Digitalisierung

Virtual und Augmented Reality: Wofür BMW die Technik einsetzt

| Autor: Thomas Günnel

Einbauort- und lage eines Bauteils erhält der Werker in der Augmented-Reality-Brille angezeigt: Die Anwendung ist nur ein Beispiel, wie der Automobilhersteller BMW virtuelle Realitäten einsetzt.
Einbauort- und lage eines Bauteils erhält der Werker in der Augmented-Reality-Brille angezeigt: Die Anwendung ist nur ein Beispiel, wie der Automobilhersteller BMW virtuelle Realitäten einsetzt. (Bild: BMW)

Virtual und Augmented Reality: Die Begriffe stehen für neue Möglichkeiten in Planung und Konstruktion. Es gibt aber weitere Einsatzgebiete. Einige davon zeigte der Automobilhersteller BMW bei einem Termin Anfang April in München.

„Second Life“: Die virtuelle Welt, die das amerikanische Unternehmen Linden Lab im Jahr 2003 vorstellte, entfachte einen Hype um künstliche 3-D-Welten – der fast so schnell wieder verschwand, wie er entstanden war. Virtuelle Realitäten sind aber inzwischen weit mehr als ein Hype: Vor allem in Planung und Konstruktion ersetzen sie nach und nach klassische Prozesse.

Wie das bei einem Automobilhersteller aussehen kann, zeigte BMW Anfang April am Standort München. Hier rollt seit kurzem der neue 3er vom Band – und der Münchner Automobilhersteller nutzte die Technik unter anderem, um dessen Produktionsanlauf zu planen. Die virtuelle Welt erlaubt es, vollständige Produktionsanlagen zu simulieren und Produktionsprozesse zu testen, ohne in die bestehende Produktion einzugreifen.

In kürzerer Zeit planen

Deutlichster Vorteil der Methode: sie geht schnell. Viel schneller als die klassische Planung – dabei wurden neu zu planende Takte abgebaut, um danach die neuen Anlagen mittels Papp-Aufbauten zu simulieren und zu vermessen, die sogenannten Probeaufbauten. „Heute können wir mittels eines Laserscanners in rund 30 Minuten den entsprechenden Takt vermessen“, erklärt Matthias Schindler, bei BMW verantwortlich für die virtuelle Planung und Inbetriebnahme in der Produktion. „Dazu reicht uns meist eine Mittagspause, wenn die Bänder sowieso stillstehen, wir stören also den Produktionsbetrieb nicht.“

Mussten die Planer früher auf einen arbeitsfreien Sonntag warten, können sie jetzt an nahezu jedem Tag in den Werkshallen die Umgebung scannen. Im direkten Vergleich: Früher dauerte das Erfassen und Neuplanen eines Taktes circa ein bis zwei Monate, heute lässt sich diese Aufgabe in etwa einer Woche erledigen. „Außerdem können wir alle Beteiligten viel einfacher in die Planung einbeziehen“, sagt Schindler, „Planer für Gebäude, Anlagen, Logistik und Montage können zusammen mit Produktionsmitarbeitern oder zum Beispiel Staplerfahrern den neuen Fertigungsbereich vollständig virtuell beurteilen und die neuen Abläufe durchspielen.“ Dazu müssen die beteiligten Planer nicht vor Ort sein, sie können im digitalen Abbild in Echtzeit miteinander interagieren und stehen dabei mittels Virtual-Reality-Brille gewissermaßen mitten im Geschehen – ein weiterer Punkt, der Zeit und Geld spart: Um rund zwei Drittel sanken die Kosten für die Neuplanung der Takte.

Das Werk als Punktewolke

Die Basis dafür sind digitalisierte Fabrikdaten, die in 3-D vorliegen. Seit mehreren Jahren erfasst der Automobilhersteller reale Strukturen seiner Werke digital mit speziellen 3-D-Laserscannern und hochauflösenden Kameras auf wenige Millimeter genau. Damit steht ein dreidimensionales, realistisches Abbild der Produktion in Form einer sogenannten Punktwolke zur Verfügung.

Klingt spielerisch? Ist es gewissermaßen: Die Engine, also die Entwicklungsumgebung hinter der Simulation, stammt aus der Spiele-Entwicklung, heißt „Unreal“ oder „Unity“ – und ist keine komplexe Programmiersprache, sondern stark vereinfacht. „Der Vorteil daran ist die einfache Bedienbarkeit“, erklärt Ross Krambergar, Simulation Technician bei BMW. Die Hürden, die neue Technik zu nutzen, seien so deutlich niedriger. „Sie könnten ohne Vorkenntnisse nach weniger als einem Tag Schulung die Software bereits sinnvoll nutzen“, bekräftigte er bei einer Veranstaltung in der Produktionsakademie des Autoherstellers in München. Ein weiterer Vorteil: Die Engines sind weitgehend standardisiert. Die einzige BMW-Eigenentwicklung ist eine virtuelle Bibliothek mit Regalen, Gitterboxen, Kleinladungsträgern und weiteren rund 50 Betriebsmitteln, die spezifisch für die Branche sind.

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Augmented Reality in der Ausbildung

Spezifische Arbeitsschritte vermittelt BMW seinen Mitarbeitern ebenfalls virtuell: mittels Augmented Reality (AR). In der Triebwerksmontage zum Beispiel lernen sie neue Tätigkeiten durch eine AR-Brille. Dabei ergänzen Visualisierungen reale Bilder. Die Brille, ein Standard-Microsoft-Produkt, sieht aus wie eine Mischung aus Stirnband und Sonnenbrille und erlaubt es, in den Sichtbereich ihres Trägers Hinweise einzublenden. Beispiel Aggregatemontage an einem Motor: Der angehende Werker steht vor dem Motor und erhält visuell und akustisch die Aufforderung, den Barcode des Motors zu scannen. Steht fest, dass er vor dem richtigen Triebwerk steht, folgt der nächste Schritt: Im Display der Brille sieht der Mitarbeiter das visualisierte Bauteil, das er montieren soll, zum Beispiel eine Ansaugbrücke.

Mittels Sprachbefehlen erteilt der Werker dem System die Anweisung, den jeweils nächsten Arbeitsschritt anzugeben: „Nehmen Sie Akkuschrauber Nummer 3!“ Gleichzeitig wird ins Display der Brille eine Art Tunnel eingeblendet, dem der Blick wie automatisch folgt, bis der Mitarbeiter direkt auf den Akkuschrauber blickt. Ähnlich funktioniert das Holen der benötigten Teile und Schrauben, bei denen der virtuelle Tunnel direkt im entsprechenden Ladungsträger endet. Der Griff nach dem richtigen Bauteil löst gleichzeitig ein visuelles und akustisches Signal aus. Ist der Werker mit Bauteil und Schrauben zurück an seinem Arbeitsplatz, erhält er in Form eines Gittermodells das Bauteil lagerichtig am Motor eingeblendet – und muss das echte Bauteil nur noch passend montieren. Im Versuch klappte das problemlos.

Effizienter schulen

„Im Schnitt trainieren wir unsere Mitarbeiter hier rund 20 Minuten für den jeweiligen Takt“, bestätigte Carolin Lorber, die sich in ihrer Doktorarbeit mit AR/VR und Datenbrillen beschäftigte und jetzt für die Schulungen an der Produktionsakademie zuständig ist. Statt mehrerer Trainer, die für die anzulernenden Mitarbeiter früher notwendig waren, kann jetzt ein Trainer das Setting der nachgestellten Montagelinie und die Handhabung der Brillen überwachen. „Die beiden anderen Trainer beschäftigen sich mit der Programmierung der Lerninhalte“, beschrieb Lorber auf Nachfrage, ob die virtuelle Realität hier nicht der echten in Form von weniger Arbeitsplätzen begegne. „In der Produktion erleichtern uns die Brillen das Beibringen neuer Montagehandgriffe“, beschrieb sie weiter. Bei einem Modellanlauf lassen sich neue Handgriffe so plastisch darstellen.

Die Schulungssoftware hat der Autohersteller selbst entwickelt. Sie erlaubt es auch, Videos für bestimmte Arbeitsschritte zu hinterlegen und dem Werker so zum Beispiel zu zeigen, wie er Clipse an einem Kunststoffbauteil korrekt befestigt. In der Schulung nutzt das Unternehmen die Brillen bereits seit etwa anderthalb Jahren, Ende 2019 sollen sie in der Produktion im Einsatz sein. „Die Mitarbeiter erhalten dafür vorher eine Schulung, um mit den Brillen vertraut zu sein“, sagte Carolin Lorber.

Presswerkzeuge prüfen

Weg von der Brille, hin zum Tablet. Echte Bilder mit virtuellen zu überlagern, hilft BMW auch im Werkzeugbau und beim Prüfen von Vorserienfahrzeugen. Die Kamera des Tablets erfasst dabei das Pressenwerkzeug, eine AR-Anwendung überlagert es mit CAD-Daten – ähnlich einem Drahtmodel – des bestellten Werkzeugs. So wird schnell deutlich, ob die Maße stimmen oder die Oberflächenmerkmale der Bestellung entsprechen.

Durchschnittlich 50 Merkmale lassen sich so prüfen, das System misst auf plus/minus fünf Zehntel genau. Noch in diesem Jahr will BMW die Eingangskontrolle angelieferter Werkzeuge am Standort München auf eine AR-Anwendung umstellen. Verläuft das erfolgreich, folgen die Werkzeugbauten in Dingolfing und Erfurt.

AR für Vorserienfahrzeuge

Ein ähnliches Prinzip hilft den Kollegen in der Montage. Mit einer AR-Anwendung überprüfen sie an Vorserienfahrzeugen die Konstruktionsreife und korrekte Einbaulage von Bauteilen. So lässt sich zum Beispiel feststellen, ob eine Seitenwand die vorgeschriebenen Maße hat, die Abgasanlage richtig „liegt“, ob Verschlaufungen im Motorraum vorgeschriebene Radien einhalten – oder ob alle erforderlichen Teile montiert sind.

Entstanden ist die Anwendung gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut für graphische Datenverarbeitung. Die Daten mehrerer Teile lassen sich beliebig kombinieren und über das Kamerabild des Tablets legen. Ein Algorithmus errechnet die ideale Position einzelner Bauteile zueinander und hebt wichtige Konstruktionsmerkmale hervor. So lässt sich feststellen, ob vor dem Serienanlauf eines Modells konstruktive Änderungen notwendig sind oder ob Fertigungsprozesse serienreif sind. Ein zweites Leben für „Second Life“.

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