Nachgefragte Allrounder für Simulationen
Ob Leistungssport, Automobilbau oder Unfallforschung - seit 20 Jahren sorgt das Institut für Mechatronik, das heute ein An-Institut der TU Chemnitz ist, für gewinnbringende Bewegungen im Computer
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Für die optimale Gestaltung von Arbeitsplätzen: Thomas Härtel, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mechatronik, kann mit dem 3-D-Modell einer Autokarosserie Bewegungsabläufe von Arbeitern am Montageband analysieren. Student Daniel Koska (l.) simuliert den Arbeiter, der zur Verfolgung seiner Bewegungen Sensoren trägt. Foto: Wolfgang Thieme
Was haben der Absprung beim Eiskunstlauf und die optimale Bobschlittenfahrt mit der Drehung einer Windkraftanlage, dem Komfort von Fahrzeugsitzen oder einer exakten Unfallanalyse gemeinsam? Für die Simulation all dieser Aspekte greifen die Wissenschaftler des Instituts für Mechatronik (IfM) seit 20 Jahren auf "alaska" zurück - ein Softwarewerkzeug, das ständig weiterentwickelt wird. "Unser Institut beschäftigt sich nahezu ausschließlich mit Computersimulationen", sagt Prof. Dr. Guido Brunnett, Wissenschaftlicher Direktor des An-Instituts für Mechatronik (IfM) und Inhaber der Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung der TU Chemnitz. Er ergänzt: "Die Simulation von Produkten und Prozessen mit Hilfe von Computerprogrammen ist heute vielerorts von zentraler Bedeutung für die Reduzierung von Entwicklungszeit und Kosten." Immer mehr Partner aus der Wirtschaft, insbesondere aus dem Automobilbau, aus der Energiebranche und aus dem Maschinenbau, kooperieren mit den Chemnitzer Forschern und profitieren von der Leistungsstärke ihrer Computerprogramme. Aber auch Leistungssportler, Trainer und Sportwissenschaftler suchen die Nähe zum IfM.
Mächtig viel Wind im Computer
Simulationsmethoden liegen auch dann zugrunde, wenn es um die Berechnung der Lebensdauer von Windkraftanlagen geht. Dafür entwickeln die Wissenschaftler des IfM geeignete Methoden. Sie betrachten dabei ebenfalls verschiedene Szenarien - beispielsweise die Funktion bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten und -richtungen sowie Veränderungen an der Maschine, etwa den Defekt an einem Blattantrieb. Rund 2.500 mögliche Fälle kommen dabei zusammen, für die die Hersteller mit "alaska" die Lasten berechnen, die auf die Anlage wirken. "Der Betreiber der Anlagen verarbeitet diese Daten weiter und kann so die Lebensdauer der Windkraftanlage vorhersagen", sagt Brunnett. Nur wenn das Ergebnis mehr als 20 Jahre ist, erteilt der TÜV der Anlage ein Zertifikat, das für die Versicherung und den Verkauf der Windkraftanlage wichtig ist. Für die Simulation von Windkraftanlagen haben die Chemnitzer Mechatroniker ihre Software weiterentwickelt. Eingeflossen sind dabei unter anderem Theorien aus dem Flugzeug- und Hubschrauberbau. Wichtigster Partner des IfM ist in diesem Projekt die Nordex Energy GmbH, ein Anbieter von Windkraftanlagen mit Sitz in Norderstedt. Die Kunden des modifizierten Softwareproduktes kommen aber auch aus der Zuliefererindustrie: Die Bosch Rexroth Group etwa entwickelt Bauteile für Windkraftanlagen und kann mit Hilfe von "alaska/Wind" die Belastungen bestimmen, die sie aushalten müssen.
Mit Dynamicus zu besser gestalteten Arbeitsplätzen
Immer öfter greift auch die Konzernforschung von Volkswagen auf das Know-how des IfM zurück. Das in Chemnitz entwickelte Menschmodell "Dynamicus" kommt dabei zum Einsatz, um Arbeitsplätze ergonomisch zu gestalten und zu bewerten, aber auch, um die Mitarbeiter - beispielsweise in der Montage - zu schulen, damit sie ungesunde Bewegungen vermeiden.
Grundlage für den Einsatz von Dynamicus in der Ergonomie war die Verbesserung der Erfassungstechnik. Die Arbeiter, die untersucht werden, tragen zur Verfolgung ihrer Bewegungen Sensoren - und die müssen zwar Daten erfassen, teilweise direkt verarbeiten und dann weiterleiten, sie dürfen aber nur eine begrenzte Größe haben, damit sie den Probanden nicht einschränken. Die Miniaturisierung dieser Technik war somit Voraussetzung für den Einsatz des Menschmodells in der Arbeitswissenschaft. Zum Einsatz kommen bei den Ergonomieuntersuchungen zum einen Marker, die an wichtigen Körperpunkten angebracht sind: auf Armen, Beinen, Gelenken. Deren Bewegung kann als Bild erfasst werden. Da aber die Untersuchungen häufig an engen Arbeitsplätzen stattfinden - etwa im Inneren eines zu montierenden Autos - werden die Marker teilweise verdeckt. Damit dann trotzdem noch Daten erfasst werden können, kommen außerdem Inertialsensoren zum Einsatz. Dieses gekoppelte System möchte das IfM zusammen mit der in Weilheim ansässigen Advanced Realtime Tracking GmbH weiterentwickeln und auf den Markt bringen.
Von der Unfallsimulation bis zum therapeutischen Klettern
In weiteren Dynamicus-Projekten beschäftigen sich die IfM-Wissenschaftler mit der Simulation von Unfällen. Hier geht es einerseits darum, die Sicherheit von Fahrzeugen zu verbessern, andererseits sind mit dem Menschmodell erstellte Simulationen Grundlage für Gutachten. So griff beispielsweise die Kölner Sporthochschule auf das Chemnitzer Modell zurück, als es darum ging, einen Unfall zu analysieren, der sich im Dezember 2010 bei der Fernsehsendung "Wetten, dass…?" ereignete. "Die Kölner Wissenschaftler konnten zweifelsfrei feststellen, dass der Fehler im Bewegungsablauf des Wettkandidaten lag und es keine technischen Mängel bei der Ausrüstung gab", sagt IfM-Geschäftsführer Dr. Albrecht Keil.
Dynamicus kommt aber auch in der Rehabilitation zum Einsatz. Kooperationspartner ist vor allem das Biomechanik-Labor der Klinik Bavaria im sächsischen Kreischa. Hier wird das Menschmodell genutzt für die Auslegung von Orthesen und bei Ganganalysen während der Anpassung von Prothesen. Im US-amerikanischen Michigan kommt Dynamicus bei Messreihen zum Ruderergometer zum Einsatz. Gerade gestartet ist am IfM zudem ein Projekt zum therapeutischen Klettern: "Aus den Kräften an den Haltepunkten einer Kletterwand können wir die Kräfte berechnen, die im Körper des Kletterers wirken. So lässt sich feststellen, ob er Schonhaltungen einnimmt und irgendwo noch nicht voll belastbar ist", erklärt Keil.
Im Auftrag eines Automobilzulieferers darf Dynamicus zudem Probe sitzen - wenn es darum geht, den für möglichst viele Menschen optimalen Fahrzeugsitz zu entwickeln. "Jeder Autokonzern legt andere Maßstäbe für einen perfekten Sitz an. Wenn das Fahrzeug sportlich sein soll, ist ein harter Sitz gefragt. Und Asiaten bevorzugen meist sehr weiche Sitze", sagt Keil. Durch Dynamicus können zum einen teure Sitzprototypen eingespart werden, zum anderen werden die Tests problemlos mit virtuellen Menschen aller Größen durchgespielt.
Weiterhin gibt das IfM mit Dynamicus beispielsweise dem Institut für Angewandte Trainingswissenschaft Leipzig ein Werkzeug an die Hand, um die Bewegungsabläufe von Weltklasse-Sportlern zu optimieren. Das Spektrum reicht vom Eiskunstlauf über das Skispringen bis zum Startsprung beim Schwimmen. Mit Hilfe des Modells lassen sich Größen berechnen, die nicht gemessen werden können - etwa Drehimpulse und Belastungen in Gelenken der Sportler.
Stichwort: 20 Jahre Institut für Mechatronik
Das Institut für Mechatronik e. V. (IfM) wurde 1992 in Chemnitz gegründet. Hervor ging es aus dem Institut für Mechanik, das seit 1984 seinen Sitz in Karl-Marx-Stadt hatte und zur Akademie der Wissenschaften der DDR gehörte. Von Beginn an bestanden enge Verbindungen mit der TU Chemnitz. 1998 wurde ein neues Institutsgebäude mit 600 Quadratmetern Nutzfläche in Betrieb genommen, das die Fraunhofer-Gesellschaft mit Unterstützung des sächsischen Wissenschaftsministeriums in Universitätsnähe errichtete. Von 1992 bis 2008 lag die Leitung des Instituts bei Prof. Dr. Peter Maißer, der Honorarprofessor an der Chemnitzer TU war. Die Forschungsschwerpunkte des Chemnitzer Instituts für Mechatronik liegen einerseits auf der Biomechanik mit Anwendungen im Hochleistungssport, in der Rehabilitation, der Ergonomie und der Arbeitsprozessbewertung, andererseits auf Lastberechnungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen oder so genannten fliegenden Bauten wie Achterbahnen und Karussells.
Seit 2010 vertieft das Institut für Mechatronik als An-Institut der TU Chemnitz seine Zusammenarbeit mit der Universität in Forschung und Lehre. Eine Schlüsselposition an der Universität nimmt dabei die Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung ein. Weitere Kooperationen bestehen bereits zwischen dem IfM und Maschinenbauern, Informatikern sowie Sportwissenschaftlern der TU. Zudem haben Studenten die Möglichkeit, am Institut für Mechatronik Praktika zu absolvieren, Studienabschlussarbeiten zu verfassen und sich als studentische Hilfskräfte an Forschungs- und Entwicklungsprojekten zu beteiligen.
Von 1992 bis 2012 hat sich die Mitarbeiterzahl von neun auf 20 mehr als verdoppelt. Auch der Jahresumsatz des Instituts folgte diesem Trend von 500.000 DM im Gründungsjahr auf aktuell 1,2 Millionen Euro. Der Anteil der Auftragsforschung liegt heute bei 40 Prozent.
Das Institut für Mechatronik feiert am 21. Juni 2012 sein 20-jähriges Bestehen mit einer Festveranstaltung an der TU Chemnitz.
Homepage des Instituts: http://www.tu-chemnitz.de/ifm/
Weitere Informationen erteilen Prof. Dr. Guido Brunnett, Telefon 0371 531- 31533, E-Mail guido.brunnett@informatik.tu-chemnitz.de, und Dr. Albrecht Keil, Telefon 0371 531-19690, E-Mail ifm@ifm-chemnitz.de.
Mario Steinebach
18.06.2012
