranfunktionen) Darstellung Zukunft / Vergangenheit; Vergleich leichtere Geheimhaltung Prototypen Bild: Wurzel-Medien Bild: VDC Bild: WurzelMedien Automotive: Sitzbezüge, Bezüge Innenraum, realistische Farb- und Reflexionseigenschaften Fashion: realistische Präsentation Material, Form, Deformation durch RTT Möbel: Darstellung Polster, Teppich 20

21 Digitale Präsentation von Textilien: Print Bild: Lightshape Fotorealistische Innenraum-Visualisierung für den Einsatz in Print-Broschüren 21

22 Digitale Präsentation von Textilien: Film Video-Extraktion aus 3D-Daten multimodale (z. B. Sound) Zusatzinformation einsetzbar nutzbar auf modernen Endgeräten (Tablet-PC, Smartphone) kann durch Kunden selbst bedient/ abgerufen werden (ohne 3D-Erfahrung) Animationen und dynamische Kamerafahrten Bild: VDC Bild: WurzelMedien Automotive: Lage, Form und Farbe von Nähten durch RTT Fashion: dynamisches Verhalten von Kleidung Bild: LightShape Möbel: Anreicherung von 3D-Szenen mit textilen Elementen 22

23 Digitale Präsentation von Textilien: Web Informationsquelle mit niedriger Eintrittshemmschwelle (anonymes Informieren möglich) multimodale Zusatzinformation auf neuen Endgeräten (Tablet-PC, Smartphone) kann durch Kunden selbst bedient/abgerufen werden Marktforschung: virtuelle Produkttests. Variantenvergleiche im Vorfeld der Erstellung physischer, haptischer Prototypen (Ausdünnung Varianten) interaktive (einfache) Produkt-Konfiguratoren Web-Konfiguratoren: Ableitung von Statistiken zu beliebtesten Varianten Zugang beschränkbar für Nutzergruppen: Exklusivität Integration mit Auftragssystem (Lieferfähigkeit, -zeitpunkt) virtueller Kundendialog: Aufnahme weiterer Wünsche Bild: VDC Bild: bitmanagement Bild: bitmanagement Automotive: Sitzbezüge, Bezüge Innenraum: Musterverlauf bei RTT Fashion: Web-3D-Konfigurator Möbel: Web-3D-Konfigurator 23

24 Digitale Präsentation von Textilien: Film & Web Animation (offline) mehrerer überlagerter Kleidungsschichten 3D-Visualisierung Leder mit Strukturen bei RTT 3D-Visualisierung Jacke bei RTT Bild: WurzelMedien Bild: VDC Bild: VDC 24

25 Digitale Präsentation von Textilien: Sell-In Sell-In: Vermarktung zum Groß-/ Zwischenhändler Inszenierung Kombination zu neuen Outfits sinnvoll wenn es viele Varianten oder Modelle mit Kunden oder innerhalb des Unternehmens abzustimmen gilt gesamte Kollektion als Musterteile zu produzieren zu aufwändig Bild: VDC Bild: VDC 3D-Visualisierung Schuhkollektion Adidas durch RTT verschiedene Outfit-Visualisierungen durch RTT Bild: VDC 3D-Darstellung Kollektion im Shop durch RTT 25

26 Digitale Präsentation von Textilien: POS Point-of-Sales (POS): Shop-Lösungen interaktive Präsentation des Produkts gemeinsames Verständnis sichern einfaches Zeigen von Varianten Produkt virtuell in Benutzung zeigen Steigerung Informationsdichte, insbes. verständliche Darstellung auch komplexer Zusammenhänge detaillierte Einblicke bieten Kunde gestaltet sein spezifisches Produkt: Produktkonfiguratoren unter Verwendung der Expertenversion des Konfigurators Bild: VDC Bild: VDC Bild: VDC Verkaufsförderung Demo durch RTT Bildschirm-Präsentation von Textilien und Lederwaren in Shop oder Messe Multimediaeinsatz im Shopkontext 26

27 Digitale Präsentation von Textilien: POS & Messen Tridelity setzt Nikes neuen Sportschuh Hypervenom in Nikes Pariser Flagship Store autostereoskopisch in Szene Bild: Tridelity 27

28 Digitale Präsentation von Textilien: Augmented Reality Augmented Reality: passgenaue Überlagerung Realbild mit Computergraphik Web oder POS Magic Mirror : Live-Cam-Aufnahme des Kunden wird mit 3D-Gaphiken (zu probierenden Kleidungsstücken) überlagert Gestenerkennung für die Interaktion (etwa Auswahl) individuelle Farbmustergestaltung bei Sportschuhen (schwarz-weißer Marker dient dient der passgenauen Referenzierung) Bild: Westfield Bild: Adidas Bild: Adidas Virtuelle Kleidungsanprobe im Web mit Augmented Reality Augmented-Reality- Dummy-Schuhe von Adidas Magic Mirror für Schuhprobe 28

29 Digitale Präsentation von Textilien: Augmented Reality Integration Fashion mit Augmented Reality und Sozialen Medien: Überlagerung Kamera- Bild (Person) mit digitalem 3D-Kleid Auswahl über Gestenerkennung Bild: Zugara.com Bild: Fitnect 29

30 Digitale Präsentation von Textilien: haptische Darstellung Projekt HAPTEX: - numerische Simulation Textilverhalten - haptische Darstellung prototypische Entwicklung Algorithmik prototypische Entwicklung Ausgabegerät Kraftrückkopplung mittels Gelenkarmsystem (für Eindruck texile Gesamtsteifigkeit) taktile Ausgabe über mechanische Stifte (für Eindruck Fingergefühl) Projekt als erster Schritt; Realismus ausbaufähig Bild: Projekt HAPTEX Bild: Projekt HAPTEX Blick auf Benutzer, Gelenkarm und graphische Ausgabe Blick auf Gelenkarm und graphische Ausgabe Bild: Projekt HAPTEX Modul zur taktilen Ausgabe 30

31 Chancen des Einsatzes Virtueller Techniken für textile Anwendungen Gesamtprozess: Vorteile Betonung früher Entwicklungsphasen weniger Iterationsschleifen Prozessqualität: Integration in der Fertigung zur Simulation einer durchgängigen Prozesskette Innovationsfähigkeit: gut implementiert, wirken sich 3D-Produktdaten entlang der gesamten Wertschöpfungskette aus Wettbewerbsvorsprung: Vorteile durch einen durchgängigen, PLM-basierten 3D-Prozess besseres Verständnis phänomenologischer Zusammenhänge durch Simulation/Berechnung Befähigung Multi-Channel-Marketing Zeit: Vorteile schnelle Entwicklungszyklen als aktives Prozesselement frühes Ergebnisfeedback Zeitgewinn: schneller Austausch richtiger, aktueller 3D-Daten beschleunigt Arbeitsschritte; Unterbrechungen für Dateneingaben und Wartezeiten reduziert. Workflow-Automatisierung: beim Vorliegen der richtigen Daten können Abläufe automatisiert bzw. Workflows automatisch angestoßen werden: Zeitersparnis und Transparenz. parallele Prozesse: mit digitalen Prozessketten können manche Einzelschritte parallel ablaufen oder sich überschneiden. Dieses spart Zeit. Reduktion Time-to-Campaign 31

32 Chancen des Einsatzes Virtueller Techniken für textile Anwendungen Kosten: Vorteile geringere Kosten für Musterteile; physische Mustermodelle können ergänzt/ersetzt werden Grenzen des virtuellen Halbzeugs können bzgl. seines Einsatzes analysiert werden, ohne dass zuvor teurer und zeitaufwändig Halbzeuge hergestellt werden müssen günstige Einzelprobenprüfung mit Simulation anstatt teurer Gesamtteil- Prüfung Aktualität: alle arbeiten auf einem aktuellen Datenmaster. Bei Änderungen in einem späten Prozess-Schritt passen sich die Daten automatisch an. Kommunikationsaufwand damit geringer. weniger Fehlerfolgekosten durch digitale Absicherung Qualität: Vorteile Entwicklung alternativer Produktkonzepte Unterstützung Spezifikation des Produkts bessere Passform: 3D-Design bezieht Körperform ein höhere Funktionalität, z.b. höhere Drapierbarkeit gezielte Halbzeug-Auswahl entsprechend spezifischer Bauteilanforderungen gezielte Untersuchung einzelner Parameter systematische Analyse von Randbedingungen und Materialeigenschaften durch Simulation Anfassqualität: Umwelteinflüsse wie Licht und Schatten lassen sich der Visualisierung hinzufügen hoher Realitätsfaktor: Abstimmung Modelle im Team, damit leichtere Fehlererkennung Aktualität durch aktuelle Datenbasis: bei Änderungen in spätem Prozess-Schritt passen sich Daten automatisch an: weniger Fehler wegen unstimmiger Daten. 32

33 Herausforderungen Mangel an Best Practices: gute Referenzbeispiele der Implementierung Virtueller Techniken sind kaum öffentlich der Einsatz Virtueller Techniken muss auf der Basis individueller Arbeitsprozesse und individueller Ziele auch individuell aufgegleist werden diese Implementierung muss professionell geleitet und begleitet werden der Einsatz neuer Technologien bedeutet Veränderung: neue Arbeitsabläufe, Aufgaben, Funktionen, Verantwortlichkeiten, etc. werden sich ergeben. Andere Funktionen können entfallen (z. B. Produktfotographie). Mitarbeiter müssen im Sinne eines umfassenden Change Managements mitgenommen werden; die Geschäftsleitung muss das Thema aktiv unterstützen Das Virtual Dimension Center hat zum Thema Einführung von Virtual Reality im Unternehmen ein gesondertes Whitepaper verfasst, welches Handlungsfelder, Aktivitäten und Vorgehensweisen zur Implementierung Virtueller Techniken in den Unternehmenskontext aufzeigt. 33

34 Zusammenfassung zahlreiche Anwendungsbereiche Virtueller Techniken bei textilen Anwendungen Textilbranche hat im Vergleich zu Automobil, Luft- & Raumfahrt, Maschinenbau technologisch noch viel Potential erhebliche Chancen: viele Felder haben bereits Marktreife: - virtuelle Entwicklung, - Textilmaschinenbau, - digitale Präsentation Einsatz physikalischer Simulation und Augmented Reality auf Projektbasis mit Technologie-Providern möglich Haptik und digitale Anprobe (z.b. für Online-Verkauf) noch im Forschungsstadium. Scanner-Technologien entwickeln sich aber rasant. Herausforderungen der Implementierung nicht trivial: - umfassend vordenken - punktuell starten - Prozessintegration und Unternehmenskultur (Change Management) entscheidend 34

35 Literatur Abadala, Neeharika, et. al.: Visualization of woven cloth. In: Per Christensen and Daniel Cohen-Or (Editors): Eurographics Symposium on Rendering, 2003 Blume, Steffen: Konstruktion eines Gerätes zur Simulation von Oberflächenstrukturen für den Einsatz in VR-Umgebungen, Studienarbeit, Mai 2006 Blume, Steffen: Entwicklung eines Realzeit-Deformationsmodells der Fingerkuppe zur haptischen Kraftrückkopplung, Diplomarbeit, April 2007 Finckh, Hermann: Prozesssimulation am ITV Möglichkeiten für Faserverbundstrukturen, 1. Fachkongress Composite Simulation, Ludwigsburg, 2012 Glöckner, Daniel: Analysis of Coupled Dynamical Systems Exemplified by an Interactive Real-Time Simulation, Masterarbeit, Juli 2008 Göllner, Olaf: Implementierung und Untersuchung numerischer Algorithmen zur physikalischen Simulation auf CUDA-fähigen GPUs, Bachelorarbeit, Mai 2009 Hanel, Michael: Untersuchung und Implementation verschiedener Kollisionserkennungsalgorithmen für deformierbare Körper, Masterarbeit, August 2007 Hunold, Jürgen: Automatisches Texturieren von Freiformflächen, Diplomarbeit, Mai 1999 Magnenat-Thalmann, Nadia; Volino, Pascal ; Bonanni, Ugo; Summers, Ian R.; Bergamasco, Massimo; Salsedo, Fabio; Wolter, Franz-Erich: From Physics-based Simulation to the Touching of Textiles: The HAPTEX Project. In The International Journal of Virtual Reality 6 (2007), no. 3, Pralle, Daniel: Parallelisierte Berechnung zur Fluiddynamik auf der Cell B.E. Prozessorarchitektur, Masterarbeit, Juli 2009 Preuin, Sebastian: Ein lernendes System zur taktilen Darstellung von Textilien, Masterarbeit, August 2007 Salsedo, F.; Fontana, M.; Tarri, F.; et al.: Architectural Design of the Haptex System. In Proceedings of HAPTEX '05 - Workshop on Haptic and Tactile Perception of Deformable Objects. Division of Computer Graphics, University of Hannover, December Schulze, Malte: Virtual Reality Methods for Industrial Interior Design in Automotive Engineering, Dissertation, Volkswagen AG, Virtual Reality Lab, Seidl, Alexandra: Zehn Argumente für einen durchgängigen 3D-Prozess und drei dagegen. In: fashion 03, Assyst GmbH, Aschheim-Dornach, 2012 Vogt, Karsten: Entwicklung eines Verfahrens zur Realzeit-Simulation von Textilien unter Verwendung von progressiven Meshs Diplomarbeit, September 2006 Volino, P.; Davy, P.; Bonanni, U.; Magnenat-Thalmann, N.; Böttcher, G.; Allerkamp, D.; Wolter, F.-E.: From measured physical parameters to the haptic feeling of fabric. In Proceedings of HAPTEX '05 - Workshop on Haptic and Tactile Perception of Deformable Objects. Division of Computer Graphics, University of Hannover, December

36 VDC-Mitglieder und -Partner im Thema Virtuelle Textilien 36

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