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Einleitung

Die Ausrüstungsmontage ist gekennzeichnet durch eine hohe Komplexität, enge Bearbeitungsräume und zahlreiche manuelle Montagearbeiten. Es müssen Komponenten[ds_preview] für verschiedenste Funktionen von einer Vielzahl von Zulieferern verbaut werden, wobei die Zugänglichkeit der Komponenten sowohl für die Erstmontage als auch für den späteren Betrieb berücksichtigt werden muss. Die erforderlichen lösbaren und nicht lösbaren Verbindungen sind von den Werkern mit entsprechenden Werkzeugen und Vorrichtungen herzustellen.

Virtual Reality (VR) ist ein Hilfsmittel, welches sich besonders gut zur Visualisierung von komplexen Einbausituationen eignet und durch den Einsatz von virtuellen Menschmodellen auch die Überprüfung der Konstruktion bezüglich ihrer Eignung für manuelle Montagetätigkeiten erlaubt. Ein wesentliches Merkmal ist dabei die Interaktion mit dem Geometriemodell in der virtuellen Umgebung, die auch einen einfachen Vergleich verschiedener Lösungsvarianten erlaubt. Aufgrund sinkender Investitionskosten wird dieses Hilfsmittel für den Schiffbau zunehmend interessanter und kann für die Planung der Ausrüstungsmontage eine wirksame Unterstützung bilden.

Die Haupteinsatzgebiete für VR sind derzeit im Automobil- und Flugzeugbau zu finden, wo dieses Werkzeug bereits ins Tagesgeschäft integriert ist. Vor dem Hintergrund dieses Anwenderkreises berücksichtigen die bisherigen kommerziell verfügbaren VR-Lösungen hauptsächlich die Anforderungen der Serienfertigung, sowohl hinsichtlich der Weiterentwicklung dieses Hilfsmittels als auch bezüglich der IT-Infrastruktur und der Prozessorganisation beim Anwender.

Damit VR den Randbedingungen der schiffbaulichen Ausrüstungsmontageplanung gerecht wird, sind zum einen organisatorische Regelungen im Zusammenspiel von Werften und Zulieferern notwendig. Zum anderen ist das DV-Werkzeug selbst an die Randbedingungen der Unikatfertigung im Schiffbau anzupassen, z. B. an die kurzen Durchlaufzeiten im Engineering. Dieses erfordert adaptierbare Benutzeroberflächen und Eingabegeräte (Abb. 1 [1]) ebenso wie Funktionserweiterungen der Software. Das Berücksichtigen dieser speziellen Anforderungen erlaubt den Einsatz von VR und führt zu effizienteren Prozessen.

Datenversorgung

Der Einsatz von VR erfordert eine Konvertierung der 3D-Daten des CAD-Systems in das Datenformat des VR-Systems. Sie kann für die im Unternehmen erzeugten Daten automatisiert durchgeführt werden, nachdem der Konvertierungsweg nach einer anfänglichen Erprobungs- und Optimierungsphase zu reproduzierbaren, qualitativ geeigneten Ergebnissen führt. Steht ein Unternehmen noch in der Auswahlphase der Software, kann dieser Transfer durch einen Test der verfügbaren Konverter abgesichert werden.

Anders stellt sich die Situation im Bereich der Ausrüstung dar, wo ein Großteil der Komponenten von Zulieferern stammt, von denen zunehmend die Verfügbarkeit von 3D-Modellen gefordert wird. Damit die Werft Ausrüstungskomponenten nicht »nachmodellieren« muss, wie es in der Vergangenheit häufiger vorkam, stehen die Zulieferer vor der Herausforderung, geeignete 3D-Modelle für den Import in das CAD-System der jeweiligen Werft bereitzustellen. Ein zusätzlicher Import direkt in das VR-System ist dabei zwar prinzipiell möglich, in der betrieblichen Praxis wird jedoch eher der Weg über das CAD-System der Werft gewählt, da es als führendes System das Handling des Gesamtmodells vereinfacht.

Damit stellt sich für Werft und Zulieferer die Frage der geeigneten Konvertierung der Modelle vom CAD-Format des Zulieferers in das auf der Werft eingesetzte CAD-System. Auch für den Schiffbau ist hierfür das für die Automobilindustrie entwickelte Austauschformat STEP / AP 214 geeignet (z. B. [2]). Für einige schiffbauliche Systeme ist dieses aufgrund einer eingeschränkten Auswahl an Schnittstellen nach wie vor das zielführende Austauschformat. Ein Nachteil dieses Formats besteht allerdings in der je nach Zulieferkomponente umfangreichen Datenmenge, die bei der Konvertierung der Modelle entsteht und in das CAD-System der Werft importiert werden muss. Das bedeutet, dass der Zulieferer seine Modelle vereinfachen muss, um eine für die Werft akzeptable Dateigröße, sog. Space Allocation Models (SAM), zu erreichen.

Dafür existieren prinzipiell zwei Möglichkeiten: erstens eine »Entkernung« der vorhandenen Modelle einschließlich einer Konvertierung in das Zielformat und zweitens eine »Neukonstruktion« eines vereinfachten Modells. Zur Auswahl des geeigneten Ansatzes sind die Anforderungen an die SAMs heranzuziehen: Zulieferkomponenten müssen insbesondere für ihre Positionierung im Schiff exakte geometrische Maße der Anschlusspunkte aufweisen, für den Hüllkörper sind in der Regel auch angenäherte Geometrien zulässig gegenüber einer Modellierung sämtlicher Details der entsprechenden Komponente. Kein Interesse besteht vor allen Dingen am detaillierten Innenleben eines Geräts, welches der Zulieferer zudem zum Schutz seines Know-hows nicht preisgeben möchte. Für Bauraum­untersuchungen ist dieses Innenleben in der Regel auch nur bedingt aussagekräftig, vielmehr ist ein realistischer Eindruck von der jeweiligen Komponente im Allgemeinen ausreichend. Allerdings müssen die Ausbauräume von Maschinenbaugruppen, die Öffnungsbereiche von Klappen oder Türen und Ähnlichem als geometrische Information vorliegen, die sog. Störkanten.

Dies führte zur Untersuchung weiterer neutraler Austauschformate neben STEP [3], die allerdings aufgrund der vorhandenen Tesselierung nur eine Annäherung an die reale Geometrie darstellen. In der Automobilindustrie ist vor allem das JT-Format inzwischen von einer hohen Akzeptanz geprägt und es liegen Benchmarkergebnisse zur Konvertierung aus einer größeren Zahl von CAD-Systemen vor [4]. Um den Detaillierungsgrad der Modelle und damit Genauigkeit und Größe zu steuern, bieten viele Konvertierungswerkzeuge Parameter an. Allerdings ist hier nach wie vor darauf zu achten, dass der eingesetzte Konverter die Daten ohne relevante Verfälschungen, wie z. B. Fehlpositionierungen vom Quell- ins Zieldateiformat überträgt. Relevante Kriterien hierbei sind bezüglich der Geometrie die korrekte Konvertierung der 3D-Daten einschließlich zusätzlicher geometrischer Elemente wie z. B. versteckte Elemente und Hilfsgeometrien (z. B. Achsen) sowie die korrekten Farb- und Textur- bzw. Transparenzinformationen. Für Baugruppen sind z. B. die Übertragung der Produktstruktur und die Positionierung der Bauteile von elementarer Bedeutung. Außerdem ist den oben angeführten Metadaten Beachtung zu schenken.

Die Alternative zur Aufbereitung komplexer Zuliefermodelle stellt die Nachmodellierung der Ausgangsgeometrie mit vereinfachten Geometrien dar, die ebenfalls zu SAMs führt. Eine Umsetzung dieses Ansatzes findet sich in den elektronischen Teilekatalogen mehrerer schiffbaulicher Zulieferer, die aufgrund der Komponenteninitiative für den Schiffbau (Boesche [5]) mit dem System »partSolutions« von CADENAS entstanden sind. Dabei werden die 3D-Modelle in einem proprietären Format definiert und dem Anwender im Format des Zielsystems zur Verfügung gestellt. Auch hier besteht die Möglichkeit, Metadaten zu integrieren. Es wurde bisher aber keine einheitliche zulieferübergreifende Systematik verabredet.

Für die Planung der Ausrüstungsmontage sind eine Reihe von nichtgeometrischen Informationen über die Komponenten notwendig, die sog. Metadaten: Neben beschreiben­den Merkmalen wie Bezeichnung des Geräts bzw. der jeweiligen Baugruppe und der / den Identnum-

mer(n) (von Werft und Zulieferer), ggf. mit Versionskennzeichnung, sind insbesondere klassifizierende Merkmale für eine spätere Auswertung von Interesse. Dabei kann es sich um baugruppenverzeichnisspezifische, neutrale schiffbauspezifische, E-Commerce-orientierte oder militärische Klassifizierungen handeln. Zusätzlich sind Strukturinformationen von Bedeutung, also Baugruppen und Unterbaugruppen, die für Montageoperationen herangezogen werden müssen, wenn z.B. Bauteile ausgebaut werden sollen (Kolben ziehen, …). Weiterhin sind sowohl zu Informationszwecken als auch für noch realitätsnähere Simulationen mit VR physikalische Eigenschaften wie Gewichte, Schwerpunkte und Materialeigenschaften als Metadaten zu übermitteln. Auch Drehrichtungen von Wellen, Fließrichtungen von Medien und der Medientyp sind entscheidungsrelevante Informationen für das Engineering.

Informationen über das Medium können allerdings auch als Oberflächeneigenschaften übermittelt werden. So verwenden einige Werften beispielsweise Texturen oder Farbinformationen zur Information über Produkteigenschaften bzw. Produktnutzung (Rohre für unterschiedliche Medien). Schließlich müssen (zumindest von CAD nach VR, nicht unbedingt vom Zulieferer zur Werft) Termininformationen als Metadaten bereitgestellt werden: geplante (Soll-)Liefer- und Montage-Termine sowie realisierte (Ist-)Termine für Ausrüstungskomponenten sind für die Erstellung und Änderung von Baustrategien erforderlich und vereinfachen den Untersuchungsaufwand.

Die Anforderungen an den Datenaustausch von 3D-Daten von Zulieferern mit den Werften betreffen damit zum einen die Notwendigkeit von SAMs und zum anderen die Ergänzung um Metadaten, welche bezüglich des VR-Einsatzes noch zu erweitern sind, beispielsweise für die beschriebene Aufgabenstellung der Montagestrategieplanung. Sowohl das Katalogsystem von CADENAS als auch die 3D-Formate wie JT lassen die Ergänzung der geometrischen Daten um die erforderlichen Metadaten zu. Bisher existiert allerdings noch keine Spezifikation bezüglich Umfang oder Format der erforderlichen Attribute. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags geförderten Verbundforschungsprojekts POWER-VR wird daher neben dem Datentransfer in einem Arbeitspaket »Intelligente 3D-Modelle« von Werftvertretern und Zulieferern der zukünftige Datenbedarf untersucht. Dies soll eine unternehmensübergreifende Vereinheitlichung der auszutauschenden Datensätze befördern, um den zwischen verschiedenen Partnern notwendigen Anpassungsbedarf so gering wie möglich zu halten und dem langfristigen Ziel einer durchgängigen, integrierten und vollständigen 3D-Modellierung näher zu kommen.

Szenarien in der Ausrüstungsmontage

Um das Nutzenpotential von Virtual Reality für die Ausrüstungsmontage zu überprüfen, wurden in dem vom BMWi geförderten Projekt USE-VR Szenarien aus der täglichen Praxis mehrerer Werften und Zulieferer analysiert [6]. Die Untersuchungen der potenziellen Einsatzgebiete der VR-Technologie in der maritimen Industrie auf Basis der heutigen Prozesse und deren erforderlichen Änderungen bzw. Erweiterungen haben gezeigt, dass insbesondere die »Hilfsprozesse« für VR-Meetings durch organisatorische Ansätze wie Referenzprozesse und Checklisten effizienter gestaltet werden können. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass bestehende VR-Systeme den Erfordernissen für eine starke Prozessintegration im Schiffbau bisher nicht gewachsen sind. Als Lösungsansatz wurde ein schiffbauspezifisches VR-Toolset entwickelt, welches den effektiven Einsatz von VR-Technologie durch starke Integration in die branchenspezifischen Prozesse ermöglicht. Das Toolset besteht aus Komponenten zur Unterstützung der Tätigkeiten entlang des Prozesses für eine VR-Untersuchung. Die Entwicklung weiterer Hilfsmittel erfolgt im derzeitigen Projekt POWER-VR.

Im Szenario »Interdisziplinäres Design-Review« wurde die Endmontageeignung einer Maschine überprüft, deren einzelne Baugruppen an verschiedenen Standorten entwickelt wurden. Das Hauptproblem dieser Reviews liegt in der Arbeit innerhalb eines interdisziplinären Teams. Dort treffen Planer, Konstrukteure sowie Fertiger aufeinander. Für ein gemeinsames produktives Arbeiten an einer Lösung muss es den Teilnehmern möglich sein, sich trotz der durch die unterschiedlichen Wissensdomänen bedingten »Sprachbarrieren« und trotz des unterschiedlichen Kenntnisstands auszutauschen. Durch den VR-Einsatz sollte ein größeres Verständnis der Probleme von Konstruktion und Fertigung erreicht und so die notwendige Abstimmung vereinfacht werden.

Für die Durchführung mussten die zu verwendenden Funktionen einfach gehalten werden, da ein starker Fokus auf der interdisziplinären Zusammenarbeit lag. Die erforderlichen Funktionen betrafen daher neben der Navigation das Anspringen der wichtigen Anschlusspunkte der Baugruppen sowie die Darstellung von ergänzenden statischen Bauteilinformationen. Als Eingabegerät wurde deshalb lediglich ein Flystick genutzt, der eine einfache Steuerung der verschiedenen Varianten sowie der benötigten Bauteilinformationen ermöglichte (Abb. 2 [6]).

Neben der eigentlichen Zusammenführung der Maschinenkomponenten sollte die Wartbarkeit einer speziellen Maschinenbaugruppe untersucht werden. Hierfür ist es erforderlich, eine Vielzahl an Verrohrungskomponenten auszubauen, um die Montagereihenfolge überprüfen und optimieren zu können. Dafür wurden bereits in der Vorbereitung Varianten definiert, die die einzelnen (De-)Montage-Schritte darstellen. Damit ist es dem Team möglich, Schritt für Schritt die Verrohrung um das wartungsbehaftete Bauteil zu entfernen und die Zugänglichkeit zu überprüfen. Gleichzeitig werden Optimierungen in der Verrohrung diskutiert, die die Zugänglichkeit erhöhen und die benötigte Demontage reduzieren. Für die Untersuchung der Zugänglichkeit kann zusätzlich ein virtuelles Menschmodell genutzt werden, das mit Hilfe eines Posenkatalogs passend zu den manuellen Montagetätigkeiten positionierbar ist. Die damit zur Verfügung stehenden Erreichbarkeits- und Sichtfeldanalysen unterstützen das Team bei der Beurteilung der Wartbarkeit. Dadurch war das Team in der Lage, viele Fehler und Ungenauigkeiten bei der Zusammenführung zu finden sowie Optimierungen der Montage und Wartung des zweiten Maschinenteils vorzunehmen.

Für die Vorbereitung des Workshops waren die CAD-Modelle der einzelnen Baugruppen aufzubereiten sowie Varianten für die Darstellung der einzelnen Montagereihenfolgeschritte zu definieren. Zusätzlich mussten die benötigten statischen Bauteil- und Baugruppen-informationen aus verschiedenen DV-Systemen des Unternehmens importiert werden. Für die Doku-

mentation wurden mit dem Flystick zu setzende virtuelle Marker zusammen mit Screenshots eingesetzt und im Anschluss in HTML-Seiten exportiert, um den betreffenden Mitarbeitern die notwendigen Veränderungen mitzuteilen.

Sowohl für die termingerechte Planung als auch für die Umplanung bei verspäteten Bauteilen ist neben der technologisch bedingten Montagereihenfolge die Kenntnis der terminlichen Randbedingungen auch umgebender Komponenten von Bedeutung. Das in USE-VR betrachtete Szenario »Verspätete Bauteile« ist daher eine häufig auftretende Aufgabenstellung im Bereich der Ausrüstungsmontage. Kann ein großes Bauteil nicht termingerecht geliefert werden, ist eine Strategie erforderlich, auf welchem Weg dieses Bauteil nachträglich eingebaut werden kann. Dabei soll der geplante Ablauf in der Montage so wenig wie möglich beeinträchtigt werden. Die Untersuchungen müssen eine schnelle Entscheidung ermöglichen, damit der notwendige Montagepfad freigehalten wird. Es besteht sonst die Gefahr, dass bereits verbaute Ausrüstung bei Lieferung des Bauteils wieder zu entfernen ist. Deshalb muss für dieses Szenario der Aufwand so gering wie möglich ausfallen.

In der Vorbereitungsphase gesetzte Bewegungsconstraints erlauben dem Anwender, das verspätete Bauteil im Rahmen der Möglichkeiten zu verschieben. Gerade bei schweren Bauteilen wird die beliebige Rotationsfreiheit eingeschränkt und es werden nur Bewegungen entsprechend der Kranfähigkeiten zugelassen. Gleichzeitig kann die Kollisionskontrolle dazu benutzt werden, um in Echtzeit zu überprüfen, welche Bauteile durchdrungen werden. Auf diese Weise werden Komponenten identifiziert, die noch nicht verbaut werden dürfen. Benötigte Hüllgeometrien zur Darstellung notwendiger Bewegungs- oder Einbauräume, sog. Störkanten, müssen dazu ggf. vorher eingebunden werden. Der in der VR-Session gefundene Montagepfad kann aufgezeichnet und später exportiert werden. Zusammen mit der Liste der kollisionsbehafteten Bauteile stellt das die Hauptdokumentationsform für dieses Szenario dar. Virtuelle Marker können zusätzlich gesetzt werden.

Hilfsmittel zur Festlegung oder Veränderung der Montagestrategie

Bei der Vorbereitung der Untersuchung ist sicherzustellen, dass alle notwendigen Informationen vorliegen und die Daten entsprechend aufbereitet wurden. Im Rahmen von USE-VR wurde dazu zum einen ein VR-Toolkit entwickelt, welches die bisherigen Analysemöglichkeiten der am Markt verfügbaren VR-Software erweitert und dazu Hilfsgeometrien wie Krane, Werkzeuge usw. über ergänzende Softwaremenüs zur Verfügung stellt. Zum anderen erlaubt der ViP-Composer (Virtual Production Workflow Composer) die vereinfachte Vorbereitung der VR-Session durch eine automatische Datenkonvertierung und eine aufgabenspezifische Anpassung der Benutzeroberfläche [1].

Zur Nutzung der beschriebenen Metainformationen und für eine automatische Modellvorbereitung wurde der ViP-Composer um einen Metadaten-Composer ergänzt (Abb. 3). Dieser erlaubt dem Anwender, die für die jeweilige Untersuchungsaufgabe relevanten Metadaten auszuwählen. Für Design-Reviews, detaillierte Montageplanungs-Workshops oder ergonomische Untersu-

chungen von einzelnen Montageaufgaben sind in der Regel unterschiedliche Metadaten relevant, so dass die jeweiligen Daten und die Form ihrer Anzeige zum Zweck der Benutzerfreundlichkeit des Systems im Vorwege der VR-Session bestimmt werden müssen. Sind die entsprechenden Metadaten vorhanden, kann das verwendete Modell durch das Setzen von Filtern so manipuliert werden, dass es einen gewünschten Zustand passend zu den eingestellten Bedingungen darstellt. Ein aufwendiges manuelles Aufbereiten durch Identifizieren und Verändern der relevanten Bauteilen entfällt.

Die ausgewählte Metadatenkonfiguration kann zusätzlich in Profilen gespeichert werden, die bei wiederholten Untersuchungen erneut geladen oder bei verändertem Informationsbedarf entsprechend modifiziert werden können. Der Composer übernimmt unter Nutzung dieser Profile die Zusammenführung der in den unterschiedlichen DV-Systemen der Werft – also CAD-System, PDM-System, PPS-System, weitere Datenbanken oder Planungssysteme – gespeicherten Metadaten. Für die Anzeigeform lässt sich im Composer auswählen, ob Metadaten in Textform (z.B. bei Anwählen des Objektes) dargestellt werden, ob eine Markierung der Objekte in der VR-Sitzung durch spezielle Farben oder Texturen erfolgt, oder ob Objekte in Abhängigkeit vom jeweiligen Wert ein- oder ausgeblendet werden. So können bspw. alle Bauteile ausgeblendet werden, die erst nach einem bestimmten Liefertermin verbaut und somit für die Untersuchung nicht von Interesse sind. Auch die Anzeige der genauen Einbaudaten oder eventueller Abhängigkeiten zwischen Bauteilen ist möglich und vereinfacht dem VR-Anwender schnell und übersichtlich die Beurteilung der Konsequenzen für den Montageablauf.

Zur Visualisierung der Montagefolge der Ausrüstungskomponenten wurde ein Montageplanungs-Assistent entwickelt, der die Festlegung der einzelnen Montageschritte mit Hilfe einer Invers-Planungssystematik unterstützt (Abb. 4). Ausgehend vom Endzustand der jeweiligen Montageaufgabe werden die Montageschritte in Form von Demontage-Aktivitäten geplant, indem jeweils die im vorhergehenden Montageschritt zu verbauenden Objekte auf dem zugehörigen Montagepfad verschoben bzw. bei unkritischen Teilen diese einfach ausgeblendet werden. In der räumlichen Umgebung des zu untersuchenden Montagepfads werden durch die Nutzung des Metadaten-Composers z. B. nur noch diejenigen Baugruppen oder Komponenten angezeigt, die bereits verbaut wurden und hinsichtlich Kollisionen während der Montage- oder Transportoperation zu untersuchen sind. Dabei kommen auch im Montageassistenten die aufgaben­unabhängig definierten Bibliotheken für Transportmittel und Werkzeuge bzw. Vorrichtungen des schiffbaulichen VR-Toolkits zur Anwendung. Durch die Zwischenspeicherung der auf diesem Wege generierten Montageschritte ergibt sich der Gesamtmontageablauf, der anschließend durchgängig in der vorgesehenen Montagereihenfolge visualisiert werden kann. Die Art und Weise des Ablaufs sowie die generelle Durchführbarkeit sind dadurch festgelegt und sichergestellt. In einer späteren Ausbaustufe soll darüber hinaus ein Vergleich von Montagestrategien möglich sein.

Die beschriebenen Tools helfen Planungsfehler bei komplexen Aufgaben der Ausrüstungsmontage zu vermeiden und untermauern so die Wirtschaftlichkeit des VR-Einsatzes. Da auch eine VR-Untersuchung mit Aufwand verbunden ist, zielen die vorgestellten VR-Hilfsmittel zusätzlich auf eine Automatisierung von Teilschritten für eine den Anforderungen entsprechende Session-Vorbereitung und somit auf eine geringere Vorbereitungszeit ab. Das Anlegen von Profilen im Metadaten-Composer macht bereits getätigten Vorbereitungsaufwand wieder verwendbar und die VR-Nutzung dadurch effizienter.

Zusammenfassung

Die VR-Technologie hat inzwischen einen Stand erreicht, der ihre Benutzung in der Unikatfertigung des Schiffbaus sowohl für kundenorientierte Darstellungen als auch für die werftinterne Planung ermöglicht. Eine Übereinkunft zwischen Zulieferern und Werften über die bevorzugten Datenformate und Inhalte bildet dazu die Voraussetzung. Die Verwendung von Space Allocation Models zur Reduzierung der Modellgröße sowie neutraler Austauschformate für Systemkompatibilität wurden beschrieben. Durch die Einbeziehung verschiedener Metainformationen über nutzungsrelevante Parameter, wie z. B. Gewichte, transportierte Medien oder den Einbau- und Lieferstatus von Komponenten kann VR als immersive, realitätsnahe Planungshilfe sukzessive ausgebaut werden, um im Vorwege Entscheidungen über die geeignete Montagestrategie zu treffen. Werden diese Metainformationen zur aufgabenspezifischen Aufbereitung des VR-Modells verwendet, kann dadurch die Planungssituation benutzerfreundlich veranschaulicht werden. Mit den vorgestellten VR-Tools wird die Nutzbarkeit von Metadaten in VR für verschiedene Problemstellungen in der Ausrüstungsmontage ermöglicht und damit die Prozessintegration von VR-Untersuchungen verbessert.


Hermann Lödding, Axel Friedewald, Martin Heinig