Um neue Produkte effizient, in immer kürzeren Abständen, immer kleineren Loszahlen und in immer größerer Variantenvielfalt herzustellen, muss jeder einzelne Montageabschnitt genau vorbereitet werden. Dabei simulieren die Planer die Montage mit Hilfe des Cardboard Engineerings. Dies bietet sich vor allem dann an, wenn die Bauteile und Werkzeuge des zu montierenden Produkts bereits vorhanden sind und nicht nur als Skizze am PC existieren. Mit Hilfe von Augmented Reality können Forscher aber auch dieses Problem elegant lösen.

Ein Griff nach links. Ein Griff nach rechts. Beide Bauteile zusammenstecken. Unter den Schrauber auf dem Werkstück positionieren. Noch zwei Schrauben aus der Schüttgutlade darunter einsetzen. Einige weitere Arbeitsschritte später ist der gesamte Scheinwerfer fertig montiert. So zumindest »erlebt« der Planungsingenieur beim Automobilzulieferer HELLA die Szenerie. In Wirklichkeit gibt es die Werkstücke, mit denen er gerade hantiert, allerdings lediglich als CAD-Modell auf den Computersystemen der Produktentwicklung. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und dem Europäischen Sozialfond geförderten Projekt »IviPep - Arbeit 4.0« entwickeln und testen Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Entwurfstechnik Mechatronik IEM und der Universität Bielefeld gemeinsam mit HELLA den Einsatz von Augmented Reality-Technologien bei der Montageplanung.

Montage: Cardboard Engineering der Zukunft

Dass die Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in der Produktion möglichst reibungslos, sicher und fehlerfrei arbeiten können, ist keine Selbstverständlichkeit. Denn jeder ihrer Arbeitsplätze muss in Hinblick auf die zu bearbeitenden Bauteile, die erforderlichen Werkzeuge sowie die Effizienz und die Ergonomie der Bewegungsabläufe optimal gestaltet werden. Eine grundlegende Methode, um künftige Arbeitsplätze zu planen, ist das Cardboard Engineering. Das Planungsteam baut dazu die Montageplätze erst einmal als Cardboard Mock-Up auf. An einem solchen 1:1 Werkplatz-Modell lässt sich einerseits das Agieren bei der Montage real erproben. Und andererseits lassen sich alle Details von der Höhe und Neigung der Regalböden, die Anordnung der Stückgutbehälter sowie Breite, Tiefe, Höhe und Bestückung des Werktisches mit verhältnismäßig geringem Aufwand mit einfachen Mitteln so lange verändern, bis die Ideallösung gefunden ist. Dennoch bleibt diese Methode viele wichtige Antworten schuldig. Denn die Planer müssen mit Objekten und Vorgängen arbeiten, die real noch gar nicht existieren: »Die Planung der Montagearbeitsplätze muss frühzeitig beginnen. Dies bedeutet aber auch, dass die Bauteile, die hier zu bearbeiten sind, meist selbst noch im Entwicklungsstadium sind«, sagt Michael Bansmann vom Fraunhofer IEM.

Foto eines Mannes am Cardboard, an dem reale und über AR sichtbare Montageelemente zur Testen des Ablaufs vorliegen.
Die Planung von Montagearbeitsplätzen mittels Cardboard Engineering ist seit langem bewährt - Augmented Reality erweitert die Planungsumgebung nun zum sogenannten Mixed Mock-Up. Die aus den CAD-Entwürfen der Produktentwicklung erzeugten virtuellen Werkzeuge und Bauteile ermöglicht es, Montageabläufe am Cardboard Mock-Up des Arbeitsplatzes frühzeitig und realitätsnah zu erproben. Bild: Fraunhofer IEM

Um dennoch die Arbeitsroutinen so realitätsnah wie möglich erproben zu können, arbeiten Fraunhofer IEM und HELLA mit einem Setup, bei dem sie die bewährten Cardboard Mock-Ups zu einem sogenannten Mixed-Mock-Up erweitert haben: Über eine Augmented Reality Brille werden die zu bearbeitenden Bauteile auf dem Testarbeitsplatz in das Sichtfeld der Handlungspersonen eingeblendet. In Kombination mit dem Einsatz von Handcontrollern kann der Montageplaner nun die virtuellen Bauteile aus den Stückgutbehältern entnehmen und alle Montageabläufe realitätsnah simulieren.

Mit Mixed Mock-Up effizienter planen

Durch die innovative Planungsmethode mit Augmented-Reality-Unterstützung wollen die Projektpartner eine ganze Reihe von Vorteilen realisieren: »Durch das Hantieren mit den virtuellen Bauteilen ist es künftig möglich, deren Darstellung zu jedem Planungszeitpunkt aus den aktuellen CAD-Daten der Produktentwicklung zu erstellen«, erklärt Bansmann. Die Planer arbeiten also immer mit dem neuesten Stand. Und zusätzlich biete die virtuelle Unterstützung neue Möglichkeiten zur Dokumentation und Archivierung der Planungsprozesse. Gespeicherte Daten der Testläufe etwa erleichtern es, bei neuen Montageprojekten an den Aufbau bereits optimierter Arbeitsplätze anzuknüpfen. Während bisher die Cardboard Mock-Ups nur umständlich mit Fotos und schriftlichen Aufzeichnungen dokumentiert werden konnten, stehen die gesammelten Best-Practice-Lösungen künftig als digitale Bibliothek der Mixed Mock-Up-Einsätze zur Verfügung.

Planen mit AR-Unterstützung: von der Idee in die Praxis

Mit der fachlichen Expertise von Matthias Pretzlaff und Dr. Michael Niehues von HELLA entwickelten die Projektpartner einen ersten Demonstrator. An ihm hatten inzwischen bereits einige Mitarbeiter der Planungsteams des Automobilzulieferers die Gelegenheit, die grundlegende Funktionsweise des Mixed Mock-Ups zu erproben. Die dabei gemachten Erfahrungen nutzen die Systementwickler nun für den Aufbau eines praxisfähigen Prototypen, der bei HELLA schließlich im Rahmen echter Planungsprojekte eingesetzt und weiterentwickelt werden soll.

Unabhängig von diesen ersten Realtests bei HELLA arbeiten die Forscher am Fraunhofer IEM zusätzlich daran, das Mixed Mock-Up-Equipment um weitere Funktionen und Technologien zu erweitern und so die Methode noch benutzerfreundlicher zu gestalten. Dazu zählt etwa die Möglichkeit, während eines Testlaufs die »Sichtweise« des am Mixed Mock-Up agierenden Montageplaner auch an andere Bildschirme zu streamen. Seine Kollegen lassen sich dadurch mit in den Versuchsprozess live einbeziehen und können parallel dazu Verbesserungen diskutieren. »Da der Videostream zudem natürlich ortsunabhängig und damit auf jeden beliebigen Bildschirm übertragbar ist, können sich so jederzeit auch Fachleute anderer Standorte kurzfristig an einem Testlauf beteiligen«, ergänzt Bansmann.

Außerdem hat das Testszenario am Demonstrator gezeigt, dass das Hantieren mit den Bauteilen über die Handcontroller noch verhältnismäßig umständlich ist und die Bewegungsabläufe im Bereich der Hände dabei nicht der Arbeit mit den realen Bauteilen entspricht. Hier wollen die Forscher daher noch den Austausch der Handcontroller gegen Forced-Feedback-Handschuhe testen, um auch im Bereich der Haptik und der Detailbewegungen von Fingern und Händen eine möglichst realitätsnahe Erfahrung zu erreichen. »Forschungsbedarf sehen wir zudem noch bei der virtuellen Darstellung spezieller Eigenschaften von speziellen Gegenständen«, so Bansmann. Bei einem Kabel beispielsweise sei das Biegeverhalten während des Hantierens bisher noch nicht realitätsnah darstellbar. (mab)

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