Visualisierung Wie Augmented Reality das Engineering verändert

Autor / Redakteur: Florian Haspinger / Stefanie Michel

Augmented Reality verspricht, Arbeitsabläufe im Engineering neu zu definieren. Viele in der Industrie sind jedoch noch skeptisch, was den konkreten Nutzen angeht. Konkrete Beispiele zeigen, welche Vorteile sich bieten und welchen Herausforderungen man sich stellen muss.

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Anhand der maßstabsgetreuen Visualisierung und Interaktion mit CAD-Modellen können Ingenieure Designentwürfe schnell bewerten und prüfen.
Anhand der maßstabsgetreuen Visualisierung und Interaktion mit CAD-Modellen können Ingenieure Designentwürfe schnell bewerten und prüfen.
(Bild: Simon Toplak/Holo-Light)
  • Sind die Voraussetzungen wie hochpolygonhaltige 3D-CAD-Daten und entsprechende AR-Brillen vorhanden, können Ingenieure bereits im Engineeringprozess Augmented Reality nutzen.
  • So konnte beispielsweise ein Automobilhersteller Konzeptaussagen im Vergleich zu einem Projekt ohne AR-Unterstützung bis zu 15 Monate früher treffen.
  • Ein Marine-Unternehmen wiederum nutzte ein AR-Eingabegerät im Fertigungsprozess zur Platzierung von Bauteilen und beschleunigte somit die Fertigung.

Wie werden Ingenieure, Konstrukteure und Industriedesigner künftig arbeiten? Industrieunternehmen beginnen zunehmend, Augmented Reality (AR) in ihre technischen Arbeitsabläufe zu integrieren. Dabei sind es – wie bei vielen Veränderungsprozessen – vor allem die Mitarbeiter, die über Erfolg oder Scheitern der Technologie entscheiden. Für sie muss erkennbar sein, wie AR sie im täglichen Einsatz sinnvoll unterstützt.

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Beispielsweise ermöglicht es der Augmented Reality Engineering Space („ARES“) des AR-Unternehmens Holo-Light Ingenieuren, 3D-CAD-Daten als Hologramme in realer Umgebung zu visualisieren, zu manipulieren und gemeinsam zu bearbeiten. Welche Anwendungsszenarien entstehen, welche Herausforderung AR als Basistechnologie stellt und welche Vorteile Anwender und Unternehmen damit erzielen, zeigen die folgenden Beispiele.

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Datenintensive Inhalte in der Prototypenentwicklung

Viele industrielle AR-Anwender können AR nur dann sinnvoll einsetzen, wenn sie auch hochpolygonhaltige 3D-CAD-Daten in Echtzeit und in hoher Qualität visualisieren können: etwa einen detailreichen Motor oder ein komplettes Auto mit vielen Millionen an Polygonen. Eine autarke AR-Datenbrille schafft reibungslos allerdings nur weniger als 1 Mio. Polygone. Aufgrund dieser begrenzten Rechenleistung müssen CAD-Modelle oft mit Polygonverkleinerungen vorbereitet werden.

Dies wiederum kann die Qualität der 3D-Modelle so stark einschränken, dass Visualisierungen in AR für den Engineering-Prozess wenig aussagekräftig sind. Bei der Konzeption und Prüfung neuer Fahrzeugmodelle beispielsweise, wo der Einsatz von Augmented Reality entscheidende Mehrwerte bietet, ist das ein No-go.

Denn die Produktion von passgenauen Prototypen ist zeit- und ressourcenaufwendig. Sie erfordert oft den Einsatz derselben Prozesse wie bei der Herstellung des Endprodukts. Insbesondere für kleine Serien sind Prototypen daher nahezu unerschwinglich. Der Bereich technische Integration eines bekannten deutschen Automobilherstellers nutzt daher den Augmented Reality Engineering Space mit Remote Rendering (Ares Pro), um neue Fertigungen schnell und kostengünstig auf ihre Realisierbarkeit zu prüfen.

Grosse Anlagen mit geringer Latenzzeit originalgetreu darstellen

Die Ingenieure laden die datenintensiven CAD-Dateien einfach per Drag and drop in die Software. Die integrierte Remote-Rendering-Technologie ermöglicht dabei die Auslagerung von anspruchsvollen Arbeitsprozessen wie Anwendungslogik oder Content Rendering. Das bedeutet, dass die Rechenleistung nicht vom Head-Mounted Display (HMD) selbst kommen muss, sondern kann von einem leistungsstarken, eigens kontrollierten lokalen Server (oder auch aus der Cloud) bereitgestellt werden. Detailreiche Einzelkomponenten, ganze Autos oder gar Produktionsanlagen lassen sich so mit extrem geringer Latenzzeit originalgetreu darstellen.

Anhand der massstabsgetreuen Visualisierung und Interaktion mit zuvor in CAD-Programmen erstellten Konzepten und Prototypen können die Ingenieure nun die Erreichbarkeit, Einbaumöglichkeiten und Einsehbarkeit relevanter Montagepunkte in komplexen Systemen sofort nachvollziehen. Vor allem das Überlagern der realen Geometrie (beispielsweise eine Karosserie) mit holografischen 3D-Modellen bietet ihnen eine flexible und kostengünstige Methode, verschiedenste Varianten eines Konzepts in Minuten zu beurteilen. Gemeinsame Design Reviews in AR helfen zudem, unstimmige Details oder leicht zu übersehende Konstruktionsfehler bereits in den frühen Produktentstehungsprozessen zu erkennen. Der Automobilhersteller konnte Konzeptaussagen im Vergleich zu einem Projekt ohne AR-Unterstützung bis zu 15 Monate früher treffen.

Die präzise Interaktion mit virtuellen Inhalten ist eine weitere Anforderung, die viele Industrieunternehmen stellen. Kein Hersteller hat aber bislang die optimale Bedienung für Augmented-Reality-Lösungen gefunden. Microsofts AR-Brille Hololens 2 verzichtet gar komplett auf zusätzliche Eingabegeräte und verlässt sich auf Gesten und Fingerbewegungen. Durchaus intuitiv, für präzise Arbeiten, Messungen und Bewegungen allerdings zu ungenau. Einen neuen Präzisionsstandard soll jetzt das AR-Eingabegerät Stylus XR von Holo-Light setzen. Das stiftähnliche Device erfasst dank Tracking mit Künstlicher Intelligenz Bewegungen in einer AR-Umgebung auf 1 bis 3 mm genau.

Beispiel Thyssenkrupp Marine Systems: Kaum noch Einbaufehler

Zum Einsatz kommt der AR-Stift bereits bei Thyssenkrupp Marine Systems. Das Marine-Unternehmen gestaltet die aufwendige Vermessung und Qualitätsprüfung von Bauteilen im Fertigungsprozess von U-Booten nun digital. Mehrere Tausend Bauteile müssen hier ausgerichtet, eingeschweisst und überprüft werden. Die Lage und Ausrichtung von Bolzen und Schrauben bestimmten die Vermessungsingenieure bis dato meist anhand analoger 2D-Papierpläne, was zeitintensiv und auch fehleranfällig ist.

Mit der Kombination aus AR-Software und -Hardware ist der Arbeitsvorgang jetzt kürzer und einfacher. Im Büro kann der Ingenieur das 3D-Modell in die Ares-Software laden, die Koordinaten zum Referenzieren von Schrauben und Bolzen definieren sowie auf die Datenbrille Hololens 2 hochladen. Die Koordinaten können dann mit dem Stylus XR ausgewählt werden. Virtuelle Bauteile geben dabei die Markierungen vor und beinhalten optisches Feedback zur richtigen Platzierung.

Im U-Boot selbst markiert der Ingenieur mit dem AR-Eingabegerät und anhand der Überlagerung von virtuellen 3D-Modellen und realer Umgebung passgenau die Stellen, an denen eine Schraube montiert werden soll. Nach der Montage kann der Ingenieur durch die Augmented-Reality-Brille und Software einen Soll/Ist-Abgleich vornehmen. Der Ressourcenaufwand ist folglich deutlich geringer, Planungsfehler fallen schneller auf und auch Einbaufehler sind kaum mehr möglich. Dadurch lassen sich massiv Kosten und Zeit einsparen, während sich Qualität und Geschwindigkeit in der Fertigung erhöhen.

Beispiel BASF: Plan der Fabrik und Realität zusammenführen

Weitere Vorteile von Augmented Reality zeigen sich in der Fabrikplanung. Die Planung eines kompletten Werkes oder neuer Baugruppen kann am Computer ohne reale Referenz knifflig sein. Fabriken verändern sich ständig, da neue Maschinen installiert und Rohrsysteme geplant werden müssen. Daten im System aber veralten. Aktuell ist eigentlich nur, was sich im Feld befindet. Der digitale Plan und die Realität driften daher zu oft auseinander. Daraus resultierende Konstruktionsfehler führen zu Downtimes, Fehlplanungen lassen Kosten in die Höhe schiessen.

BASF suchte daher eine Lösung, um die digitale und die reale Welt zusammenzuführen. Das Chemieunternehmen benötigte ein Tool, um Komponenten in den Fabriken – also vor Ort – massstabsgetreu in der bestehenden Umgebung zu visualisieren und zu bearbeiten. Auch eine Rückführung der Daten für die weitere Planung sollte möglich sein. Heute nutzen die BASF-Ingenieure für die Planung und Erweiterung von Zwischenproduktanlagen am Standort Ludwigshafen die AR-Software Ares in Kombination mit Microsofts AR-Brille Hololens.

Mithilfe des Augmented Reality Engineering Space holen sich die Ingenieure geplante Rohrleitungen und Baugruppen direkt an ihren vorgesehenen Zielort. Anhand des digitalen Zwillings lässt sich somit schnell feststellen, ob Planung und Realität vereinbar oder noch Änderungen im Projekt erforderlich sind. „Was-wäre-wenn“-Testszenarien verschaffen den Ingenieuren zudem ein besseres Verständnis ihrer geplanten Fabrikanlage. Und auch während der Engineering-Phase hilft die Kontrolle vor Ort, Abweichungen frühzeitig zu bemerken und zu beheben, bevor sie zu Folgeproblemen führen.

Die Fabrikplanung ist auch seit jeher eine Disziplin, die von diversen Einflüssen aus verschiedenen Fachbereichen geprägt ist. Belange des Maschinen‐ und Anlagenbaus treffen auf die Belange des Bauwesens und der Architektur. Der AR-Arbeitsplatz fungiert zugleich als Kollaborationsumgebung, um verschiedene Stakeholder zusammenzuführen. Die Software-Suite ermöglicht ein standortunabhängiges, reibungsloses Bearbeiten komplexer 3D-Modelle in einem kollaborativen Raum.

Dieser Beitrag ist zuerst auf unserem Partnerportal maschinenmarkt.vogel.de erschienen.

* Florian Haspinger ist Mitgründer und CEO bei der Holo-Light GmbH in 85737 Ismaning, Tel. (00 43-6 64) 88 23 46 32, info@holo-light.com

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