Special: Maschinen- und Werkzeugbau in Mitteldeutschland

Effizienzsteigerung in Unternehmen durch den Einsatz von VR-Technologien

Leistungsfähige Entwicklungs- und Simulationswerkzeuge zur digitalen Produkt- u. Prozessent-wicklung bis hin zur digitalen Fabrik werden für die Unternehmen immer mehr zum Wettbewerbsfaktor. Die Innovationsdynamik und der Trend zur Erhöhung der Variantenvielfalt und Komplexität der Produkte bei gleichzeitig sinkenden Entwicklungszeiten erfordern den Entwicklungsprozess sowohl im Unternehmen als auch für den Kunden zunehmend transparenter zu gestalten und den Reifegrad in allen Etappen der Produktentwicklung zu erhöhen. Keine andere Technologie bietet eine bessere Plattform zur interdisziplinären Kooperation und zur Sicherung der Transparenz bereits in den frühen Phasen der Produkt- u. Prozessentwicklung als die Technologie der Virtuellen Realität (VR). Hierfür verfügt das Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP) der TU Chemnitz über ein leistungsfähiges VR-Labor, das Virtual Reality Center Production Engineering (VRCP), als interdisziplinäre Kommunikationsplattform für Forschung, Industrie und Lehre.

Virtuelle Montage einer Baugruppe

Die VR ist eine ideale Visualisierungs- und Kommunikationsplattform für die fachübergreifende Diskussion unterschiedlichster Fragestellungen. Diese reichen von den Bereichen Konstruktion, Technologie, Produktionsplanung und Wartung bis hin zu Schulung und Marketing. Aktuelle Anwendungsgebiete sind insbesondere das Design Review von Konstruktionsentwürfen, die virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen, die Fabrik- und Anlagenplanung, die Montageplanung sowie die virtuelle Produktpräsentation zur Unterstützung von Vertriebsaktivitäten. Im Bereich Wartung und Schulung bilden virtuelle Szenarien die Grundlage für eine ganzheitliche Betreuung des Kunden schon vor dem Produktionsanlauf. Weiterhin bietet VR intuitive Lösungen für die Auswertung computergestützter Simulation wie die der Finiten Elemente Methode (FEM) und der Mehrkörpersimulation (MKS). Die Simulationsergebnisse werden nach einer notwendigen Aufarbeitungsphase im Maßstab 1:1 visualisiert. Dadurch können schneller Rückschlüsse auf die Produkteigenschaften gezogen und wichtige Entscheidungen noch in frühen Phasen der Produktentwicklung getroffen werden.

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Aufwand/Nutzen

Immer wieder wird die Frage nach den Kosten für den Einsatz von VR-Technologien gestellt. Diese für Unternehmen sehr wichtige Frage sollte immer in Verbindung mit dem potenziellen Nutzen diskutiert werden. Kürzere Entwicklungszeiten, steigen-de Qualität, erhöhte Kundentransparenz, interdis-ziplinäre Kooperation und ein Wettbewerbsvorteil durch frühzeitige Marketingaktivitäten sprechen für den Einsatz von VR-Technologien. Die finanziellen Belastungen durch die Anschaffung von Hard- und Software, Kosten für einen erhöhten Aufwand zur Integration der Technologie in die digitale Prozess-kette und Kosten für einen erhöhten Schulungsbe-darf von Mitarbeitern gegenüberzustellen. Letzte-rem wird durch die Entwicklung von immer intuiti-ver zu bedienender VR-Software entgegengewirkt. Ziel dieser Entwicklung ist es, jeden Beteiligten zu befähigen, die VR nach kurzer Einarbeitungszeit bedienen zu können und für sein Arbeitsgebiet effektiv einzusetzen. Dies wird z. B. durch eine direkte Ankopplung von derzeitigen CAx-Systemen an bestehende VR-Systeme realisiert. Erste Prototypen ermöglichen bereits die in Echtzeit ausge-führte Modellierung von Bauteilen z. B. mit Freiformflächen in der virtuellen Realität. Speziell im Bereich der Rechentechnik senkt der Einsatz von Standardhardware die Anschaffungskosten und ermöglicht gleichzeitig einen einfachen Austausch von Komponenten, beispielsweise Grafikhardware, welche der ständigen Weiterentwicklung unterliegen. Es kann eine schnelle Reaktion auf sich ändernde An-forderungen erfolgen, ohne dass ein kostenintensiver Austausch des VR-Gesamtsystems notwendig wird. Teil der Integration in die digitale Prozesskette ist die bereits erwähnte Aufbereitungsphase der 3D-Daten. Diese gestaltet sich abhängig von den zur Verfügung stehenden Ausgangsdaten sehr unterschiedlich. Zum einen kann der Datentransfer über 3D-Austauschformate wie das VRML-Format erfol-gen, zum anderen können erzeugte CAD-Daten aus Systemen, die in Unternehmen weit verbreitet sind, wie z. B. Pro/Engineer (PTC), CATIA (IBM) und Solidworks (Dassault Systémes), ohne großen Aufwand direkt in die VR-Software überführt wer-den. Spezielle Funktionalitäten, wie z. B. die Abbil-dung von kinematischen Ketten, animierte Darstel-lungen von Materialflüssen oder die Visualisierung von sehr großen Datenmengen, können zugeschnitten auf die aktuelle Fragestellung integriert werden. Aus den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten sollen die folgenden ausgewählten Beispiele Anregung für den nutzbringenden Einsatz von VR-Technologien in Unternehmen geben.

VR-Einsatz für das Design Review

Beim Design Review werden die Vorteile der maßstabsgetreuen Projektion und der intuitiven Modellsteuerung besonders deutlich. Die realistische, performante Darstellung digitaler Modelle sowie die dreidimensionale Benutzerschnittstelle erlauben eine schnelle Analyse und Bewertung von 3D-Daten in einem Maße, wie es am Desktop nicht möglich ist. Für die StarragHeckert GmbH wurden in der Planungsphase eines neuen Fertigungszentrums Untersuchungen zu ergonomischen Fragestellungen wie die Erreichbarkeit und Handhabung von Bauteilen sowie eine Sichtraumbeurteilung unter "realen" Bedingungen an einem virtuellen Maschinenmodell durchgeführt. Der Entwicklungsprozess vom Entwurf bis zum ersten Prototypen wird virtuell abgesichert. Der Nutzen dieser Vorgehensweise zeigt sich in einem beschleunigten Entwicklungsprozess. Konstruktive Defizite können frühzeitig lokalisiert und abgestellt werden. Ebenso können Anforderungen und Hinweise von potentiellen Kunden durch die hohe Transparenz im Entwicklungsprozess frühzeitig berücksichtigt werden und somit optimale Ergebnisse auf beiden Seiten erzielt werden. Unternehmen und Kunden erhalten schnelle Lösungen in hoher Qualität.

VR-Einsatz im Marketing

Neue Produkte müssen dem Markt zur richtigen Zeit und in der richtigen Art und Weise vorgestellt werden. Die virtuelle Produktpräsentation mittels VR-Technologie bietet diese Möglichkeit. Für die Werkzeugmaschinenfabrik Glauchau GmbH wurde das maßstabsgetreue virtuelle Modell des Multitechnologiecenters (MTC) WOTAN erstellt. Es ermöglicht die einfache Demonstration der vielfältigen Bearbeitungsvarianten dieser innovativen Werkzeugmaschine, ohne dass sie physikalisch am Präsentationsort vorhanden sein muss. Realisiert wurden zwei Lösungen ¿ ein kompletter Bearbeitungszyklus und ein virtueller Maschinenkonfigurator. Dieser erlaubt die interaktive Änderung der Maschinenkonfiguration direkt in der VR-Umgebung und somit die umfassende Visualisierung der fertigungstechnischen Lösungen. Durch den Einsatz auf mehreren Messen konnten sich Kunden von der Variantenvielfalt des neuen Maschinensystems in der interaktiven virtuellen Welt überzeugen. Das Unternehmen erreichte die Einsparung von Aufstell- und Transportkosten für die reale Maschine und konnte dennoch sein Produkt erlebbar demonstrieren.

Testumgebung für NC-Programme

Der Überprüfung von Steuerungsabläufen zur Fehlervermeidung kommt in der Produktionstechnik immer größere Bedeutung zu. Für die virtuelle Inbetriebnahme von Werkzeugmaschinen wurde in enger Zusammenarbeit mit der Studenteninitiative Siemens Sachsen e.V. die Kopplung einer Sie-mens 840D-Steuerung mit dem VR-Modell einer 5-achs CNC-Universal-Fräsmaschine realisiert. Vereinigt wurden die real bedienbare Steuerung und Maßstabstreue, Echtzeitfähigkeit sowie Benutzertracking und der hohe Grad der Immersion als Vorteile der VR. Diese Lösung ermöglicht es, NC-Programme im Automatikbetrieb abzuarbeiten sowie Tests im manuellen Betrieb (JOG) durchzuführen, um z. B. Endlagen der Maschinenachsen zu untersuchen. Komplexe Achsbewegungen können simuliert und die Effizienz von NC-Programmen getestet werden, ohne dass Gefahren für die reale Maschine bestehen. Erreicht werden verkürzte Inbetriebnahmezeiten vor Ort, sichere Steuerungskonzepte, Ausbildungsmöglichkeiten für Fachkräfte sowie kurze Arbeitsvorbereitungszyklen für neue Werkstücke.

Mobilität und Flexibilität

Das Interesse an virtueller Produktpräsentation vor der Vollendung des ersten Prototypen und der Einsatz von VR in der Produktentwicklung nehmen ständig zu. Für den ortsunabhängigen Einsatz von VR wurde am IWP die mobile Virtual Environment (moVE) entwickelt. Diese mobile VR-Anlage besteht im Wesentlichen aus einer Projektionsfläche, zwei Projektoren mit linearen Polfiltern, einem Trackingsystem zur interaktiven Steuerung sowie zwei Laptops zum Betrieb der Rendersoftware. Beim Aufbau des Systems wurde weitestgehend auf Standardkomponenten zurückgegriffen. Dadurch ist das System moVE kostengünstig in der Anschaffung und bei wachsenden Anforderungen flexibel erweiterbar. Das Gesamtsystem wird in vier Transporteinheiten aufgeteilt und ist vor Ort in circa 30 min einsatzbereit. Speziell auf Messen hat sich der Einsatz bereits mehrfach bewährt. Damit können entscheidende Wettbewerbsvorteile im Marketingbereich erreicht werden, da der Kunde schon frühzeitig mit dem Produkt in Verbindung gebracht werden kann.

VR-unterstützte FMEA

Der Einsatz mobiler VR-Technik ist nicht nur für Messen geeignet, sondern kann auch im Unternehmen flexibel genutzt werden. Mit der mobilen VR-Anlage "moVE" wurde die Firma Deckel Maho Seebach GmbH im Prozess der Produktentwicklung einer neuen Werkzeugmaschine bei einer FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) unter-stützt. Die FMEA folgt dem Grundgedanken einer vorsorgenden Fehlerverhütung anstelle einer nachsorgenden Fehlererkennung und -korrektur (Fehlerbewältigung) durch frühzeitige Identifikation potenzieller Fehlerursachen bereits in der Entwurfsphase. Damit werden anfallende Kontroll- und Fehlerfolgekosten in der Produktionsphase oder beim Kunden vermieden und die Kosten insgesamt gesenkt. Bei der VR-unterstützten FMEA untersuchten Mitarbeiter aus Konstruktion, Fertigung, Montage, Qualitätsmanagement und Service in der VR-Umgebung abgebildete Baugruppen aus der Sicht ihres jeweiligen Fachgebietes unter den Bewertungskriterien des Analyseprozesses. Im Verlauf der Baugruppenbeurteilung wurde deutlich, dass die VR eine sehr gute Plattform ist, vor allem Fragen konstruktiver Auslegung und deren Auswirkungen auf andere Fachbereiche wie Montage und Service anschaulich zu verdeutlichen und somit eine fachübergreifende Diskussionsgrundlage zu liefern.

Ausbilck

Die Anwendung von VR-Technologien ist bereits heute ein fester Bestandteil in der digitalen Prozesskette vieler großer Unternehmen wie z. B. in der Automobilindustrie. Herausgefordert durch die ständig steigenden Anforderungen nationaler und internationaler Märkte an neue Produkte und Prozesse, vor allem im Hinblick auf Entwicklungszeit, Kosten und Qualität, wird der Einsatz von VR-Technologien auch für kleine und mittelständische Unternehmen unabdingbar sein. Unterstützung finden alle Anwender und Interessierten in der konsequenten Weiterentwicklung von VR Hard- und Softwaretechnologien und deren Funktionalitäten für die unterschiedlichsten Aufgaben und Fragestellungen. VR gezielt strategisch einzusetzen, bietet das Potential die Produktentwicklung zu beschleunigen, abzusichern und qualitativ auf der höchsten Stufe zu verfolgen. Damit eröffnen sich einer Vielzahl von Unternehmen unterschiedlichster Branchen weitreichende Perspektiven ihre Wettbewerbsziele zu erreichen, sich den Anforderungen des Marktes zu stellen und zu behaupten.

Kompetenz

Das Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP) an der Technischen Universität Chemnitz verfügt mit dem von Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich geleiteten Virtual Reality Center Production Engineering (VRCP) seit 2004 über ein leistungsstarkes VR-Labor zur Entwicklung, Erprobung und dem Einsatz von VR und AR (Augmented Reality) - Technologien im Maschinenbau und der Produktionstechnik. Die bereits auf diesem Gebiet gesammelten Erfahrungen und Kompetenzen sind eine stabile Basis, die Forschung und Entwicklung ständig weiter voranzutreiben und industriell nutzbare Ergebnisse zu erzielen. Unternehmen und ihren Kunden bieten wir vielfältige VR-Dienstleistungen und moderns-te VR-Technik zur Unterstützung im Produktentwicklungsprozess an.

Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich/Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse

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