Die Produktivitätswirkung von Augmented Reality - Potenziale der Informationsversorgung in der Unikatfertigung

Axel Friedewald, Philipp Sebastian Halata, Nikolaj Meluzov und Hermann Lödding

Die Unikatfertigung ist oftmals von einem hohen Anteil manueller Arbeit geprägt. Ein wesentlicher Anteil der Mitarbeiterzeit dient der Informationsbeschaffung. Der Beitrag zeigt auf, wie Augmented Reality dazu beitragen kann, den Aufwand für die Informationsbeschaffung zu senken und die Produktivität zu steigern.

Neben dem Anlagenbau ist in Deutschland insbesondere der Schiffbau von der Unikatproduktion geprägt: Die deutschen Werften spezialisieren sich im internationalen Wettbewerb auf kundenindividuelle Spezialschiffe, Luxusyachten und Kreuzfahrtschiffe. Eigner und Passagiere erwarten ständig neue, einzigartige Attraktionen, sodass auch Nachbauten desselben Schiffstyps einen hohen Anteil von Modifikationen aufweisen. Durch die Vielzahl der zu verbauenden Komponenten entsteht eine hohe Komplexität, die sich im CAD-Modell bzw. den daraus abgeleiteten 2D-Zeichnungen widerspiegelt. Die Fertigungs- und Montagezeichnungen stehen wegen des hohen Arbeitsaufwands häufig erst spät zur Verfügung und enthalten oftmals nicht alle Informationen, die für die Durchführung der Arbeitsaufgabe erforderlich sind. Es wird daher eine Lösung benötigt, die dem Werker alle Informationen aufwandsarm und anwenderfreundlich direkt vor Ort zur Verfügung stellt.
Die Lösungsidee ist eine digitale Arbeitsunterlage, die den Werker schrittweise durch den Arbeitsprozess führt und ihm die benötigten Informationen anzeigt, beispielsweise mithilfe eines Augmented Reality-Tablets. Der Nachweis der Einsatzberechtigung für diese Technologie und der erreichbaren Verbesserungen soll im Folgenden durch eine systematische Produktivitätsanalyse für verschiedene Szenarien der Unikatproduktion erbracht werden.

Produktivitätsanalyse der klassischen Fertigung

Die Analyse von zwölf Werftbereichen im Schiffbau hat ergeben, dass der Informationsversorgung eine Schlüsselrolle zukommt: Die Werker verbringen häufig mehr Zeit damit, die erforderlichen Informationen zu sammeln, als sie für die eigentliche Durchführung der Arbeit benötigen [1]. In der Informationsbeschaffung verursacht die konventionelle 2D-Konstruktionszeichnung einen großen Teil des Aufwands: Erstens sind eine Vielzahl an Informationen auf begrenztem Raum komprimiert, sodass es schwierig ist, die erforderlichen Informationen zu finden. Zweitens muss der Werker oftmals fehlende Maße mit einem Lineal aus der Zeichnung abnehmen. Und drittens sind dreidimensionale Sachverhalte in der Zeichnung nur schwer erkennbar, sodass die Mitarbeiter der Fertigung oftmals Wege ins Meisterbüro in Kauf nehmen, um sich am Bildschirm einen räumlichen Eindruck der Arbeitsaufgabe zu verschaffen.
Auch in den fertigungsvorbereitenden Bereichen verursachen die Konstruktionszeichnungen hohe Aufwände: Aus den umfangreichen CAD-Modellen sind Zeichnungen abzuleiten und um Informationen zu ergänzen, die für die spätere Fertigung und Montage erforderlich sind. Besonders aufwändig ist die größtenteils manuelle Erstellung der Bemaßungen zwischen den Bauteilen.
Eine Analyse des Aufwands in der Arbeitsvorbereitung ergab, dass allein für die Zeichnungserstellung etwa 40 Prozent der Arbeitszeit benötigt werden, wobei dieser Aufwand anders als in der Serienproduktion nur auf ein Produkt umgelegt werden kann.


Digitale Arbeitsunterlage

 


Bild 1: Einsatz der digitalen Arbeitsunterlage (AR-Modus).

Augmented Reality (AR) ermöglicht es, Zusatzinformationen wie Geometrie- und Metainformationen in eine reale Umgebung einzublenden [2], beispielsweise mit einer AR-Brille oder einem Tablet-Computer. Für die Informationsversorgung in der Produktion haben AR-Geräte gegenüber Papierzeichnungen wesentliche Vorteile [3]: Sie können dreidimensionale Geometrien besser veranschaulichen und die Bauteilgeometrien am richtigen Ort und in der richtigen Orientierung in die Realität einblenden.
Die im Forschungsprojekt PROSPER entwickelte digitale Arbeitsunterlage soll eine zeichnungsfreie Informationsversorgung vor Ort ermöglichen. Das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung lag auf dem Bedarf der Werker, die relevanten Informationen schnell finden und aufnehmen zu können und dadurch die komplexe Arbeitsaufgabe schneller zu verstehen [4]. Dazu wurden zwei Verfahren entwickelt, um die für den jeweils nächsten Arbeitsschritt erforderlichen Informationen anzuzeigen (Bild 1). Im AR-Modus zeigt der Bildschirm der digitalen Arbeitsunterlage (Bild 2) das Livebild der Kamera und blendet zusätzliche Geometrieinformationen ein. Am rechten Bildschirmrand kann der Werker aus einer Bauteilliste das Bauteil auswählen, dessen Geometrie die Software anzeigt. Ergänzend lassen sich Zusatzinformationen wie Rohrdurchmesser oder Einbauanleitungen abrufen. Am linken Bildschirmrand lassen sich über eine Inhaltsauswahl weitere Informationen zuschalten. Die Bemaßung für die ausgewählten Bauteile ist ebenfalls einblendbar. Zum Abschließen eines Arbeitsschritts lässt sich eine Fertigmeldung und ggfs. eine Fehlermeldung (mit Kameraaufnahme) erzeugen.


Bild 2: Bildschirm der digitalen Arbeitsunterlage im AR-Modus [5].

Der CAD-Modus weist grundsätzlich die gleiche Funktionalität wie der AR-Modus auf. Er blendet die jeweils relevanten Informationen jedoch nicht in das Kamerabild, sondern in ein virtuelles 3D-Modell der Umgebung ein [6]. So lässt sich bereits außerhalb der Arbeitsumgebung ein Überblick gewinnen. Die Betrachtungsperspektive kann vom Werker über Standardansichten oder Touch-Gesten verändert werden.
Um die fertigungsvorbereitenden Bereiche nicht mit Mehraufwand für die Informationserstellung zu belasten, stellt die digitale Arbeitsunterlage Werkzeuge zur automatischen Datenaufbereitung zur Verfügung. Darüber hinaus vereinfachen und beschleunigen folgende Werkzeuge die Bedienung des Systems:
• Reihenfolgeplanung
Zur Begrenzung des Arbeitsaufwands führt die Arbeitsvorbereitung in der Unikatfertigung oftmals keine Planung der Verbaureihenfolge einzelner Teile durch, sondern teilt diese nur anhand einer Schätzung des Arbeitsaufwands in Arbeitspakete ein. Der Werker vor Ort entscheidet über die von ihm bevorzugte Montagereihenfolge. Die digitale Arbeitsunterlage erzeugt die Reihenfolge automatisch: Der Werker gibt Sortierparameter vor wie z. B. die Bauteilnummer oder die geometrische Anordnung (bspw. von links nach rechts), ist jedoch nicht an die angezeigte Reihenfolge gebunden.
• Bemaßung
In der schiffbaulichen Unikatfertigung sind Bemaßungen für den Einbau erforderlich. Die digitale Arbeitsunterlage berechnet die benötigten Maße aus den 3D-Modellen. Die zugehörigen Maßpfeile werden zusammen mit einer Maßbeschriftung eingeblendet und zur Verdeutlichung entsprechend der Messrichtung eingefärbt.

Produktivitätsverbesserung in der Sektionsfertigung

Um das Produktivitätspotenzial der digitalen Arbeitsunterlage abschätzen zu können, wurden unterschiedliche Testszenarien definiert. Zum einen wurde in zwei ausführlichen Laborversuchen mit 15 Masterstudierenden die digitale Arbeitsunterlage mit der Nutzung der 2D-Papierzeichnung verglichen. Zum anderen wurde in einer realen Testumgebung eine Montageaufgabe mittlerer Komplexität von Werkern unterschiedlicher Qualifikation bearbeitet.
Um in Laborversuchen die konventionellen (Papier) und digitalen (CAD, AR) Montageinformationen mit überschaubarem Material- und Zeitaufwand vergleichen zu können, wurden mehrere Testszenarien entwickelt, die die Zustände Informationsbeschaffung und -verarbeitung sowie Durchführung beleuchten. Dazu wurden Montageaufgaben mit drei verschiedenen Komplexitätsstufen entwickelt, die sich nach der Anzahl der zu verbauenden Ebenen, der Bauteilmenge und der Bauteilvielfalt unterscheiden.
Versuchsreihe 1 diente der Bewertung, ob sich die digitale Arbeitsunterlage zur Informationsbeschaffung und -verarbeitung eignet:
• Für einfache Aufgaben schneidet wie erwartet die Papierdarstellung gut ab. Bearbeitungsdauer und Zufriedenheit sind besser als bei einer AR-Informationsversorgung und nur geringfügig schlechter als die CAD-Informationsversorgung.
• In der hohen Komplexitätsstufe, die der realen schiffbaulichen Fertigung am nächsten kommt, benötigen die Probanden im CAD-Modus die geringste Zeit: Gemessen wurde ein Vorsprung von durchschnittlich 36 Prozent gegenüber AR und sogar 122 Prozent gegenüber der Papierzeichnung.
• Am wenigsten Fehler unterlaufen den Versuchsteilnehmern in dieser Stufe im AR-Modus, der hier etwas besser als der CAD-Modus abschneidet. Die Papierzeichnung ist für komplexe Aufgaben kaum geeignet.
• Bei der Zufriedenheit liegt der CAD-Modus in der niedrigen und mittleren Komplexitätsstufe vorne, in der hohen Komplexitätsstufe der AR-Modus, wobei die Unterschiede zwischen den beiden Modi der digitalen Arbeitsunterlage gering sind. Auffällig ist hingegen die Unzufriedenheit mit der Papierzeichnung in der hohen und mittleren Komplexitätsstufe.

In einer zweiten Versuchsreihe wurde die Eignung der Informationsmedien für die Qualitätskontrolle ermittelt. Versuchspersonen suchten dazu Fehler in einem Modell der hohen Komplexitätsstufe.
• Die AR-Lösung eignet sich am besten für die Fehlersuche: Die Teilnehmer benötigen am wenigsten Zeit und finden nahezu alle Fehler. Alle Versuchsteilnehmer bewerten ihre Zufriedenheit mit der höchsten Ausprägung.
• Mit der CAD-Lösung benötigen die Teilnehmer etwa 40 Prozent mehr Zeit, um die Fehler zu finden. Die Erfolgsquote beträgt 100 Prozent und die Zufriedenheit liegt eine Stufe unter dem Wert des AR-Modus.
• Am schlechtesten schneidet die Papierzeichnung ab: Die Teilnehmer benötigen weit mehr als die doppelte Zeit, übersehen 10 Prozent der Fehler und sind mit dem Verfahren unzufrieden.
Die digitale Arbeitsunterlage ist damit bereits für Aufgaben mit einer mittleren Komplexität insgesamt wesentlich produktiver einsetzbar als die konventionelle Papierzeichnung. Beide Modi weisen ihre Berechtigung für einzelne Arbeitsaufgaben nach.
Für die Praxisevaluation der digitalen Arbeitsunterlage hat ein Industriepartner einen an die reale Montage angelehnten Testraum konstruiert und gefertigt, der in den Versuchen mit Lüftungskanälen, Rohren und Haltern auszurüsten war. Der Arbeitsinhalt der Aufgabe betrug acht Stunden. Es wurden drei Versuche durchgeführt:
In einer Referenzmessung montierten erfahrene Werker die Bauteile unter Verwendung von Papierzeichnungen. Im zweiten Praxisversuch wiederholten Auszubildende die Montage unter ausschließlicher Verwendung der digitalen Arbeitsunterlage. Durch die Wahl von Auszubildenden sollte das Ausgleichen fehlender Informationen durch umfangreiche Vorkenntnisse und Erfahrungen verhindert werden. Im dritten Durchgang nutzten dieselben Werker wie im Referenzversuch die digitale Arbeitsunterlage, um die Produktivitätsverbesserung ermitteln zu können. Um Lerneffekte weitgehend ausschließen zu können, wurden zum einen die Bauteilpositionen geändert, da sonst vorhandene Markierungen oder Schweißpunkte Anhaltspunkte gegeben hätten, zum anderen wurde der dritte Versuch erst ein halbes Jahr nach dem ersten Versuch durchgeführt.


Bild 3: Werkerbewertung [6].

Wesentliches Ergebnis ist die Reduktion des Aufwands für die Informationsbeschaffung und verarbeitung gegenüber der Referenzmessung um ca. 19 Prozent. Bereits während der Evaluation äußerten alle Teilnehmer ausschließlich positives Feedback, die anschließende Beurteilung bestätigte dies (Bild 3 [6]). Vor allem die Werker hat die Benutzerfreundlichkeit der Anwendung überzeugt.
Wie eingangs erwähnt, ist es für die Produktivitätsverbesserung der Unikatproduktion unabdingbar, auch die Produktivität der Engineering-Abteilungen im Blick zu haben, die die Fertigungsunterlagen verantworten. Die Praxisversuche haben gezeigt, dass durch die automatische Bemaßung in der digitalen Arbeitsunterlage der hohe laufende Aufwand von 40 Prozent für die Zeichnungserstellung eingespart werden kann.


Übertragbarkeit auf ähnliche Unikatprozesse

Um die Eignung von Augmented Reality zur Produktivitätssteigerung der Unikatfertigung auf breiterer Basis abzusichern, wurden weitere exemplarische Einsatzfelder im Produktlebenszyklus eines Schiffs untersucht. Die bereits in [7] vorgestellte AR-Anwendung zur Angebotsvisualisierung und variantenplanung trägt z. B. wesentlich zu einer Aufwandsminimierung der Retrofit-Planung bei [8].
Um das Potenzial der digitalen Arbeitsunterlage auch für den Bereich der Zulieferer und Unterauftragnehmer zu ermitteln, wurde exemplarisch die Montage von Schaltschränken untersucht. Die betrachteten Schaltschränke sind individuell an das jeweilige Schiff angepasst und werden auf der Basis von Papierzeichnungen montiert, die mit einem E-CAD-System erstellt werden. Dazu werden die Schaltschränke zunächst mit zahlreichen Komponenten wie Stromschaltern, Schützen, Sicherungen und Reihenklemmen bestückt und anschließend mit Kabeln nach einem Kabelplan so verdrahtet, dass die zulässige Wärmeentwicklung in den jeweiligen Trassen nicht überschritten wird. Auch hier konnte in Summe eine Produktivitätsverbesserung von 16 Prozent gegenüber der klassischen Montage erreicht werden (Bild 4).


Bild 4: Schaltschrankmontage.

Auch bei der Wartung von Schiffskomponenten wird ein großes Potenzial erwartet, insbesondere, wenn es gelingt, zunehmend Wartungsaufgaben schon auf See durch das Bordpersonal zu erledigen und so teilweise Servicetechniker des Komponentenherstellers an Land zu ersetzen. Der Fokus liegt hierbei vor allem auf der Vermeidung von Fehlern bei der Wartung durch weniger erfahrenes Bordpersonal und eine Reduktion von Ausfallzeiten des Schiffs wegen außerplanmäßiger Wartung.
Die Beispiele verdeutlichen die Möglichkeiten der Produktivitätssteigerung von digitalen Arbeitsunterlagen für die Unikatproduktion. Um das volle Potenzial der AR-Unterstützung heben zu können, sind weitere Arbeiten zur Einbindung in die betrieblichen Abläufe und zur Integration von Unterauftragnehmern notwendig, die oftmals als KMU anderen Randbedingungen unterliegen als größere Unternehmen. Dies wird in dem gerade begonnenen Forschungsprojekt SUPER (Schiffbauliche Unikatproduktion mit Erweiterter Realität) untersucht.


Zusammenfassung und Ausblick

Zur Steigerung der Produktivität der Unikatfertigung wurde eine digitale Arbeitsunterlage entwickelt, die sowohl in der schiffbaulichen Sektionsfertigung als auch in weiteren Phasen des Produktlebenszyklus zu beachtlichen Verbesserungen geführt hat. Sowohl die Optimierungsbedarfe und anschließend auch die erreichten Verbesserungen in den direkten und indirekten Bereichen der Produktion konnten nachgewiesen werden. Bereits die entwickelten Prototypen fanden eine hohe Akzeptanz bei den Probanden. Nach dem Projektabschluss wurde der Prototyp von einem Startup mithilfe eines EXIST-Gründerstipendiums weiterentwickelt und steht nun für den industriellen Einsatz zur Verfügung.

Schlüsselwörter:

Unikatproduktion, Produktivität, Augmented Reality

Literatur:

[1] Lödding, H.; Friedewald, A.: Produktivität – Eine Voraussetzung für die Wettbewerbsfähigkeit der maritimen Wirtschaft. In: Forschungsschwerpunkt Maritime Systeme (Hrsg): Zukunft gestalten – Forschung und wissenschaftliche Ausbildung. Technische Universität Hamburg-Harburg 2014, S. 54-59.
[2] Azuma, R. T.: A Survey of Augmented Reality. In: Presence: Teleoperators and Virtual Environments 4 (1997) 6, S. 255- 385.
[3] van Krevelen, D. W. F.; Poelman, R.: A Survey of Augmented Reality Technologies, Applications and Limitations. In: The International Journal of Virtual Reality 9 (2010) 2, S. 1-20.
[4] Halata, P. S.; Friedewald, A.; Lödding, H.: Augmented Reality Supported Information Gathering in One-of-a-kind Production. In: Bertram, V. (Hrsg): 13th International Conference on Computer and IT Applications in the Maritime Industries (COMPIT ‘14), Proceedings. 2014, S. 489-503.
[5] Halata, P. S.; Friedewald, A.; Lödding, H.; Zimmermann, R.: Augmented-Reality-gestützte Montageanweisungen für Unikate. In: productivITy 20 (2015) 5, S. 27-30.
[6] Halata, P. S.; Friedewald, A.; Hillmer, A.: Augmented-Reality- gestützte Arbeitsunterlagen für die Unikatfertigung. In: v. Lukas, U. u. a. (Hrsg): Go- 3D 2015 Computergraphik für die Praxis. Rostock 2015, S. 65- 79.
[7] Titov, F.; Friedewald, A.; Lödding, H.: Augmented Reality zur kundenintegrierten Variantenplanung. In: Kersten, W.; Koller, H.; Lödding, H. (Hrsg): Industrie 4.0 – Wie intelligente Vernetzung und kognitive Systeme unsere Arbeit verändern, Hochschulgruppe Arbeits- und Betriebsorganisation e.V. (HAB). Berlin 2014, S. 297-316.
[8] Titov; F.: Technologiegestützte Angebotserstellung für den Umbau komplexer Investitionsgüter. Dissertation, TU Hamburg-Harburg 2016.