Was kann Augmented Reality in der Fertigung leisten?

Was mich auf der IMTS im vergangenen Jahr am meisten überrascht hat, ist die schiere Menge an ausgestellten Virtual und Augmented Reality (VR/AR)-Geräten. Die HTC Vive und die Oculus Rift waren recht oft zu sehen, doch noch viel mehr hat mich war die häufige Präsenz von Microsofts Hololens überrascht.

„Das sind mit Sicherheit nur Marketing-Gimmicks“, dachte ich. „Die Hersteller denken doch nicht ernsthaft darüber nach, AR schon in der Fabrikhalle einzusetzen, oder doch?“

Und selbst wenn AR bereit ist für den Einsatz in der Fertigung, sind die Hersteller selbst schon bereit für AR?

Was kann diese Technologie eigentlich über kommerzielle und Marketing-Anwendungen hinaus leisten?

Wie sich herausstellt, lautet die Antwort: So einiges!

Das Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum

Obwohl die Ideen hinter Augmented Reality schon seit einiger Zeit existieren, steckt die Technologie noch in den Kinderschuhen. Aus diesem Grund können die Terminologien etwas verwirrend sein. Der Titel dieses Artikels impliziert zum Beispiel, dass der Fokus auf Augmented Reality liegt, aber technisch gesehen geht es hierbei um „Mixed Reality“, was ein breiteres Feld ist.

Beide Konzepte können als Kontinuum verstanden werden, mit einer vollständig realen Umgebung an einem Ende seines Spektrums und einer vollständig virtuellen Umgebung am anderen Ende seines Spektrums. Dazwischen liegt die Augmented Reality, aber auch die Augmented Virtuality. Dieser Zwischenraum in seiner Gesamtheit stellt eine vermischte Realität, die Mixed Reality, dar.

Die Idee eines Realitäts-Virtualitäts-Kontinuums wurde erstmals vor mehr als zwei Jahrzehnten von Paul Milgram, einem Professor für Maschinenbau und Produktionstechnik an der University of Toronto, eingeführt.

Um das Kontinuum in einen Fertigungskontext zu setzen, stellen Sie sich das linke Ende (Reale Umgebung) als die traditionelle Fabrikhalle vor: Arbeiter, die Maschinen auf Basis von Informationen bedienen, die auf Ziffernblättern, Messgeräten oder Bildschirmen angezeigt werden.

Das rechte Ende (Virtuelle Umgebung) wird am Beispiel des Einsatzes von Virtual Reality in der Fabrikplanung veranschaulicht.

Beispiele für Augmented Virtuality in der Fertigung mögen dem Leser wenig intuitiv erscheinen, aber potentielle Anwendungen wären die Verwendung von Handperipheriegeräten zur Eingabe von Befehlen oder das Testen der Ergonomie in der VR-Fabrikplanung sein.

Für Augmented Reality hingegen gibt es zahlreiche Anwendungsbeispiele in der Fertigung, schauen wir uns also einige etwas näher an:

5 Anwendungen für AR in der Fertigung

Viele Hersteller haben damit begonnen, die Vorteile der Augmented Reality in einem industriellen Umfeld zu erforschen – ein Trend, der sich nur noch weiter verstärken wird, da sich die Hard- und Software für AR stetig verbessert. Aber wie bei jeder relativ jungen Technologie haben wir gerade erst begonnen, an der Oberfläche der Möglichkeiten zu kratzen, die Augmented Reality im Bereich der Fertigung bietet.

Dennoch erscheinen die Möglichkeiten schon heute überwältigend.

1. Komplexe Montageaufgaben

Im Rahmen der modernen Fertigung gilt es, Hunderte oder Tausende von Bauteilen in einer präzise abgestimmten Reihenfolge und so schnell wie irgend möglich zusammenzusetzen, und zwar unabhängig davon, ob Sie Smartphones oder Flugzeugtriebwerke herstellen. Jedes neue Produkt erfordert dabei eine neue Montageanleitung.

„Ihre Arbeitsanweisungen sind in der Regel PDF-Dokumente, die mühsam durchgearbeitet werden müssen. Außerdem sind es statische Dokumente und entsprechen damit nicht modernen Standards“, kommentiert Ash Eldritch, CEO und Mitbegründer von Vital Enterprises, einem Entwickler von Augmented-Reality-Software.

„Wir übertragen diese Instruktionen in Software und machen sie jederzeit in Ihrem Blickfeld sichtbar, freihändig und sprachgesteuert“, so Eldritch weiter. „Wir nehmen also die Arbeitsanweisungen mit den dazugehörigen technischen Zeichnungen und bspw. einem Video der Person, die die Prozedur zuletzt durchgeführt hat, und projizieren das alles auf die AR-Brille. Das bedeutet, dass Sie Ihre Hände an den Arbeitsgängen behalten können und den Montageort nicht verlassen müssen, um etwas zu überprüfen.“

Obwohl die Idee der Projektion von Montageinformationen auf ein Heads-Up-Display recht neuartig anmuten mag, hat sich diese Technologie bei der Unterstützung komplexer Montagearbeiten bereits bewährt und als erfolgreich erwiesen.

„Technisch gesehen wird AR bereits seit 20 Jahren für diese Art von Aufgaben eingesetzt“, so Milan Kocic, Business Development Manager für Product Experience und Innovation bei Hexagon Manufacturing Intelligence. Kocic hat einen äußerst interessanten, mit einem ziemlichen langen Titel ausgestatteten Job und ist der ideale Ansprechpartner in Bezug auf Augmented Reality im Bereich der Fertigung:

„Ich habe das Privileg, Events wie die CES und andere zukunftsweisende Messen besuchen zu dürfen, die normalerweise nicht direkt mit Hexagon MI’ s Geschäftsfeld zu tun haben, um mir anzusehen, in welche Richtung die Trends von morgen gehen. Was planen die großen Unternehmen? Wie entwickelt sich der Stand der Technik? Ich versuche vorherzusagen, was die Zukunft uns in zwei, drei, fünf oder zehn Jahren bringen wird.“

Das verschafft Kocic eine wertvolle Perspektive auf Zukunftstechnologien und ihren tatsächlichen Entwicklungsstand.

„In der Luft- und Raumfahrtindustrie haben Sie montageunterstützende Technologien mit Projektoren, die die nächste anstehende Platzierung von Verbindungsstücken und ähnliche Anwendungen vorführen. Was Augmented Reality diesen bestehenden Anwendungen hinzufügt, ist Größe und Leistungspotential. Es ist wie beim 3D-Druck: Die Drucker waren vor 20 Jahren sehr langsam und teuer. Jetzt sind sie lediglich billiger und schneller geworden.“

2. Instandhaltung

Neben der Unterstützung bei der Montage von Industrieprodukten kann Augmented Reality auch bei der Wartung von Produktionsanlagen eingesetzt werden. Mitsubishi Electric hat eine Technologie entwickelt, die Wartungsprozesse mittels Augmented Reality auf Basis eines 3D-Modells unterstützt. Diese Technologie ermöglicht es dem Anwender, den Ablauf der Inspektionsschritte auf einem AR-Display nacheinander zu bestätigen und die Inspektionsergebnisse mittels Spracherkennung einzupflegen.

„Wir glauben, dass die nützlichste Anwendung von AR die Wartung der Produktionsumgebung ist“, sagte ein Mitglied des Mitsubishi-Teams, das diese Technologie entwickelt. Zurzeit bestätigen Mitarbeiter vor Ort ihre Wartungsziele mittels Wartungshandbüchern. Der Prozess ist zeitaufwendig und mühsam für die Mitarbeiter, weil die Führung des Handbuchs und die Überprüfung des Wartungsziels parallel stattfinden müssen.“

Mitsubishi erwartet desweiteren, dass sein AR-System bei einer Vielzahl von Wartungsarbeiten eingesetzt werden wird, wobei einige Anwendungen über die industrielle Fertigung hinausgehen, darunter Inspektionen von Wasseraufbereitungsanlagen und der Bau elektrischer Anlagen.

Den Status einer Maschine durch einen einfachen Blick auf ein Augmented-Reality-Display sehen zu können, birgt enormes Potential, doch AR kann zu mehr als nur zur Fehlererkennung nützlich sein. Dieses Video der GRAphics and INtelligent Systems Group (GRAINS) von der Polytechnischen Universität in Turin zeigt, wie Augmented Reality auf Instandhaltungsprozesse angewendet werden kann:

Im vergangenen Jahr gab der Aufzugshersteller thyssenkrupp bekannt, dass seine Techniker die HoloLens-Technologie von Microsoft als Werkzeug im Wartungsbereich einsetzen werden. Mit HoloLens können Servicetechniker Probleme mit Aufzügen bereits im Vorfeld visualisieren sowie identifizieren und haben vor Ort einen ferngesteuert und freihändig bedienbaren Zugang zu technischen Daten und Expertenwissen.

„Als erster vollständig eigenständiger holografischer Computer auf Basis von Windows 10 hat Microsoft HoloLens Unternehmen und ganze Branchen auf innovative Weise verändert“, erklärte uns Scott Erickson, General Manager bei Microsoft HoloLens. „Durch die Nutzung der nahtlosen Skype-Erfahrung ohne zusätzlichen Einstellungsbedarf können die 24.000 Servicetechniker von thyssenkrupp ihre Aufgaben jetzt sicherer und effizienter erledigen. Dank der Sichtungsmöglichkeit von Service-Anfragen im Vorfeld des Einsatzes und die holografische, freihändige Fernsteuerung vor Ort konnte die durchschnittliche Dauer der Serviceeinsätze von thyssenkrupp um das Vierfache reduziert werden.“

Bei all diesen Eigenschaften ist nicht viel Fantasie erforderlich, um sich vorzustellen, wie die HoloLens oder ein ähnliches AR-Gerät in einem industriellen Umfeld für ähnliche Anwendungen eingesetzt werden könnte.

3. Expertenunterstützung

Die vorangegangenen Videos deuten auf eine weitere interessante Fertigungsanwendung für Augmented Reality hin: Expertenunterstützung. Diese Anwendungsform bezieht sich ebenfalls auf Wartungsaufgaben, wie Eldritch erläuterte:

„Wir leisten viel Servicearbeit vor Ort, bei der der Hersteller einer Anlage auch für Service und Instandhaltung zuständig ist, was die Anreise zum Einsatzort der Maschine einschließt. Bei räumlich sehr weit verteilten Fertigungsprozessen hat man dann eine Reihe von allgemeinen Inspektoren und eine Reihe von allgemeinen Technikern, aber nicht genug hochspezialisierte Experten, wenn die Dinge nicht nach Plan laufen, was manchmal unvermeidbar ist.“

„In diesen Fällen“, so Eldritch weiter, „muss man normalerweise seine Experten kommen lassen, aber wenn man eine Art „Sieh-was-ich-sehe“-Telepräsenz zur Verfügung hat, kann der Experte die Perspektive des Technikers einnehmen, der die jeweilige Wartung durchführt. Sie können außerdem auf dem Sichtfeld des Technikers Anmerkungen hinterlassen, um auf Aspekte hinweisen zu können, die für den Techniker jeweils von Bedeutung sind. So können Experten von überall aus Support bieten und Inspektionen durchführen.“

Dies deutet darauf hin, dass das viel beklagte Qualifikationsdefizit in der Fertigung eine technologische Lösung in Form von Augmented Reality finden könnte. Statt jeden Techniker oder Maschinenbediener einzeln zu schulen, könnten Unternehmen mittels AR-Technologie das vorhandene Wissen ihrer Mitarbeiter durch technisches Know-How ergänzen, das sie per Telepräsenz vermitteln.

Dies eröffnet auch neue Trainingsmöglichkeiten.

Kocic betonte: „Sie können Trainingsinformationen direkt über den tatsächlichen Komponenten und Baugruppen erscheinen lassen. So können Sie Training und Ausführung ideal kombinieren, was letztendlich die Erlernung und die Bedienung Ihrer Anlagen erleichtert. Das ist angesichts des allgemeinen Trends in der Produktion hin zu weniger qualifizierten Arbeitskräften besonders wichtig. Früher wurde die Messtechnik z.B. in Räumen mit kontrollierten Luftwerten durchgeführt. Nun findet sie direkt der Fabrikhalle statt und wird von Mitarbeitern übernommen, die keine speziell ausgebildeten Messtechniker, sondern in der Regel Fertigungsingenieure oder Bediener sind. Wie können Sie die benötigten Informationen also effektiver und effizienter zur Verfügung stellen? AR scheint auf diese Frage eine Antwort zu geben.“

4. Qualitätssicherung

Die Messtechnik im Allgemeinen und die Qualitätssicherung (QS) im Speziellen bieten zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für Augmented Reality. Dieses Video der CAQ AG Factory Systems, ein Entwickler von Qualitätsmanagement-Software, bietet einen Einblick in die Möglichkeiten, wie auch manuelle Inspektionen mit AR optimiert werden können.

Einige Hersteller haben bereits damit begonnen, die Möglichkeiten auszuloten, die sich durch den Einsatz von AR im Bereich der Qualitätssicherung bieten.

Im vergangenen Jahr berichtete SlashGear über ein Pilotprogramm in einem Porsche-Montagewerk in Leipzig. Eine Demonstration des Unternehmens zeigte Porsche Techniker beim Einsatz von Augmented Reality als Hilfsmittel im Qualitätssicherungsprozess.

Die Grundidee ist, dass Experten in der Qualitätssicherung Teile oder Baugruppen an den zu inspizierenden Fahrzeugen fotografieren und diese Bilder dann über ein Augmented-Reality-Overlay mit denen der Zulieferer des Unternehmens vergleichen können. Abweichungen lassen sich mittels des Overlays hervorheben, so dass die Porsche-Techniker das Problem einfach und schnell identifizieren können.

Wie SlashGear berichtete, sollen in der Produktion die Kameras auf lange Sicht direkt mit der cloudbasierten Teiledatenbank von Porsche verknüpft werden, um eine Echtzeitanalyse von Teilen und Baugruppen zu ermöglichen. Dies könnte die Inspektionszeiten erheblich verkürzen, würde aber auch den typischen Anwendungsnutzen von Augmented Reality untergraben und zugunsten automatisierter Anwendungen verschieben.

Airbus hat eine “Mixed Reality Application” (MiRA) eingesetzt, um digitale Modelle und Skizzen in Produktionsumgebungen zu integrieren und damit Montagearbeitern Zugriff auf komplette 3D-Modelle der produzierten Flugzeuge zu ermöglichen. Laut Airbus wurde MiRA auf den Produktionslinien A380 und A350 XWB angewendet, um die Integrität der sekundären strukturellen Halterungen zu überprüfen, die die Hydraulik und andere Komponenten fixieren.

„MiRA verbindet ein reales Objekt mit seiner digitalen DNA und verwandelt die Realität in eine interaktive Welt, in der direkt auf Informationen über das Objekt zugegriffen werden kann“, erklärte uns Nicolas Chevassus, Leiter der industriellen Prozesse bei Airbus Innovations. Wie Airbus berichtete, verkürzte MiRA die Inspektionszeit der 60.000 – 80.000 Halterungen im A380-Rumpf von 3 Wochen auf 3 Tage.

5. Automatisierungstechnik

Angesichts des scheinbar unaufhaltsamen Trends in der Fertigung zur zunehmenden Automatisierung könnte man sich fragen, ob Augmented Reality und Automatisierung im Wettbewerb zueinander stehen. Warum sollte man sich darum kümmern, den Zugang von Mitarbeitern zu Informationen zu verbessern, wenn diese Mitarbeiter bald ohnehin durch Roboter ersetzt werden?

Auf die Frage hin, ob AR mit der Automatisierung konkurriert oder kooperiert, antwortete ein Vertreter von DAQRI, dem Hersteller des DAQRI Smart Helmet:

„Der DAQRI Smart Helmet arbeitet Hand in Hand mit der Automatisierung, indem er gängige Protokolle und Standards verwendet und so konzipiert ist, dass er in Prozessleitsysteme und Histogramm-Software sowie SPS-, SCADA-, CMMS- und ERP-Systeme integriert werden kann. Informationen, die bisher dem Kontrollraum vorbehalten waren, stehen damit direkt auf dem Helm zur Verfügung, wo immer der Arbeiter sich gerade aufhält.“

Der DAQRI Smart Helmet – (Bild zur Verfügung gestellt mit freundlicher Genehmigung von DAQRI.)

Eldritch hingegen bot uns eine etwas andere Perspektive aus der Sicht eines Software-Spezialisten:

„Ich denke, es steht im Wettbewerb mit der Automatisierung, aber auf eine positive Art und Weise. Viele der Unternehmen, mit denen wir zusammenarbeiten, sind der Grund dafür, dass sich die Gewerkschaften Sorgen über den Wegfall von Arbeitsplätzen machen, der mit der Verbesserung der Effizienz von Arbeitern einhergeht. Aber was die Augmented Reality wirklich bezweckt, ist die intelligente Nutzung des Kontextbewusstseins auf Basis des Internets der Dinge, um Informationen über die Umgebung zu sammeln und diese dann an den einzelnen Arbeiter weiterzugeben.“

„Alle diese Technologien, die sich um das Themenfeld der künstlichen Intelligenz herum entwickeln, werden die Potentiale der Arbeiter stark erweitern. Ich nenne es Augmented Intelligence. Die Idee ist, dass man jemanden mit einem bestimmten Qualifikationslevel mittels künstlicher Intelligenz – insbesondere die Augmented Reality und das Internet der Dinge – schnell und effizient auf ein höheres Qualifikationslevel überführen kann.“

„Ich denke also, dass wir mit der zunehmenden Automatisierung von Arbeitsplätzen auch die Qualifikationen von Arbeitskräften deutlich erhöhen, was sie wettbewerbsfähiger auf dem Markt machen wird. Augmented Reality und Automatisierung mögen also kurzfristig konkurrieren, aber ich denke, dass es irgendwann ein harmonisches Zusammenspiel zwischen automatisierten Anlagen und menschlichen AR-Arbeitern geben wird.“

Kicic sah das ähnlich, mit besonderem Bezug zur Robotertechnik, die bereits heute in Fabriken eingesetzt wird:

„Automatisierungszellen sind meist von einem großen Käfig umgeben. Dann gibt es eine Reihe Roboter, die sich bewegen und Stationen beladen, abladen etc. Wie kontrolliert man ein solches Szenario? Es gibt vielleicht ein Dashboard oder einen kleinen Bildschirm, aber die können nur sehr begrenzt Informationen anzeigen, die auf mögliche Probleme hinweisen könnten.“

„Ich denke, dass AR ein viel kollaborativeres Werkzeug ist, in dem Sie zu einer Zelle gehen können, einige Feedbackfragen stellen und via AR Antworten erhalten können, die Ihnen die Details erklären – z.B. „Dieser Roboter braucht eventuell einen Service“ oder „Es gibt ein Problem mit dieser Ladestation“ – und dann einige statistische Daten von Messungen liefert, um Ihnen eine Orientierung zu geben. Das kann in der Folge den Produktionsablauf deutlich effizienter machen.

„Das ist meiner Meinung nach der große Vorteil von AR in der Fertigung: Es erlaubt Ihnen mit den Automatisierungszellen zusammenarbeiten, um alle möglichen Probleme zu lösen, die im Zuge des Produktionsprozesses auftauchen können“, fügte Kocic hinzu.

Fazit zu AR & VR in der Fertigung

AR in der Fertigung ist kein bloßes Marketing-Gimmick mehr. Die praktischen Anwendungen sind vorhanden und die potenziellen Vorteile sind enorm. Augmented Reality kann also definitiv viel leisten in der Produktion, aber vielleicht überrascht Sie eher die Tatsache, dass auch Virtual Reality zur Verbesserung von Produktionsprozessen genutzt werden kann.

Um mehr darüber zu erfahren, lesen Sie unser eBook 5 Applications for Virtual Reality in Manufacturing.