Definition: Ein virtueller Prototyp ist ein digitales Modell eines Produkts, das noch nicht oder noch nicht in dieser Form gebaut wurde. Er entsteht aus den CAD-Daten der Konstruktion und dient dazu, Form, Funktion, Montage und Bedienung zu prüfen, bevor ein physisches Muster gefertigt wird. Je nach Fragestellung ist er ein reines Visualisierungsmodell oder wird mit Simulationen (Kinematik, Festigkeit, Strömung) kombiniert.
Im B2B-Maschinenbau werden virtuelle Prototypen genutzt für: Design Reviews mit Konstruktion, Fertigung und Service, Bauraum- und Kollisionsprüfungen, Ergonomie-Checks am Bedienplatz, Abstimmung mit Kunden vor der Freigabe und frühes Vertriebsmaterial für Messen und Angebote.
Vorteil: Fehler werden gefunden, solange sie nur eine CAD-Änderung kosten, und nicht erst am gebauten Muster.
Englisch: Virtual Prototype, Digital Prototype
Deutsch: Virtueller Prototyp, digitaler Prototyp, Digital Mock-up (DMU)
Funktionsweise
Vom CAD-Modell zum Review-Modell
CAD-Daten sind für die Konstruktion gemacht, nicht für die Präsentation. Für ein Review in Echtzeit-3D durchläuft das Modell mehrere Schritte der 3D-Pipeline:
- Export: Baugruppe aus dem CAD-System, oft über neutrale Formate wie STEP oder JT.
- Tessellierung: Mathematische Flächen werden in Dreiecksnetze umgerechnet.
- Vereinfachung: Innenliegende Teile, Normteile und Bohrungen werden je nach Zweck reduziert oder entfernt.
- Aufbereitung: Materialien, Baugruppenstruktur, Animationen (z. B. Türen, Achsen, Hubwerke) werden ergänzt.
- Ausspielung: Das Modell läuft in Web-Viewer, Kiosk-Anwendung, AR- oder VR-Umgebung.
Ein Modell, mehrere Ausgabekanäle
| Plattform | Stärke im Review | Grenze |
|---|---|---|
| Web-Viewer | Ohne Installation, per Link für alle Beteiligten | Begrenzter Eindruck von Größe |
| Kiosk, Großbildschirm | Gemeinsames Review im Besprechungsraum | Ortsgebunden |
| AR (Tablet, Headset) | Maschine in Originalgröße in der realen Halle | Tracking- und Lichtverhältnisse vor Ort |
| VR | Begehbarer Maßstab 1:1, Bedienung testen | Headset und Einweisung nötig |
Viele Fragen lassen sich bereits am Bildschirm klären. AR und VR spielen ihre Stärke aus, wenn es um Maßstab, Erreichbarkeit und Platzbedarf geht.
B2B-Anwendungen
Design Review
Konstruktion, Fertigung, Service und Vertrieb betrachten dasselbe Modell. Typische Fragen: Kommt der Techniker an den Filter? Passt die Maschine durch das Hallentor? Ist der Not-Halt aus der Bedienposition erreichbar? In VR lässt sich das in Originalgröße prüfen, in Mixed Reality auch direkt am geplanten Aufstellort.
Weniger physische Prototypen
Physische Muster bleiben für Funktionstests, Zulassung und Dauerlauf unverzichtbar. Ein virtueller Prototyp kann aber Zwischenstände ersetzen, die nur der Abstimmung von Form und Anordnung dienen. Das spart Material, Fertigungszeit und Transport zu Abstimmungsterminen.
Fertigung und Montageplanung
Die Fertigung prüft am virtuellen Prototyp, in welcher Reihenfolge Baugruppen montiert werden, ob Werkzeuge an alle Verschraubungen kommen und wie große Teile transportiert werden. Auch die Aufstellung beim Kunden lässt sich vorbereiten: Fundament, Anschlüsse, Wartungsflächen und Fluchtwege werden im Layout der Halle geprüft, etwa mit Scandaten aus LiDAR-Aufnahmen.
Vertrieb und Messe
Der virtuelle Prototyp ist oft das erste Bild einer neuen Baureihe. Vertrieb und Marketing können damit Angebote, Produktseiten und Messeauftritte vorbereiten, bevor die erste Maschine fertig ist. Auf der Messe zeigt ein Kiosk oder ein AR-Modell die neue Maschine, auch wenn sie für den Stand zu groß oder noch nicht verfügbar ist.
Kundenabstimmung
Bei Sondermaschinen prüft der Kunde Layout und Varianten vor der Freigabe. Änderungswünsche fallen in die Konstruktionsphase statt in die Inbetriebnahme. Ein Link zum Web-Viewer genügt, damit Einkauf, Produktion und Arbeitssicherheit beim Kunden das Modell gleichzeitig ansehen können, ohne Software zu installieren. Kommentare und Fragen aus diesen Runden fließen direkt in den nächsten Konstruktionsstand ein und lassen sich im nächsten Review nachverfolgen.
Service und Schulung
Aus demselben Modell entstehen Wartungsanleitungen und Schulungsinhalte. Servicetechniker und Bediener lernen die Maschine kennen, bevor sie ausgeliefert ist.
Abgrenzung zum Digital Twin
Die Begriffe werden oft vermischt, beschreiben aber unterschiedliche Phasen:
| Merkmal | Virtueller Prototyp | Digital Twin |
|---|---|---|
| Phase | Entwicklung, vor dem Bau | Betrieb, nach Inbetriebnahme |
| Bezug | Ein Entwurf oder eine Baureihe | Eine konkrete, reale Anlage |
| Daten | CAD, Simulation, Annahmen | Live-Daten von Sensoren und IoT-Systemen |
| Ziel | Entwurf prüfen und verbessern | Zustand überwachen, Wartung planen, Betrieb optimieren |
Zusammenhang: Der virtuelle Prototyp ist häufig die Ausgangsbasis für den späteren Digital Twin. Die Geometrie bleibt, hinzu kommt die Verbindung zu den Betriebsdaten der realen Maschine.
Herausforderungen
Datenaufbereitung
Große Anlagen bestehen aus vielen tausend Teilen. Ein unbearbeiteter CAD-Export ist für Browser, Tablet oder Headset meist zu schwer. Ohne gezielte Vereinfachung leiden Ladezeit und Bildrate, und damit die Akzeptanz im Review.
Aktualität
Konstruktionsstände ändern sich laufend. Ein Review am veralteten Modell führt zu falschen Entscheidungen. Klare Versionsstände und ein wiederholbarer Aufbereitungsprozess sind deshalb wichtiger als ein einmalig perfektes Modell.
Aussagekraft
Ein virtueller Prototyp zeigt, was modelliert wurde. Kabel, Schläuche, Toleranzen oder Verformungen fehlen oft. Teilnehmer sollten wissen, welche Fragen das Modell beantworten kann und welche weiterhin ein reales Muster brauchen.
Organisation
Der Nutzen entsteht erst, wenn Fertigung, Service und Vertrieb früh eingebunden werden. Reviews brauchen deshalb feste Termine im Entwicklungsprozess, eine Moderation und dokumentierte Ergebnisse.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Ersetzt ein virtueller Prototyp den physischen Prototyp vollständig?
Nein. Für Funktionsnachweise, Dauertests, Sicherheitsprüfungen und Zertifizierung braucht es weiterhin reale Muster. Der virtuelle Prototyp reduziert vor allem Zwischenstände und verlagert die Fehlersuche nach vorn.
Welche Daten werden für einen virtuellen Prototyp benötigt?
Grundlage sind die CAD-Daten der Baugruppe. Für eine überzeugende Darstellung kommen Materialien und Farben, die Baugruppenstruktur und, wo sinnvoll, Bewegungsabläufe dazu. Vertrauliche Details wie Innenleben oder Fertigungsinformationen lassen sich vor der Weitergabe entfernen.
Ist VR für ein Design Review notwendig?
Nicht immer. Viele Abstimmungen funktionieren im Web-Viewer oder auf einem großen Bildschirm. VR lohnt sich, wenn Maßstab, Sichtlinien und Erreichbarkeit beurteilt werden sollen. AR eignet sich, um die Maschine im realen Umfeld zu zeigen.
Wie aktuell bleibt der virtuelle Prototyp?
Das hängt vom Prozess ab. Wird die Aufbereitung automatisiert, lässt sich jeder neue Konstruktionsstand mit geringem Aufwand neu ausspielen. Bei manueller Aufbereitung empfiehlt es sich, Reviews an definierte Meilensteine zu koppeln.
Wie werden CAD-Daten beim Review geschützt?
Statt der Original-CAD-Daten wird ein tesselliertes, vereinfachtes Modell weitergegeben, das sich nicht ohne Weiteres in Konstruktionsdaten zurückführen lässt. Dazu kommen Zugriffsrechte und Freigaben, siehe Datensicherheit.
Branchenstandards und Technologien
- VDI/VDE 2206 – Richtlinie zur Entwicklung mechatronischer und cyber-physischer Systeme
- ISO 10303 STEP (AP242) – neutraler Austausch von CAD- und Produktdaten
- ISO 14306 JT – Format für die leichtgewichtige 3D-Visualisierung von CAD-Daten
- glTF 2.0 (Khronos Group) – Austauschformat für Echtzeit-3D
- OpenXR (Khronos Group) – offene Schnittstelle für AR- und VR-Geräte
- ISO 23247 – Rahmenwerk für Digital Twins in der Fertigung (zur Abgrenzung)
Verwandte Themen
Grundlagen: - 3D-Modell – Geometrie und Aufbau - 3D-Pipeline – vom CAD zum Echtzeitmodell - Real-time Rendering – Echtzeit-Darstellung - Reverse Engineering – vom realen Bauteil zum Modell - Digital Mock-up (DMU) – digitales Gesamtmodell eines Produkts
Plattformen: - Virtual Reality – Review im Maßstab 1:1 - Augmented Reality – Modell in der realen Halle - Mixed Reality – Verbindung von Realität und Modell - Extended Reality (XR) – Oberbegriff - WebGL – 3D im Browser
Betrieb und Daten: - Digital Twin – digitales Abbild der realen Anlage - IoT – vernetzte Maschinen - Datensicherheit – Schutz von Konstruktionsdaten - Simulation – Berechnung von Funktion und Festigkeit
Anwendungen: - 3D-Produktkonfiguratoren – Varianten früh zeigen - Immersives Erlebnis – Präsentation auf Messen - Design Review – gemeinsame Prüfung des Entwurfs - Virtuelle Inbetriebnahme – Steuerung am Modell testen
