Die Produktivittswirkung von Augmented Reality in der Unikatfertigung 141

Die Produktivittswirkung von Augmented Reality in der

Unikatfertigung

Axel Friedewald, Philipp Sebastian Halata, Nikolaj Meluzov,

Hermann Ldding

Institut fr Produktionsmanagement und technik, Technische Universitt Hamburg

Die Unikatfertigung ist oftmals von einem hohen Anteil manueller Arbeit geprgt. Ein

wesentlicher Anteil der Mitarbeiterzeit dient der Informationsbeschaffung. Der Beitrag

zeigt auf, wie Augmented Reality dazu beitragen kann, den Aufwand fr die Informations-

beschaffung zu senken und die Produktivitt zu steigern.

1 Einleitung

Neben dem Anlagenbau ist in Deutschland insbesondere der Schiffbau von der Unikatpro-

duktion geprgt: Die deutschen Werften spezialisieren sich im internationalen Wettbewerb

auf kundenindividuelle Spezialschiffe, Luxusyachten und Kreuzfahrtschiffe. Eigner und

Passagiere erwarten stndig neue, einzigartige Attraktionen. Kreuzfahrtschiffe werde heute

beispielsweise mit Aussichtsgondel, Autoscooter oder Fallturm ausgestattet, so dass auch

Nachbauten desselben Schiffstyps einen hohen Anteil von Modifikationen aufweisen. Die

Kunden erwarten, dass sie nach Auftragserteilung und teilweise sogar nach Baubeginn noch

gravierende nderungen vornehmen drfen. Durch die Vielzahl der zu verbauenden Kom-

ponenten entsteht eine hohe Komplexitt, die sich im CAD-Modell bzw. den daraus abge-

leiteten 2D-Zeichnungen widerspiegelt. Die Fertigungs- und Montagezeichnungen stehen

wegen des hohen Arbeitsaufwands hufig erst spt zur Verfgung und enthalten oftmals

nicht alle Informationen, die fr die Durchfhrung der Arbeitsaufgabe erforderlich sind. Es

wird daher eine Lsung bentigt, die dem Werker die Informationen aufwandsarm und

anwenderfreundlich zur Verfgung stellt.

Die Lsungsidee ist eine digitale Arbeitsunterlage, die den Werker schrittweise durch den

Arbeitsprozess fhrt und ihm die bentigten Informationen anzeigt, beispielsweise mit

Hilfe eines Augmented-Reality-Tablets. Der Nachweis der Einsatzberechtigung fr diese

Technologie und des erreichten Verbesserungspotentials soll im Folgenden durch eine

systematische Produktivittsanalyse fr verschiedene Szenarien der Unikatproduktion

erbracht werden.

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2 Produktivittsanalyse der klassischen Fertigung

2.1 Generischer Arbeitszyklus

Um Verbesserungspotenziale in Arbeitsprozessen der Unikatfertigung aufdecken und

erschlieen zu knnen, wurde eine Produktivittsanalyse auf der Grundlage eines

generischen Arbeitszyklus entwickelt, der sowohl in direkten als auch in indirekten

Bereichen der Produktion einsetzbar ist (Tietze, Ldding 2013). Er bildet die Grundlage,

um unterschiedliche Ttigkeiten in einen idealtypischen Ablauf einordnen und dadurch

systematisch Produktivittspotenziale ableiten zu knnen. Der Arbeitsablauf fr die

direkten Bereiche umfasst die Phasen

- Informationsbeschaffung und -verarbeitung,

- Material- und Hilfsmittelbeschaffung,

- Bauteil- und Bauplatzvorbereitung,

- Durchfhrung und

- Nachbereitung.

Fr die indirekten Bereiche ist er analog anwendbar und wird um die Phase

Informationsweitergabe ergnzt. Fr die Datenerfassung kommen entweder Multimoment-

aufnahmen oder Zeitaufnahmen zum Einsatz, die sich durch spezifische Erfassungs-

hilfsmittel wie Tablet-, Smartphone- oder Desktop-Applikationen untersttzen lassen

(Tietze, Ldding 2014). Die (Arbeits-)Produktivitt, definiert als das Verhltnis von Output

zu Input eines Prozesses (Bokr06), kann dann aus der bezahlten Arbeitszeit und dem Ist-

Abgang ermittelt werden. Fr die Analyse der Produktivitt ist insbesondere die Verteilung

der Arbeitszeit relevant, weil der Abgang in der Regel vorgegeben ist.

2.2 Produktivittspotenzial der direkten Bereiche

Die Analyse von zwlf Werftbereichen im Schiffbau hat ergeben, dass der

Informationsversorgung eine Schlsselrolle zukommt: Die Werker verbringen hufig mehr

Zeit damit, die erforderlichen Informationen zu sammeln, als sie fr die eigentliche Durch-

fhrung der Arbeit bentigen (Abb. 1; Ldding, Friedewald 2014). In der

Informationsbeschaffung verursacht die konventionelle 2D-Konstruktionszeichnung einen

groen Teil des Aufwands: Erstens sind in den Zeichnungen eine Vielzahl an Informationen

auf begrenztem Raum komprimiert, so dass es schwierig ist, die erforderlichen

Informationen zu finden. Zweitens knnen nicht alle erforderlichen Mae eingezeichnet

werden, so dass der Werker die fehlenden Mae mit einem Lineal in der Zeichnung

abnehmen mu. Und drittens sind komplizierte, dreidimensionale Sachverhalte in der

Zeichnung nur schwer erkennbar, so dass die Mitarbeiter der Fertigung oftmals Wege ins

Meisterbro in Kauf nehmen, um sich am Bildschirm oder mit zustzlichen Ausdrucken

des Bildschirminhalts einen rumlichen Eindruck der Arbeitsaufgabe zu verschaffen.

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Abbildung 1: Produktivittspotenziale im Schiffbau (Auswertung von 12 Werftbereichen mit

ca. 11.500 Stichproben (Ldding, Friedewald 2014)

2.3 Produktivittspotenzial der indirekten Bereiche

Die konventionelle Informationsversorgung mit Zeichnungen verursacht auch in den

indirekten Bereichen hohe Aufwnde: Aus den umfangreichen CAD-Modellen sind

Zeichnungen abzuleiten und um Informationen zu ergnzen, die fr die sptere Fertigung

und Montage erforderlich sind. Besonders aufwndig ist die grtenteils manuelle

Erstellung der Bemaungen zwischen den Bauteilen.

Eine Analyse des Aufwands in der Arbeitsvorbereitung ergab, dass fr die Erstellung der

oben beschriebenen, vor Ort eingesetzten komplexen 2D-Zeichnungen etwa 40 Prozent der

Arbeitszeit bentigt werden. Auch der Druck und die Verteilung der Zeichnungen ist mit

einem verhltnismig hohen Aufwand verbunden. Anders als in der Serienproduktion

knnen die genannten Aufwnde nicht auf eine Vielzahl von Produkten umgelegt werden.

3 Digitale Arbeitsunterlage

3.1 Augmented Reality

Augmented Reality (AR) ermglicht es, Zusatzinformationen wie Geometrie- und

Metainformationen in eine reale Umgebung einzublenden (Azuma 1997). Das AR-System

erzeugt eine grafische Ausgabe ber ein Anzeigemedium, z. B. eine AR-Brille oder einen

Tablet-Computer. Fr die Informationsversorgung in der Produktion haben AR-Gerte

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gegenber konventionellen Papierzeichnungen wesentliche Vorteile (van Krevelen,

Poelman 2010): Sie knnen dreidimensionale Geometrien besser veranschaulichen und

darber hinaus bietet AR die Mglichkeit, die Bauteilgeometrien am richtigen Ort und in

der richtigen Orientierung in die Realitt einzublenden. Vor dem Hintergrund einer bisher

eingeschrnkten Verfgbarkeit praxistauglicher AR-Brillen eignen sich Tablet-Computer

wegen des geringen Gewichts, hoher Rechenleistung und vielfltiger Schnittstellen

besonders als AR-Hardware fr den industriellen Einsatz (Bauernhansl, ten Hompel und

Vogel-Heuser, 2014).

3.2 Zeichnungsfreie Informationsversorgung

Die im Forschungsprojekt PROSPER entwickelte Digitale Arbeitsunterlage soll eine zeich-

nungsfreie Informationsversorgung vor Ort ermglichen.

Das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung lag auf dem Bedarf der Werker, die relevanten

Informationen schnell finden und aufnehmen zu knnen und dadurch die komplexe Ar-

beitsaufgabe schneller zu verstehen (Halata, Friedewald, Ldding, 2014). Um dies zu er-

mglichen, wurden verschiedene Alternativen entwickelt, um die fr den jeweils nchsten

Arbeitsschritt erforderlichen Informationen anzuzeigen: ein CAD-Modus stellt die Informa-

tionen anhand eines 3D-Modells bereit, ein AR-Modus blendet die Informationen in die

Umgebung ein (Abb. 2). Die Datenversorgung erfolgt ber Konnektoren aus unterschied-

lichen Quellen, die derzeit vor Arbeitsbeginn angestoen wird. Die Anzeigefunktion wird

durch Werkzeuge zur Datenaufbereitung und effizienten Nutzung der Anwendung erwei-

tert.

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Abbildung 2: Einsatz der Digitalen Arbeitsunterlage (AR-Modus)

3.3 Augmented-Reality-Modus der Digitalen Arbeitsunterlage

Der Bildschirm der Digitalen Arbeitsunterlage (Abb. 3; Halata et al. 2015) zeigt das Live-

bild der Kamera und blendet zustzliche Geometrieinformationen ein. Fr die geometrisch

korrekte Anzeige der Informationen sind derzeit noch Marker in der Arbeitsumgebung

anzubringen und einzumessen. Am rechten Bildschirmrand kann der Werker aus der Bau-

teilliste das Bauteil auswhlen, dessen Geometrie die Software anzeigt. Ergnzend lassen

sich Zusatzinformationen wie Rohrdurchmesser oder Einbauanleitungen abrufen. Am

linken Bildschirmrand lassen sich ber eine Inhaltsauswahl weitere Informationen zuschal-

ten: Beispielsweise knnen alle weiteren zu verbauenden Teile oder der gesamte Inhalt des

Arbeitspakets angezeigt werden, um den endgltigen Zustand darzustellen. Die Bemaung

fr die ausgewhlte