Fertigung mit Augmented Reality Wie man virtuelle Daten dynamisch auf physische Bauteile projiziert

Autor / Redakteur: Dr. Peter Keitler* / Sebastian Human

Kombinieren optische Systeme automatisierte Oberflächeninspektion mit Laser- oder Videoprojektionen, kann man Spezialteile in Kleinserien wesentlich effizienter und ergonomischer montieren. Auch bei Nacharbeit und Qualitätssicherung rechnet sich die Technologie schnell.

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Digitale, automatisierte und hochadaptive Fertigungsprozesse prägen das Bild einer modernen Industrie, in der es jedoch auch künftig noch manuelle Schritte zu bewältigen gilt.
Digitale, automatisierte und hochadaptive Fertigungsprozesse prägen das Bild einer modernen Industrie, in der es jedoch auch künftig noch manuelle Schritte zu bewältigen gilt.
(Bild: gemeinfrei / Pexels )

Fertigungsunternehmen stehen heute vor zwei großen Herausforderungen: schnell Innovationen auf den Markt zu bringen und zugleich die Produktpalette weiter zu individualisieren. Gelingt ihnen der Spagat, stärken sie ihre Wettbewerbsfähigkeit.

Allerdings ist der Preis dafür hoch, denn mit jeder Produktserie und Variante steigt der Produktionsaufwand. Das liegt auch an den Schablonen, die teuer in der Herstellung sind und aufwendiges Umrüsten von Anlagen verlangen. Diese ineffiziente Entwicklung lässt sich stoppen, indem digitale Positionier- oder Prüf-Schablonen die manuellen Vorlagen in der Montage und Qualitätssicherung ersetzen. Dazu projizieren Industrielaser oder Videoprojektoren das nötige Muster lagegerecht in 3D direkt auf das Werkstück. Statt lange zu messen und akribisch die Schablone zu positionieren, wählt ein Monteur einfach in der Anwendung, die über eine Schnittstelle mit der Leittechnik oder dem MES (Manufacturing Execution System) verbunden ist, das zwei- oder dreidimensionale CAD-Modell aus. Automatisierung und Digitalisierung erleichtern so auch manuelle Tätigkeiten.

Wie die AR-Technologie funktioniert

Für die Verknüpfung von automatisierten und manuellen Prozessen ergibt sich ein weites Feld. So lassen sich beispielsweise aus der Oberflächeninspektion zur Nacharbeit identifizierte Stellen visualisieren. In allen Anwendungsfällen kommt ein System zum Einsatz, das sich auf Augmented-Reality-Technologie (AR) stützt. Dazu schließt es Laser- oder Videoprojektoren und Kameras über eine Software zusammen, in der die Daten aus weiteren Quellen, einschließlich speicherprogrammierbarer Steuerung (SPS) oder MES, einfließen.

Die Software steuert den Projektor, wertet Kameradaten aus und gleicht diese mit CAD-Daten beziehungsweise Informationen anderer angeschlossener Systeme ab. Ein Anwender klickt sich die Daten für die Projektion in seinem Programm zusammen. Mithilfe der intuitiven Nutzerführung sind das Montage- oder Nachbearbeitungsobjekt und dessen Varianten samt digitaler Schablonen in wenigen Minuten eingerichtet. Auf Knopfdruck oder automatisch mit dem Einlauf werden diese dann sofort projiziert – bei Bedarf inklusive bauteilindividueller Merkmale.

Informationen per Laser- oder Videoprojektion übertragen?

Die Entscheidung, auf welches Projektionsverfahren ein Unternehmen setzen sollte, hängt vom konkreten Anwendungsfall und dessen Umgebung ab. Zudem spielt die Genauigkeit eine Rolle, mit der die Technik die virtuellen Daten auf das Bauteil übertragen muss.

Dunkle und stark reflektierende Oberflächen von Werkstücken sowie sehr helle Produktionsumgebungen rufen die Lasertechnik auf den Plan. Der Laser projiziert dann bis auf ein zehntel Millimeter exakt die Kontur von Bolzen, Haltern oder Beschnitten, um diese zu positionieren oder zu prüfen.

Präzision bis auf Pixelgröße liefert der Videoansatz, dessen Stärke insbesondere im Visualisieren von Farben, Texturen und Flächen auf hellen und matten Projektionsflächen liegt. Genau diese Anforderungen stellen sich etwa beim Montieren von Kabelbäumen in Fahrzeugen, wo die Videoprojektion die Arbeit erleichtert und beschleunigt.

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Die Wahl zwischen statischer und dynamischer Referenzierung

Verbleiben Bauteil und Projektor für den durchzuführenden Arbeitsschritt in einer Position, wird für die Visualisierung statisch referenziert. Per Knopfdruck startet der Nutzer die Berechnung, um die Pose zu ermitteln, die den räumlichen Bezug zwischen Werkstück und Projektor herstellt.

Die Laser- oder Videoprojektion funktioniert auch dynamisch. Dieses Verfahren gleicht die Geometrie aus dem CAD-Modell fortwährend mit dem Kameraabbild des Bauteils aus den unterschiedlichen Betrachtungswinkeln des Projektors ab. Hierbei wird entweder markerbasiert oder markerlos gearbeitet.
Bei der ersten Variante legt der Mitarbeiter in der Software markante Stellen fest, an denen die Projektion einrasten soll. Beim markerlosen Verfahren hingegen dient ein aus dem CAD-Modell berechnetes Kantenmodell als Bezug. Hierfür wählt der Anwender eine Startpose, die nur ungefähr auf einige Zentimeter genau reproduzierbar sein muss – für das modellbasierte Tracking genug, um einzurasten. Dadurch kann man die Projektion einfach und ohne Eingriffe in die Fördertechnik von Bestandsanlagen integrieren. Nach dem Einrasten trackt das System das Bauteil fortlaufend. Es lässt sich dadurch frei bewegen, damit der Mitarbeiter die projizierten Stellen in einer möglichst angenehmen Position bearbeiten kann.

Manuelle Nacharbeit und Qualitätssicherung in der Praxis optimieren

Die Arbeitsplätze in der Endkontrolle zur manuellen Überprüfung und Nachbearbeitung großer, dreidimensionaler und nicht planar geformter Bauteile verlangen innerhalb sehr kurzer Zeit vor allem mental viel von den Mitarbeitern ab und sind oft eine ergonomische Herausforderung. Dass die passende Technologie Abhilfe schaffen kann, zeigt das Beispiel eines Autoherstellers. Dieser hat die Werklicht 3D Software von Extend 3D in der Finish-Kabine seiner Lackiererei implementiert.

Die Projektionsdaten liefert in diesem Fall ein KI-gestütztes Bilderkennungssystem. Der Algorithmus führt die Oberflächeninspektion durch, wofür er die Sensor- und Kameradaten analysiert und mit den CAD-Daten abgleicht. Als Ergebnis identifiziert die KI-Anwendung punktgenau die Stellen, die nachbearbeitet werden müssen. Ein Verbund aus vier bis sechs Laserprojektoren visualisiert diese auf dem Bauteil und zeigt dem Lackierer genau an, wo geschliffen und poliert werden muss. Die Mitarbeiter können ihr Objekt jederzeit in die Position bewegen, die für ihre Arbeit angenehm ist, da die eingerasteten Projektionen dynamisch mitwandern. Auch lässt sich die Projektion über die intuitive Bedienung jederzeit unterbrechen oder abschalten. Unterm Strich steht die Finish-Kabine für das gelungene Zusammenspiel von digitalen und manuellen Prozessen, das sich wiederum in höherer Produktivität und geringeren Kosten niederschlägt.

Einen ebenso überzeugenden Anwendungsfall liefert die AR-Technologie bei Soll-Ist-Abweichungen in der Qualitätssicherung. Das betrifft beispielsweise die Spalt-Bündigkeit und Formtreue von Pressteilen: Taktile oder fotogrammetrische Messsysteme übernehmen hier die Vorarbeit, sodass die Projektion Daten per Knopfdruck auf das Werkstück bringen kann.

Virtuelle Vorarbeit vollenden

Dynamische Laser- und Videoprojektion kombiniert hochautomatisierte Produktionsprozesse mit manuellen Eingriffen, um Aufwand und Fehlerquote zu minimieren. Weiter gedacht ergeben sich zusätzliche Vorteile für Fertigungsunternehmen: Mithilfe der Visualisierungsverfahren können sie ihre Produktion flexibler, individualisierter und skalierbarer gestalten. So lassen sich Kleinserien und Einzelmodelle – etwa im Prototypenbau – um bis zu 75 Prozent effizienter herstellen. Zudem profitieren die Mitarbeiter von einfacheren, schnelleren und komfortablen Arbeitsabläufen in der Montage und Qualitätssicherung. Mit ähnlich positiven Effekten können Firmen rechnen, die in der Produktentwicklung und im Werkzeugbau auf Projektionen setzen. Denn auch dort verbessern sich Abläufe und Resultate erheblich, wenn man virtuelle Daten in die Realität überträgt.

* Dr. Peter Keitler ist Gründer und CEO von Extend3D.

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