Virtuelle Techniken in textilen Anwendungen – eine Übersicht · Simulation Durchfluss z. B....

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© Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. Virtual Dimension Center VDC Whitepaper Virtuelle Techniken in textilen Anwendungen Anwendungsfelder & Chancen [2. Version Dezember 2013] 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

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

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

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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

Übersicht

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: www.clo3d.com

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Anwendungsgebiete Virtueller Techniken im Textilumfeld

Physikalische Simulation

- Struktursimulation

- Strömungssimulation

- textile Lichteffekte

Virtuelle Entwicklung

- digitaler Entwurf

- Design-Evaluation

Entwurfsmethoden und -werkzeuge

(CAE-)Simulationsalgorithmen

Visualisierungsalgorithmen, Computer Generated Imagery (CGI)

Material-Scanning, High-Dynamic-Range(HDR)-Materialmodelle

Product Lifecycle Management (PLM)

Übersicht

Relevante Technologien

Textilmaschinenbau

- Handhabungstechnik

- Prozesssimulation

- Maschinenkonstruktion

- Training

Digitale Präsentation von Textilien

- Print, Film, Web

- Sell-In, Point-of-Sales

- Augmented Reality, Haptik

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Physikalische Simulation von Textilien: Struktursimulation

Betrachtungen auf der Mikro-Ebene

Faden, Gewebe, Gewirk, Geflecht,…

Verwendung mechanischer

Ersatzmodelle (zur Beschleunigung

Berechnung)

Bild: Peirce

Bild: Peirce

Bild: Peirce

Peirce’s

geometrisches

Gewebemodell

Nahbetrachtung

Gewebe,

korrespondierendes

Partikel-Modell

Physikalische Simulation

Peirce’s

geometrisches

Gewebemodell

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Physikalische Simulation von Textilien: Struktursimulation

Bild: ITV Denkendorf

Berechnung mechanischer

Eigenschaften von Textilien

(Verformung und

Belastung) für

unterschiedlichste

Belastungsarten

Zug

Scherung

Impact

Drapierung

Temperatur

Bild: ITV Denkendorf

Bild: ITV Denkendorf

Simulation

einer biaxialen

Zugbelastung

(Airbaggewebe)

Drapiersimulation

eines Aramidgewebes

Einzelfilamentmodell:

Simulation der

Garnkompression

bei gleichzeitiger

Zugbelastung mit ITV-

Hybrid-Garnmodel

Physikalische Simulation

Simulation

der Schutzwirkung

eines textilbasierten

Splitterschutz-

vorhanges

Bild: ITV Denkendorf

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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: Metariver

Bild: DEM Solutions

Simulation Durchfluss

durch Gewebe

Simulation

Kleidungsbewegung

in Waschmaschine

Simulation der

Bewegung eines flexiblen

Kleidungsstücks (grün) in

einem Strömungsfeld und

Kontakt mit Festkörper

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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 2010

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Virtuelle Entwicklung: Fashion-Entwurf

Prozess Fashion-Prototyping

Full Body Scan /

Reihenmessungen

Entwurf/Definition (CAD)

Nähen/Herstellung

Kleidungssimulation

Bewegungsdefinition

(Mocap)

virtuelle Fashion Show

Bild: Bronzwear

Bild: Virtual Fashion

Bild: Tuka

Bronzwear

V-Styler

Virtual Fashion

Basic 1.0

TUKA3D

Bild: clo3D

Bild: C-DESIGN

C-DESIGN

Fashion

clo3d

Virtuelle Entwicklung

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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

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

Scanatare auf Basis

Reihenmessung iSize,

Angabe Körpergröße,

Nationalität

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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

Inszenierung der

Bekleidungsstücke:

Kombination und

Hintergrund

Qualitätssicherung:

Vergleich digitaler

Entwurf und realer

Prototyp

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Virtuelle Entwicklung: Designevaluation Fashion - Inszenierung

Bild: IRGP der Hochschule Albstadt-Sigmaringen

Virtueller

Laufsteg

Virtuelle Entwicklung

Bild www.clo3d.com

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

Virtueller

Laufsteg

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Textilmaschinenbau: Handhabungstechnik

Untersuchung Funktionsmechanismen als

Grundlage für die Entwicklung neuer,

verbesserter Produkte und Verfahren

Detailentwurf des

Gewebe-Herstellverfahrens

Abbildung dynamischer Lastfälle

Fadenbruch: Beanspruchungs-

berechnung/-abschätzung

Bild: ETH Zürich

Bild: ITV Denkendorf

Bild: ITV Denkendorf

Technische Modellierung

eines Fadens im Prozess:

statische und dynamische

Last

Simulation von

Multiaxialwirken

Simulation der

Maschenbildung

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Textilmaschinenbau: Handhabungstechnik

Bilder: ITV Denkendorf

Wickel- und

Schrumpfvorgänge

ITV-Spulen-

Generierungssimulation:

Fadenlagen werden

zunächst näherungs-

weise durch eine

mathematische Funktion

beschrieben. Bei der

anschließenden

Schrumpfsimulation

kommen die Fadenlagen

aufeinander zu liegen

und pressen die Hülse

zusammen.

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Textilmaschinenbau: Prozesssimulation

Virtual Prototyping

Simulation textiler Herstellungsprozesse:

Gewebeherstellung

Flechten

Multiaxialgewirke

Wickeln

Drapieren

Infiltration (Faserverbund)

Bild: reden

Bild: ITV Denkendorf

Simulation

Flechten

Prozesssimulation

Aramidgewebe aus

Multifilamentgarnen

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Textilmaschinenbau: Prozesssimulation

Bilder: ITV Denkendorf

Dargestellte Prozesssimulation: Herstellung eines

Drehergewebes (Markissenstoff ). Basis für noch komplexere

Prozesssimulationen wie Multiaxialweb- bzw.

Stickwebtechnologie „Open Reed Weaving“

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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

Bild: Oerlikon/ESI-IC.IDO

Überblick Gesamtanlage

in VR; Teamarbeit

Abschätzung

Größenverhältnisse

Blick in sämtliche

Komponenten

Designreview in VR

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Textilmaschinenbau: Collaborative Engineering

Bild: Oerlikon/ESI-IC.IDO

Virtual Design Review Textilmaschine im Team vor einer

Powerwall mit der Visual Decision Plattform (VDP) von ESI-IC.IDO

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Textilmaschinenbau: Ergonomie

Bild: IRGP der Hochschule Albstadt-Sigmaringen

Ergonomie-Untersuchung

an einer Rundstrickmaschine

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Textilmaschinenbau: Training

Bild: Lightshape

3D-Animation für

Trainingszwecke:

Verständnis

Nähprozess und

Funktionsweise

Nähmaschine

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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

Digitale Präsentation

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Digitale Präsentation von Textilien: Print

Fotorealistische Innenraum-Visualisierung

für den Einsatz in Print-Broschüren Bild: Lightshape

Digitale Präsentation

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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

Bild: LightShape

Automotive: Lage, Form

und Farbe von Nähten

durch RTT

Fashion: dynamisches

Verhalten von Kleidung

Möbel: Anreicherung

von 3D-Szenen mit

textilen Elementen

Digitale Präsentation

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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. Varianten-

vergleiche 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

Digitale Präsentation

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Digitale Präsentation von Textilien: Film & Web

Bild: WurzelMedien Bild: VDC Bild: VDC

Animation (offline) mehrerer

überlagerter Kleidungsschichten

3D-Visualisierung Leder

mit Strukturen bei RTT

3D-Visualisierung

Jacke bei RTT

Digitale Präsentation

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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

Bild: VDC

3D-Visualisierung

Schuhkollektion

Adidas durch RTT

verschiedene

Outfit-Visualisierungen

durch RTT

3D-Darstellung

Kollektion im

Shop durch RTT

Digitale Präsentation

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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

Digitale Präsentation

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Digitale Präsentation von Textilien: POS & Messen

Bild: Tridelity

Tridelity setzt Nikes neuen

Sportschuh Hypervenom in

Nikes Pariser Flagship Store

autostereoskopisch

in Szene

Digitale Präsentation

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Digitale Präsentation von Textilien: Augmented Reality

Augmented Reality: pass-

genaue 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: Adidas

Bild: Adidas

Augmented-Reality-

Dummy-Schuhe von

Adidas

Magic Mirror

für Schuhprobe

Bild: Westfield

Virtuelle Kleidungs-

anprobe im Web mit

Augmented Reality

Digitale Präsentation

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Digitale Präsentation von Textilien: Augmented Reality

Bild: Zugara.com

Integration Fashion

mit Augmented Reality

und Sozialen Medien:

Überlagerung Kamera-

Bild (Person) mit

digitalem 3D-Kleid

Digitale Präsentation

Bild: Fitnect

Auswahl über Gestenerkennung

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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

Bild: Projekt HAPTEX

Blick auf Benutzer,

Gelenkarm und

graphische Ausgabe

Blick auf Gelenkarm

und graphische Ausgabe

Modul zur

taktilen Ausgabe

Digitale Präsentation

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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

Zusammenfassung

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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.

Zusammenfassung

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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 Vorgehens-

weisen zur Implementierung Virtueller Techniken

in den Unternehmenskontext aufzeigt.

Herausforderungen

Zusammenfassung

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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

Zusammenfassung

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Literatur

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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

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Textilmaschinenbau Übersicht

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Virtuelle Techniken in textilen Anwendungen

2. Version Dezember 2013

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36

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