3D-CAD (Computer Aided Design) ist längst state of the art, wenn es darum geht, neue Maschinen, Anlagen oder Fahrzeuge zu entwerfen. Auch beim Bau von Schiffen und Offshore-Anlagen ist es mittlerweile selbstverständlich, auf IT-gestützte Konstruktionen zu setzen. Künftig sollen dreidimensionale Computermodelle die Ozeanriesen sogar über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg begleiten: Sie unterstützen Fachleute dann nicht nur während der Planungs- und Bauphase, sondern auch bei Wartung, Umbau und im laufenden Betrieb.

Länger als drei Fußballfelder zusammen und aus dem Wasser ragend wie ein 15-stöckiges Hochhaus: Wer neben einem Kreuzfahrt- oder Containerschiff der aktuellen Typengenerationen steht, kommt sich zurecht winzig vor. Ein Gesamtblick ist nur mit gehörigem Abstand möglich. Umgekehrt entschwindet bei einer Betrachtung einzelner Technikkomponenten oder Bauteile unvermeidbar das große Ganze aus dem Blickfeld. Programmen und Tools zur Erstellung und Bearbeitung dreidimensionaler CAD-Modelle wie sie im Maschinen- und Fahrzeugbau üblicherweise verwendet werden, ging es in der maritimen Industrie ähnlich: Die für das Handling eines virtuellen Schiffsmodells notwendigen Datenmengen sind hier ebenso eine Herausforderung wie dessen Komplexität. So werden für ein Schiff rund zehnmal so viele Bauteile benötigt wie für ein komplettes Flugzeug. »Trotz dieser hohen technischen Hürden arbeiten auch die Büros der Designer und Konstrukteure von Schiffen und Offshore-Anlagen heute zu 75 Prozent vollständig auf der Basis virtueller Schiffsmodelle und die übrigen 25 Prozent zumindest mit 3D-Unterstützung in Teilprozessen«, erklärt Prof. Dr. Uwe Freiherr von Lukas vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD. Möglich machen dies Erweiterungen bestehender 3D-Planungswerkzeuge und auf die speziellen Anforderungen der Branche zugeschnittene CAD-Lösungen.

Noch werden viele Vorteile der damit erstellten virtuellen Schiffs- und Anlagenmodelle jedoch bei weitem nicht genutzt. Eine vom Forum 3D maritim durchgeführte Umfrage in der deutschen maritimen Wirtschaft zeigt, dass in allen übrigen Phasen des Lebenszyklus eines Schiffes von Produktionsplanung, Fertigung und Qualitätssicherung bis zu Wartung und Betrieb die Durchdringung der 3D-Technologien gegenüber der initialen Design- und Konstruktionsphase erheblich abfällt. Im Rahmen des mit Unterstützung des Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgebauten Forums 3D maritim arbeiten Forschungseinrichtungen, Softwareunternehmen und Anwender der Branche gemeinsam daran, Entwicklung und Verbreitung neuer 3D-Anwendungen für die maritime Wirtschaft voranzubringen. Gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie entwickeln und erproben die Forscher am Standort Rostock des Fraunhofer IGD Einsatzszenarien, Lösungsansätze und Umsetzungsbeispiele für eine umfassende Nutzung der 3D-Schiffs- und Anlagenmodelle entlang des gesamten Lebenszyklus von Schiffen und Offshore-Projekten etwa im Bereich der Errichtung und des Betriebs von Windparks.

3D für Fertigung und Qualitätskontrolle

Bereits zwischen Konstruktionsplanung und der Ausführung der Arbeiten in der Werft reißt die digitale 3D-Unterstützung in der Regel (noch) ab: Üblicherweise werden die Vorgaben des 3D-Modells in zweidimensionale Detailpläne überführt. Die Aufbereitung der 2D-Zeichungen wie vollständige Bemaßungen, Abstand- oder Winkelangaben muss sehr sorgfältig ausgeführt werden und bedeutet entsprechend viel Zeit- und Personalaufwand. Zudem kann diese Vorgehensweise eine der typischen Fehlerquellen nicht vermeiden: Was in den Werften gefertigt wird, ist in den allermeisten Fällen ein Unikat oder höchstens eine Kleinserie. Umplanungen auch nach Beginn der Bauphase sind die Regel. Anhand der ausgedruckten Pläne wird am realen Schiff gleichzeitig auf Dutzenden von Baustellen gearbeitet. Erfolgt dies teils anhand Zeichnungen mit inzwischen veralteten Planungsdaten, sind kostspielige Nachbesserungen erforderlich. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützen Projekts »ARVIDA« erarbeiten und testen die Forscher am Fraunhofer IGD gemeinsam mit Partnern Lösungen für die papierlose Fertigung. Fertigungsaufträge werden als 3D-Modelle über eine Web-basierte Auftragsplattform an die Werker übergeben. Dies spare nicht nur die Kosten für die Zeichnungserstellung und -verwaltung ein, so von Lukas. »Jede Änderung an den Planungsdaten, die sich auf einen Auftrag eines Werkers auswirkt, wird nun auch sofort in seinen Arbeitsunterlagen berücksichtigt«.

Die 3D-Modelle der Planer bis an den Fertigungsarbeitsplatz zu bringen soll darüber hinaus künftig keine Einbahnstraße bleiben. Vielmehr testen die Forscher bereits Systeme, die mit Kameras und Sensoren die durchgeführten Arbeiten vermessen, in einem Ist-Soll-Vergleich die Qualität der Ausführung prüfen und die Daten der tatsächliche Ausführung zurück an das virtuelle Schiffsmodell senden. Wenn sich vor Ort herausstellt, dass Arbeitsaufträge etwas anders ausgeführt werden müssen als geplant, führt dies bisher noch dazu, dass reales Schiff und virtuelles Modell nicht mehr übereinstimmen. Durch das Zurückschreiben der Ist-Zustände in das virtuelle Modell dagegen entsteht ein eins zu eins Abbild. Mit derselben Methode lässt sich im virtuellen Modell über den gesamten Lebenszyklus hinweg jede Reparatur oder Umbaumaßnahme dokumentieren.

3D für Training und Betrieb

Die in der Konstruktionsphase erstellten 3D-CAD-Daten sind auch die Grundlage für den Einsatz von 3D-Technologien für das Training der späteren Crew oder Wartungstechniker. Virtual Reality Darstellungen des Schiffes ermöglichen bereits vor der Fertigstellung, sich mit den Örtlichkeiten an Bord vertraut zu machen, die Bedienung von Geräten und Anlagen zu üben oder auch Fehlerszenarien und ihre Behebung im virtuellen Schiffsbetrieb durchzuspielen. Auch für die Vision des autonomen Schiffsbetriebs - analog zum selbstfahrenden Auto - werden die virtuellen Duplikate der Schiffe eine Schlüsselrolle spielen. »Das Personal an Land muss dafür exakt einschätzen können, was auf und um das Schiff gerade passiert. Am 3D-Modell lassen sich die vom Schiff gesendeten Mess- und Zustandsdaten so visualisieren, als wäre der Bediener selbst an Bord«, so von Lukas.

Virtuelle Modelle in Fahrt bringen

Eine grundlegende Voraussetzung für den Einsatz von 3D-Technologien entlang des gesamten Lebenszyklus der Schiffe ist die technische und organisatorische Lösung von Datenweitergabe und Datenschutz. Einerseits werden offene, standardisierte Formate benötigt, die ein Weiterreichen der 3D-Modelle für verschiedenste Anwendungen ermöglichen. Zum anderen muss es möglich sein Daten von unterschiedlichen Besitzern und Quellen zusammenzuführen und gleichzeitig den Schutz des geistigen Eigentums der Urheber der Daten zu gewährleisten. Eine Grundlage hierfür erarbeitet die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstütze Initiative Industrial Data Space. Darauf aufbauend planen von Lukas und Mitstreiter aus dem Forum 3D maritim und dem Maritimen Cluster Norddeutschland einen spezialisierten Maritime Data Space, der die technischen und organisatorischen Besonderheiten von Schiffbau und Schiffsbetrieb berücksichtigt. (stw)

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