Virtual Reality im Sondermaschinenbau

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Gerade Unternehmen, die projektbezogen arbeiten, beispielsweise im Anlagenbau, Sondermaschinenbau und Schiffbau, müssen oft sehr komplexe Projekte planen und ausführen. Aufgrund des Unikat-Charakters eines jeden Produkts ergibt sich ein hoher Testbedarf. Oft handelt es sich um eine Neuentwicklung, der Prototyp entspricht im Prinzip dem Produkt. Bei der Fertigung nach „Stückzahl 1“ steigt daher die Notwendigkeit eines umfangreichen virtuellen Prototypings. So lassen sich böse Überraschungen bei der Montage, Inbetriebnahme oder Wartung vermeiden. Dementsprechend gibt es eine Reihe von Indikatoren, die den Einsatz virtueller Techniken nahelegen. Dazu zählen die Länge von Entwicklungszeiten, die Anzahl der Korrekturschleifen, die Anzahl von Abstimmungsmeetings und Dienstreisen, Aufwände für Angebotsnachbearbeitung und Auftragskorrektur, spät erkannte Probleme in Fertigung und Montage, Fertigungs- und Montagezeit, Durchlaufzeit, die Anzahl an Arbeitsunfällen, die Anzahl von Fehlern in Bedienung/Service/Installation, die Anzahl an Rückrufen sowie die Kundenzufriedenheit.

Styling und Design

Innerhalb des Produktdesigns ist das Design der Träger verschiedener Funktionen: dazu zählen die praktischen Funktionen (Funktionalität, Ergonomie, Sicherheit, Gebrauchstauglichkeit, Benutzerfreundlichkeit, Wartung und Pflege), die produktsprachlichen Funktionen (formalästhetische, zeichenhafte, semantische, Anzeichen, symbolische), die ökologischen Funktionen (Lebens­zyklus, Entsorgung) und die ökonomischen Funktionen (Herstellungsaufwand, Komplexität,  Herstellungstechniken, Anzahl  Fertigungsschritte, Materialien, Materialvielfalt, -komplexität, Transport- und Lageraufwand). Digitale und immersive Designtechniken sind hier ein probates Mittel des Frontloadings. In der Entwicklung von Sondermaschinen können fotorealistische Abbildungen digitaler Prototypen im Rahmen von Design-Reviews verwendet werden, um frühe Entwicklungsphasen zu betonen. Alternative Produktkonzepte werden vorangetrieben und frühes Ergebnis-Feedback eingeholt. Schnelle Entwicklungszyklen als aktives Prozesselement unterstützen dabei, die Spezifikation des Produkts zu entscheiden. 1:1-Großprojektionen befördern nicht nur die Gruppendiskussion, sondern lassen mittlerweile eine direkte Vergleichsmöglichkeit zwischen der bereits existierenden und der virtuellen Maschine zu.

Virtuelle Mock-Ups

Oftmals treten Konstruktionsfehler und falsch ausgelegte Komponenten erst bei der Montage des Prototypen zutage, bei dem alle Einzelteile zu einer funktionalen Einheit zusammengebaut werden. Die Folgen sind erhebliche Revisionskosten für konzeptuelle Änderungen. Aufgrund der hohen Komplexität lassen sich Sondermaschinen nicht ohne weiteres in Untergruppen zerlegen und analysieren, da die Einzelbauteile untereinander in Beziehung stehen. Um diesem Problem zu begegnen, bedarf es eines integrierten Simulationskonzepts, das das Produkt als Ganzes betrachtet und alle seine Komponenten digital abbildet. Der virtuelle Mock-Up (VMU) ist der virtuelle Gesamtzusammenbau der Maschine einschließlich aller notwendigen Gewerke wie Elektrik und Hydraulik. In der VMU-Konstruktionsvisualisierung wird auf Kollisionen geprüft und der Bauraum optimiert. Flexible Bauteile wie Kabel und Schläuche waren an dieser Stelle früher problematisch – mittlerweile lassen sie sich sogar in Echtzeit virtuell verlegen. Auch um die Eignung der Sondermaschine für den Service zu überprüfen, wird der virtuelle Gesamtzusammenbau eingesetzt: hier lassen sich ebenfalls bereits sehr früh, bevor auch nur die erste physische Maschine existiert, Aussagen treffen zur visuellen und manuellen Zugänglichkeit, mit und ohne Werkzeug. Zudem sind theoretisch alle Varianten aus sämtlichen Perspektiven überprüfbar.

Prozess-Simulation zur Absicherung

Im Bereich der Prozess-Simulation wird Virtual Reality (VR) zur Absicherung des Fertigungsprozesses auf der Maschine genutzt. Anwendungen gibt es heute für die Umformtechnik, das Gießen, spanende Fertigungsverfahren oder die Lackiertechnik. Vielfach beruhen VR-Anwendungen hier auf einer Weiterverarbeitung (Post Processing) von Daten aus der physikalischen Simulation, beispielsweise aus den Bereichen Computational Fluid Dynamics (CFD) oder Finite-Elemente-Analyse (FEM). Die dort üblichen Metaphern wie Fehlfarbendarstellung kann man übernehmen, gleichzeitig lassen sich weitere Techniken in der virtuellen Realität einsetzen: dazu zählen das Überhöhen, die komparative Darstellung, die subtraktive Darstellung, die Superposition, die kombinierte Darstellung von 2D und 3D, Schnitte, Proben, Zeitraffer und Zeitlupe. Großprojektionssysteme kommen zum Einsatz, um Gruppendiskussionen – auch über Fachgrenzen hinweg – zu unterstützen. Liegen bereits physische Prototypen vor, anhand derer der Fertigungsprozess getestet wurde, ist der Einsatz von Augmented Reality (AR) für die Superposition denkbar: neue, andere Verfahrensergebnisse lassen sich auf den bestehenden Prototypen überblenden, Unterschiede sind unmittelbar sichtbar.

Evaluieren von Automatisierungstechnik

Sowohl das Prototyping, die Inbetriebnahme als auch Aspekte des Arbeitsschutzes (Unfallschutz, Überprüfung Greifräume/Trennsysteme/Absperrungen) von Automatisierungstechnik kann man mit VR-Anwendungen vorab evaluieren. Beim Prototyping von Automatisierungstechniken kann durch Offline-Programmierung und virtuellen Tests die Sensorik und Aktorik ausgelegt und optimiert werden, um Kollisionen und Deadlocks zu vermeiden. Durch Teilsimulationen (Hardware in the Loop) lässt sich der Anlauf einer Inbetriebnahme unterstützen.

Virtuelles Training spart Zeit und Kosten

In virtuellen Umgebungen können Positionswissen, Strukturwissen, Verhaltenswissen und Prozedurwissen an einer Maschine simuliert und hierdurch ohne Gefahr für die Gesundheit sowie spezifische Sprach- und Fachkenntnisse trainiert werden. Virtual Reality in Verbindung mit der technischen Dokumentation erleichtert erheblich Wartungs-, Reparatur und Instandhaltungsleistungen mit Hilfe von Serviceeinsätzen an der Sondermaschine vor Ort. Konkret lassen sich beispielsweise mit Augmented-Reality-Lösungen beim Werkzeugeinsatz die nächsten Arbeitsschritte im Blickfeld des Betrachters anzeigen oder die Erfassung des aktuellen Zustands (Demontage, Steuerung) mit dem visuellen Soll-Zustand vergleichen.

VR bietet Mehrwerte für das Marketing

Im Bereich Marketing hat sich Virtual Reality bereits in vielen Industriezweigen als wichtiges Kommunikationsinstrument durchgesetzt. Die dort realisierten Mehrwerte sind auch für den Sondermaschinenbau aufgrund vielfältiger Vorteile von großem Interesse. Komplexe und große Produkte werden beispielsweise virtuell im Betrieb gezeigt und sorgen so nicht nur für ein gemeinsames Verständnis und eine bessere Kommunikation mit den potenziellen Kunden, sondern auch innerbetrieblich und abteilungsübergreifend im Herstellerunternehmen selbst. VR bietet einfache detaillierte Einblicke in eine Maschine, die man sonst nur unter großem Aufwand erhält. Bei Messeauftritten lassen sich Transport- und Aufbaukosten für aufwändig zu bewegende Anlagen einsparen. Darüber hinaus wird durch das einfache Ausblenden kritischer Details eine bessere Geheimhaltung in einer Produktpräsentation erzielt. Der größte Mehrwert beim Einsatz von Virtual Reality im Marketing besteht mit Sicherheit in der individuellen Präsentation einer Maschine beim Kunden. Besser noch: Der Kunde gestaltet sein spezifisches Produkt selbst. In Verbindung mit Produktkonfiguratoren kann man individuelle Kundenwünsche aufnehmen und trotz riesiger Kombinationsmöglichkeiten Planungs- und Entwicklungszeiten verringern. Gleichzeitig lassen sich frühe Aussagen zu Lieferbarkeit, Lieferzeitpunkt und Preis treffen. Das systematische Variantenmanagement ist fast beliebig skalierbar. rt |

Marc Cannarozzi und Dr.-Ing. Christoph Runde arbeiten beim Virtual Dimension Center Fellbach.

  • Ergonomietests für Gabler. Bild: ESI Group
  • Das Bild zeigt die Strömung in einer Reinraumanlage von Optima. Bild: HLRS
  • Virtuelle Techniken erleichtern das Training der Anlagen­bedienung. Bild: RIF e.V.
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