„Nur ein gut geplantes Produkt ist ein gutes Produkt“. So die Maßgabe, von der sich das Projektteam des Fiat Bravo hat leiten lassen und die es bewogen hat, sich nur den besten Konstruktionsprozessen anzuvertrauen. Diese durch den Einsatz von virtuellen Methoden gestützten Verfahren sind in der Lage, sowohl die einzelnen Performances als auch deren Trade-off zu optimieren. Ein Paradebeispiel für diesen originellen Projektansatz ist die Entwicklung des Fiat Bravo: seit der „Einfrierung“ der Produktspezifikationen bis zur Markteinführung sind lediglich 18 Monate vergangen. Eine echte Rekordleistung für die Automobilindustrie, die sich in einen großen Wettbewerbsvorteil umsetzt, zumal eine zügige Geschwindigkeit bei der Entwicklung eines Fahrzeugs bedeutet, den tatsächlichen Markterfordernissen besser entsprechen zu können.

Um jedoch Schnelligkeit, Präzision und Exzellenz zugleich zu gewährleisten, bedarf es Spitzentechnologien und rigoroser Planungs- und Konstruktionsprozesse. Die gleiche Präzision ist in sämtlichen Entwicklungs- und Industrialisierungsphasen des Fiat Bravo zum Tragen gekommen, wobei die modernsten und innovativsten Zuverlässigkeitsmethoden zur Anwendung gebracht worden sind. Zusammenfassend lässt sich von diesem gewinnenden Projekt sagen, dass es drei präzise Zielstellungen hatte: Sicherheit, Fahrvergnügen und Innenraumqualität auf Spitzenniveau sicherzustellen.

Technisch führend durch eine lange Historie

Um einen bahnbrechenden Motor, innovative Systeme und erfolgreiche Fahrzeuge im Allgemeinen zu bauen, werden innovative Technologien und Methoden benötigt, die es ermöglichen, die Verbraucherwünsche richtig zu deuten und gezielt umzusetzen. Die Zielstellung dabei lautet, Komfort- und Leistungsmerkmale zu erreichen, die sich von denen der Konkurrenzfahrzeuge unterscheiden, aber auch niedrige Verbrauchs- und Emissionswerte unter allen Einsatzbedingungen sicherzustellen, sowie Sicherheit, Qualität und Zuverlässigkeit auf höchstem Niveau. Seit jeher gehört die Unternehmensgruppe Fiat zu den Pionieren bei der Anwendung der virtuellen Analysen im Planungs- und Konstruktionsbereich, um diese hoch gesteckten Ziele auch praktisch umzusetzen. Bereits in den siebziger Jahren wurden die Strukturteile eines Fahrzeugs mit Hilfe von rechnergestützten Untersuchungen überprüft. Anfang der neunziger Jahre erwarb das Unternehmen einen der ersten Superrechner, der zu Handelszwecken zur Verfügung stand (der berühmte Cray), als es in Italien nur zwei weitere und in Europa insgesamt nur ganz wenige Einheiten gab, die für wissenschaftliche Berechnungen im Hochschulbereich bzw. von großen Forschungsinstituten eingesetzt wurden. Und auch im Anschluss daran hat das Unternehmen mit den auf dem Markt verfügbaren neuesten virtuellen Technologien nicht nur Schritt zu halten gewusst, sondern ist diesen durch die Beiträge der eigenen Forschungszentren oftmals sogar zuvorgekommen.

Der Fiat Bravo: Ergebnis eines hervorragenden Entwicklungsprozesses

Eine rigorose Objektivierung der Leistungsmerkmale, beginnend bei denjenigen aus der Sicht des Kunden, stellt für den Fiat Konzern den Ausgangspunkt eines Entwicklungsprozesses dar. Dies ist vonnöten, um sämtliche Zielstellungen messbar zu machen und den Entwicklungsfluss in drei wesentliche Makroschritte zu gliedern: Target Setting, Target Deployment und Target Achieving. Und gerade in diesem letzten Bereich haben die virtuellen Prüfzyklen die Arbeitsweise revolutioniert, indem die Zeiten und Kosten drastisch reduziert und das Vertrauen in das Erreichen der gesteckten Ziele gestärkt wurden. Die Forschungstätigkeit im Simulationsbereich ist auf die Erstellung von Rechenmodellen ausgerichtet, mit deren Hilfe es möglich ist, die physikalischen Parameter, die das tatsächliche Fahrzeugverhalten so realistisch wie möglich wiedergeben, immer besser einzuschätzen.

In diesem Bereich ist aber nicht nur die Entwicklung der physikalischen Simulationsberechnungen vorangeschritten, sondern auch die der neuen rechnergestützten Instrumente, die es aufgrund ihres enormen grafischen Potenzials ermöglichen, die physischen Objekte extrem realistisch darzustellen. Von der Beurteilung des Designs bis zur Überprüfung des Layouts und der Zugänglichkeit der Komponenten, von der Virtualisierung der Montagestraße bis zu den eingehenden Untersuchungen der physischen und kognitiven Ergonomie: sämtliche Fahrzeugsysteme wie auch die zur Fertigung des Fahrzeugs benötigten Anlagen können von den Spezialisten exakt so „betrachtet“ werden, wie sie sich in Wirklichkeit präsentieren würden, und dies sofort nachdem sie vom Entwicklungsingenieur entworfen worden sind.

Das ist noch nicht alles. Der Entwicklungsprozess wird in den Bereichen Planung, Kontrolle, Archivierung der technischen Daten und Überwachung durch hochleistungsfähige Rechner gestützt. Insbesondere die Integration und die Verbindungen zwischen dem einheitlichen Stücklistensystem für Engineering und Manufacturing, dem PDM CAD/CAE, dem Normenarchiv und dem normierten System der Produktziele und der sowohl physischen als auch virtuellen Freigaben stellen im automobilen Panorama ein nahezu einmaliges „Rückgrat“ der Informationsverwaltung dar. Diese Systeme werden laufend in Echtzeit aktualisiert und sind sowohl bei den Lieferanten vorhanden als auch an sämtlichen Planungs- und Entwicklungspolen des Fiat Konzerns in aller Welt.

Dabei ist nicht zu vergessen, dass die Realisierung eines Qualitätsproduktes wie das des Fiat Bravo die Anwendung der denkbar modernsten CAE-Methoden in allen Phasen des Entwicklungsprozesses notwendig macht. Daher hat das Unternehmen in Zusammenarbeit mit den namhaftesten Lieferanten ein eigenes Modell realisiert, das sämtliche Entwicklungsabschnitte organisch zerlegt: beginnend bei der strategischen Gestaltung über die Innovation, die Standardisierung und die Analyse der Initiative bis hin zur Endphase der technischen und technologischen Entwicklung, der Integration der Lieferanten, der abschließenden Qualitätskontrolle und der Überprüfung des Produktionsanstiegs.

Vom Design zur „wahrgenommenen Qualität“: die einzelnen Prozessstadien

Sobald sich die ersten stilistischen Konfigurationsmöglichkeiten abzeichnen, wird damit begonnen, die Machbarkeit der einzelnen Teile virtuell zu prüfen und das aerodynamische Verhalten der Formen des Fahrzeugs auszuwerten; bereits an den ersten Gestaltungsformen werden die Voruntersuchungen in puncto Ergonomie vorgenommen. In der Zwischenzeit wird die Wahl des definitiven Stilmodells durch die intensiven virtuellen Prüfungen konsolidiert, womit der Auftakt zu den eigentlichen Planungs- und Konstruktionsaktivitäten gegeben wird. Der Grundaufbau nimmt Form an, sodass mit der Modellierung der Rohkarosserie begonnen werden kann. Mittlerweile sind die CAD-Entwurfsingenieure des Fiat Konzerns in der Lage, die ersten statischen Prüfungen an den kritischsten CAD-Teilen schnell und problemlos mit Hilfe von Berechnungstools, die hundertprozentig in ihr CAD-Ambiente integriert sind, durchzuführen. Selbstverständlich werden die detaillierten und komplexeren Kalkulationen von Spezialisten übernommen, aber auch ihnen wird die Arbeit erleichtert, indem sie über die konzerneigene Datenbank, in der die Entwürfe aller Modelle gespeichert sind, direkten Zugang zu den CAD-Mathematiken haben.

Gleichfalls fest in die Entwurfsdatenbank integriert ist die DMU, d.h. die Virtualisierung der Montage aller Fahrzeugkomponenten, mit der Möglichkeit, deren Layout, Montagefähigkeit und Zugänglichkeit bei der Wartung zu prüfen, wozu unter anderem auch Techniken der komplett Immersiven Virtuellen Realität zur Anwendung kommen. Unmittelbar im Anschluss an die Planung des „body in white“ erhalten die Konstruktionsingenieure bereits das Feedback von den Ergonomen, die die Sichtbereiche und Rückstrahlungen rechnerisch prüfen, um eine korrekte Planung der Räume, der Innensysteme (Sitz, Armaturenträger usw.), der primären und sekundären Bedienvorrichtungen, der beweglichen Teile und der Kommunikationsschnittstellen zu gewährleisten.

Parallel zu dieser Phase werden die ersten Berechnungen der Fahrzeugdynamik und die Prüfung der Fahrwerkkomponenten in Angriff genommen. Zur Simulation des Handlings und des Fahrkomforts sind spezifische Simulationsmodelle realisiert worden, die es gestatten, alle an Bord eines Fahrzeugs vorhandenen aktiven Steuersysteme, vom ABS bis zur Stabilitätskontrolle, vollständig zu integrieren.

Die Tragachse der ersten Phasen des technischen Entwicklungsprozesses wird demnach durch die Fixzeitpunkte der an die Datenbank weitergeleiteten CAD-Entwürfe zergliedert. Ist ein bestimmter Reifegrad erreicht, werden die virtuellen Strukturprüfungen in die Wege geleitet: diese beziehen sich sowohl auf sicherheitsrelevante Aspekte als auch auf solche, die Steifigkeit und die Zeitschwingfestigkeit betreffend. Im Bereich der Sicherheit macht Fiat von den aktuellsten Simulationsmethoden Gebrauch, um die Auswirkungen der Stoßkraft auf die Struktur und den menschlichen Körper wirklichkeitsgetreu wiederzugeben; dazu gehört auch die Simulation der Aktivierung und Steuerung der aktiven Rückhaltesysteme.

Zur Anwendung kommen aber auch Crashtests und biomechanische Methoden, die ihren Beitrag dazu leisten, dass die Fahrgastzellen einen optimalen Insassenschutz gewährleisten und die Frontpartie des Fahrzeugs schwächere Verkehrsteilnehmer (wie Fußgänger, Radfahrer usw.) wirkungsvoll vor Verletzungsgefahren schützt, so wie es von den geltenden und künftigen Gesetzesvorschriften gefordert wird. In diesem Sinne ist es also möglich, die vom Anfangsprojekt vorgegebenen Zielsetzungen virtuell zu prüfen, lange bevor mit den tatsächlichen Simulationen mit Hilfe von Prototypen begonnen wird.

Auf die gleiche Art und Weise wird auch an allen anderen Leistungsmerkmalen gearbeitet: Festigkeit, Akustik, Klimatisierung, Fahrleistungen, Verbrauch. Die CAE-Methoden werden über den gesamten Entwicklungsprozess des Karosseriechassis hinweg zur Anwendung gebracht, wobei die besondere Aufmerksamkeit den auf die Zeitschwingfestigkeit und die NVH-Qualität (Noise-Vibration-Harshness) bezogenen Leistungsvorgaben gilt. Vor allem die Zeitschwingfestigkeit des Chassis wird rechnergestützt entwickelt und freigegeben, wobei die verschiedenen Beanspruchungstypologien, die bei der experimentellen Freigabe am Prüfstand bereits im Einsatz sind, mit Hilfe von FEM-Modellen virtuell simuliert werden. Die große Kohärenz, die zwischen Berechnung und Versuchsreihe herrscht, wird vor allem durch die Geschlossenheit von Multibody-Berechnungsmethoden (dynamische Fahrzeugsimulation) und FEM-Berechnungsmethoden (strukturelle Berechnung der Spannungen und Ermüdungsschäden) sichergestellt.

Sogar Detailmerkmale wie solche, die sich auf die Qualität beziehen, sind Gegenstand eingehender computergestützter Untersuchungen. Anhand von Design-of-Experiments-Techniken werden alle mit der produktionstechnischen Veränderlichkeit in Zusammenhang stehenden Fälle erforscht (Geometrien, Materialeigenschaften, Passungen usw.), um sicherzustellen, dass keinerlei Verhaltensanomalitäten (Klopf-, Knirsch-, Knistergeräusche usw.) auftreten. In diesen Tätigkeitsbereich fällt auch die virtuelle Freigabe bezüglich des Schwingungsverhaltens des Lenkrades (Traverse und Lenksäule), der Geräuschentwicklung der Motor-Getriebe-Gruppe (strukturelle Eingriffe an den Verbindungsstellen) und der Rollgeräusche (Aufhängungspuffer und -lager).

Das Endergebnis dieses Entwicklungsprozesses ist der Fiat Bravo, ein in jeder Hinsicht innovatives und qualitativ hochwertiges Fahrzeug, das aus einem in der automobilen Welt einzigartigen Know-how heraus in Rekordzeit entstanden ist.

Ein Projekt, das zwei Gemeinplätze über virtuelle Prüfungen widerlegt

Bisher herrschte allgemein die Auffassung, dass die virtuellen Prüfungen die Testreihen an den zur Endfreigabe des Projektes benötigten physischen Prototypen nicht komplett ersetzen könnten. Im besten Fall wurde der Virtualität zugestanden, einige (bekanntlich wenig signifikante) Testzyklen an den ersten Versuchsmodellen ersetzt zu haben, oder aber gerade einmal bei der Endabstimmung und der Problemlösung nützlich zu sein. Dies ist auch der Grund, warum trotz bedeutender Nachteile (Langsamkeit, hohe Kosten, Notwendigkeit von Teststrecken und Versuchslabors) immer wieder auf die physischen Prototypen zurückgegriffen wurde, obgleich sich diese Methode oftmals sogar als veraltet erwies. Bei Fiat war das nicht anders. Bis zum Fiat Bravo.

Um zum einen die Zeiten und die Kosten zu senken und zum anderen einem so innovativen und ambitiösen Projekt wie dem des Fiat Bravo gerecht zu werden, war eine neue Herangehensweise an die Planung und Entwicklung gefragt. Unter Berücksichtigung des Leistungsvermögens der Hardware, das die Zunahme immer fortschrittlicherer computergenerierter Anwendungen vorangetrieben hat, bot das Team auf diesem Sektor die allerneuesten Ressourcen auf, wobei es nicht zuletzt auf das große Know-how zählen konnte, das sich das Unternehmen in vielen Jahren angeeignet hat und auch außerhalb der automobilen Welt hat überprüfen können. Kurz und gut, der Fiat Bravo ist das erste Fahrzeug, dessen Entwicklung sich von A bis Z komplett auf die virtuellen Prüfungen stützt.

Einem weiteren Gemeinplatz zufolge sind die virtuellen Prüfungen bestenfalls in der Lage, die entsprechenden physikalischen Experimentalversuche zu ersetzen. Das ist nicht richtig. Durch die Virtualisierung des Fahrzeugs steht eine praktisch unendliche Zahl von Prototypen für eine praktisch unbegrenzte Zahl von Tests zur Verfügung. Hierdurch wird es unter anderem möglich, die modernsten statistischen Methoden der Optimierung und des „Robust Design“ zur Anwendung zu bringen, was bedeutet, dass der Fiat Bravo virtuell sehr viel mehr Prüfungen unterzogen worden ist, als es mit den herkömmlichen Prototypen jemals möglich gewesen wäre; ganz abgesehen davon, dass mit diesen Tests eine Quantität an Informationen gemessen werden kann, die mit den traditionellen Versuchsreihen nicht zu bewältigen ist. Die Erstellung der Rechenmodelle und deren wiederholter Einsatz ermöglichen es den Fiat Ingenieuren nicht nur, sehr viel tiefere Einblicke in das Fahrzeug zu erhalten als in der Vergangenheit, sondern auch, das Fahrzeugverhalten bis ins kleinste Detail erforschen zu können. Auf diese Weise war es möglich, das Projekt zu „optimieren“ (d.h. es wurde ein höheres Qualitätsniveau bei gleichzeitig geringeren Gewichts- und Kostenmerkmalen erreicht) und „robuster“ zu gestalten (das Endprodukt wird im Laufe der Nutzungszeit seitens des Kunden unempfindlicher gegenüber den unvermeidlichen Produktionsverschiebungen und -abweichungen sein).