Mit Lösungen wie etwa der Hololens 2 von Microsoft erweitert sich nun die Bandbreite der AR-Gestaltungsmöglichkeiten.

Augmented und Mixed Reality (AR/MR) tragen dazu bei, die Effizienz der Belegschaft zu steigern, indem diese Technologien dort Informationen liefern, wo sie am dringendsten benötigt werden: im realen Kontext der täglichen Arbeitsumgebung. Neben Smartphones und Tablets bot die seit 2016 erhältliche erste Hololens-Datenbrille von Microsoft bereits eine effektive Möglichkeit, digitale Zwillinge von physischen Produkten oder Maschinen oder gar nur rein digital existierende Pro-totypen von neuen Entwicklungen in den Raum oder auf einen Tisch zu projizieren und es mehreren verteilten Personen zu ermöglichen, gemeinsam daran zu arbeiten. Einer der Vorteile gegenüber anderen Ausgabemedien waren hier schon die freien Hände des Mitarbeiters, die beispielsweise in der Produktion schnelle angeleitete Montagen oder im Service rasche Wartungen und Reparaturen ermöglichten, während das Produkt oder die zu wartende Maschine vor ihnen mit digitalen Anzeigen, Anleitungen und Leistungsdaten überblendet wurde. Allerdings sorgten das eher kleine Sichtfeld, die nicht immer optimal funktionierende Steuerung per Fingerzeichen, ergonomische Aspekte wie Gewicht und Schwerpunkt sowie zu guter Letzt der eher stolze Preis von 3.000 US-Dollar dafür, dass sich die Hololens 1 nicht in der Breite durchgesetzt hat.

Den Tragekomfort verbessert: Die Hololens 2 besitzt unter an­derem einen ausgewogeneren Schwerpunkt als das Vorgängermodell.

© Microsoft

Mit der Hololens 2 hat Microsoft auf dem diesjährigen MWC in Barcelona die zweite Generation der Mixed-Reality-Brille auf den Markt gebracht – mit einer Vielzahl neuer Gestaltungsmöglichkeiten wie zum Beispiel der intensiveren ‚Immersion‘. Damit sehen Hologramme noch lebendiger und realistischer aus. Verglichen mit dem Vorgänger hat das Gerät zudem ein mehr als doppelt so großes Sichtfeld, während die Auflösung von 47 Pixeln pro Sichtgrad beibehalten wurde. Möglich wird diese Leistungssteigerung durch ein neues Anzeigesystem mit verbesserten 2K-Displays, das zugleich nur sehr wenig Energie verbraucht. Darüber hinaus wurde die Interaktion mit Hologrammen grundlegend überarbeitet: Dank eines neuen Time-of-Flight-Tiefensensors, eingebauter Künstlicher Intelligenz und einer integrierten, semantischen Analyse gestaltet sich der Umgang mit Hologrammen so intuitiv wie mit Objekten in der realen Welt. So lassen sich nun auch die Hände bei der Objektsteuerung einsetzen, die vom ersten Modell noch nicht erkannt wurden. Last but not least verfügt die aktuelle Version über integrierte Eyetracking-Sensoren. Diese ermöglichen beispielsweise die biometrische Authentifizierung per Iris-Erkennung via ‚Windows Hello‘, sodass das Gerät von mehreren Personen in einem Unternehmen einfach und sicher nutzbar ist.

Einer der größeren Kritikpunkte am ersten Hololens-Modell war der Tragekomfort. Dem hat Microsoft Rechnung getragen und bei der neuen Generation für einen ausgewogenen Schwerpunkt gesorgt, damit das Gerät auch bei längerer Nutzung angenehm zu tragen ist. Durch die Verwendung von Kohlenstofffasern ist das aktuelle Modell zudem leichter als der Vorgänger und ein ebenfalls neuer Mechanismus erlaubt es, die Brille beim Aufsetzen komfortabel jeder Kopfform anzupassen. Außerdem lässt sich das Visier hochklappen, wodurch ein Wechsel von der gemischten in die physische Realität in wenigen Sekunden möglich ist. Der Preis ist mit 3.500 US-Dollar für das Basis-Modell zwar in der gleichen Dimension wie beim Vorgänger-Modell angesiedelt, allerdings hat sich das Preis-Leistungs-Verhältnis stark verbessert. 

Bereits Microsoft bietet mit einer Vielzahl an Mixed-Reality-Programmen und -Werkzeugen zahlreiche Vorlagen, Anleitungen und Services zur schnellen Erschaffung eigener AR-Erfahrungen. Eines dieser interessanten Werkzeuge ist beispielsweise Azure Spatial Anchors, mit der sich plattformübergreifende MR-Anwendungen mit räumlichem Bezug erstellen lassen. Damit kann der Anwender unter anderem bestimmte Dashboards mit Zustands- oder Prozessinformationen sowie virtuelle Knöpfe und Schalter fest an einzelnen Maschinen oder Geräten im Produktionsumfeld verankern. Diese sind anschließend sowohl mit der Hololens 2 als auch mit iOS- und Android-Geräten abrufbar. Auch Wegeleitsysteme können auf diese Art erstellt werden.

Digitale Systemdaten als wertvolle Basis

Schritt-für-Schritt-Anleitungen helfen auch neuen ­Mitarbeitern bei der fehlerfreien ­Montage.

© Microsoft

Bei der Frage nach den Quellen der AR-Inhalte kommen die Unternehmen selbst ins Spiel sowie ihre größtenteils schon vorhandenen Produkt-, Kunden- oder Prozess- daten aus dem CAD-, PLM-, MES-, ERP- oder CRM-System. Mit AR-Plattformen wie ‚Vuforia Studio‘ lassen sich aus den vorhandenen Produkt- und Systemdaten dann schnell und einfach eigene AR-Anwendungen kreieren. Genauer gesagt nutzt Vuforia Studio die 3D-CAD-Daten von Produkten, Maschinen oder ganzen Anlagen, um virtuelle Abbildungen erstellen zu können, die frei in den Raum oder auf das physische Pendant projiziert werden. Selbst Echtzeitdaten – etwa von Sensoren –, die über IIoT-Plattformen wie ThingWorx (Plattform für industrielle Innovation von PTC) erfasst werden, können mittels dieser Technologie bei Bedarf einbezogen und angezeigt werden. Dazu sind keine Programmier- oder Codierungskompetenzen notwendig. Per einfachem und intuitivem Drag-&-Drop-Verfahren und mit Hilfe von vorbereiteten Widgets reduziert sich die Zeit zur Erstellung von AR-Inhalten von Tagen und Wochen auf Stunden oder sogar auf wenige Minuten.

Alles fängt in der Produktentwicklung an

Allein die Möglichkeiten der ebenfalls noch recht jungen IoT-Technologie bescheren der Produktentwicklung bereits einen enormen Mehrwert, indem vorher nicht bekannte Felddaten zur Verfügung stehen – natürlich vorausgesetzt, dass diese im laufenden Einsatz beim Kunden erhoben werden. Damit sind Entwickler und Ingenieure nicht mehr nur auf Kundenumfragen oder die Analyse ausgetauschter Geräte und Maschinen angewiesen, um Erkenntnisse für neue und bessere Serien zu gewinnen.

Über den digitalen Zwilling erhalten die Kunden von Howden auch vorausschauende Instandhaltungs­warnungen.

© PTC

AR bringt nun einen weiteren Effizienzschub in die Produktentwicklung. Im Mittelpunkt steht hierbei die Zusammenarbeit oftmals an mehreren Standorten tätiger Entwicklungsteams. Zunächst einmal kann AR dafür sorgen, dass vor allem in den ersten Entwicklungsstadien eines Produkts keine aufwendigen physischen Prototypen mehr gebaut werden müssen. Der Entwickler projiziert einfach ein digitales Modell des Prototyps in den Raum oder auf einen Tisch. Dieses Modell lässt sich nun von allen Seiten betrachten und entsprechend seiner Vorstellungen verändern, etwa mit Hilfe von Sprachbefehlen oder Gesten. Dabei kann sich der Entwickler sogar darin bewegen, sich verschiedene Baugruppen anzeigen lassen oder in Details zoomen. Ein Kollege an einem weiteren Standort verfährt genauso, wobei Änderungen dem jeweils anderen Teammitglied sofort vor Augen geführt werden.

Auf diese Art und Weise ermöglicht beispielsweise der Autohersteller Ford seinen Ingenieuren die Echtzeit-Kommunikation zu den neuesten Entwicklungen und geht hier sogar einen Schritt weiter in der Mixed-Reality-Welt: Mittels Virtual-Reality-Technologie (VR) erschafft Ford eine virtuelle Werkstatt, in der sich alle beteiligten Ingenieure von unterschiedlichen Standorten aus in Echtzeit zu 3D-Hologrammen von Fahrzeug-Prototypen in Originalgröße austauschen können. Alle Details wie Position des Lenkrads, der Winkel des Armaturenbretts oder die Position der verschiedenen Instrumente und Bedienelemente lassen sich so schnell und einfach klären.

Neben der Art der Produktentwicklung verändert AR die Produkte selbst. Mit der erweiterten Realität können beispielsweise weniger physische Bedienelemente notwendig werden, indem Mobilgeräte-Apps die Bedienung von Produkten erweitern oder gar vollkommen ersetzen. So brauchen sich die Ingenieure bei Ford vielleicht bald schon keine Gedanken mehr über die Position bestimmter Bedienelemente machen, da sich jeder Kunde diese über eine Datenbrille in seinem gewünschten Design einblenden lassen kann. Mit zunehmender AR-Personalisierung und dem Wegfall traditioneller Knöpfe, Schalter und Bedienfelder sind die Produkte zudem kostengünstiger produzierbar und können zu einem geringeren Endpreis angeboten werden, da die AR-Benutzerschnittstelle rein softwarebasiert ist und über die Cloud bereitgestellt wird – und das alles mit nur geringen Zusatzkosten.

AR in Produktionsumfeld

Sobald die Entwicklung des Produkts abgeschlossen ist, geht es an die Produktion. Auch hier können AR-Geräte Produktions- und Montage-Anweisungen in die reale Arbeitsumgebung einblenden und auf diese Weise bisherige Prozesse optimieren, da neben dem Bedarf an Schulungen für bestimme Produktionsreihen auch die Fehlerquote sinkt. Mit ‚Vuforia Expert Capture‘ hat PTC hier auf der diesjährigen Hannover Messe eine AR-Lösung vorgestellt, die als Datenquelle unter anderem auf die Erfahrung der Mitarbeiter im Unternehmen setzt, indem sie deren Wissen und Know-how bei bestimmten Arbeitsabläufen und Prozessen aufzeichnet. Damit bleibt dieses Wissen selbst nach dem Ausscheiden erfahrener Mitarbeiter für die kommenden Generationen erhalten.

BAE Systems schult neue Mitarbeiter mittels AR bei der Montage von Akku-Zellen.

© PTC

In der Praxis funktioniert dies wie folgt: Erfahrene Werker verrichten mit Hilfe einer Microsoft Hololens oder einem Head Mounted Tablet beispielsweise von Realwear ihre Montage-Aufgaben. Dabei werden sowohl Bild als auch Sprache aufgezeichnet, sodass der ausführende Mitarbeiter auch Tipps oder Erklärungen zu bestimmten Vorgehensweisen einbringen kann. Im Anschluss lassen sich die erfassten Verfahren in einer sicheren, SaaS-basierten Umgebung verfeinern, indem jede einzelne Sequenz mit Text-, Bild- und Videomaterial entsprechend aufbereitet sowie bei Bedarf und zur Verständnisförderung mit zusätzlichen Informationen angereichert wird. Das Ergebnis sind selbsterstellte Tutorials für alle möglichen Arbeitsaufgaben und Prozessschritte, die anschließend unter anderem auf der Datenbrille den Betriebsmitarbeitern im gesamten Unternehmen zur Verfügung stehen.

Parallel können AR-Systeme wichtige Überwachungs- und Diagnosedaten zu jeder Maschine und zu jedem Prozess visualisieren, um Produktionsleiter und Wartungstechniker rechtzeitig vor drohenden, teuren Ausfallzeiten zu warnen. Mit Hilfe der erwähnten Azure Spatial Anchors können beispielsweise alle wichtigen Maschinen und Anlagen mit entsprechenden Anzeigen versehen werden, die mit der Datenbrille schnell überschaubar sind.

Service und Wartung – die Killer-Applikation

Der Servicebereich war eine der ersten Killer-Applikationen für AR im industriellen Umfeld und ist es auch heute noch – so zum Beispiel bei Howden. Der weltweit tätige Maschinenbauer stellt Industrieprodukte her, die sich von der Grubenbelüftung über die Abwasserbehandlung bis hin zu Heizung und Kühlung erstrecken. Das schottische Unternehmen konnte seine Servicequalität entscheidend verbessern, indem es auf der Basis bestehender 3D-Modelle mit Vuforia Studio skalierbare, schrittweise Mixed-Reality-Serviceanleitungen erstellt.

Durch die Integration von Echtzeit- und historischen IoT-Daten von ThingWorx und Microsoft Azure verbessert das Unternehmen Howden die Erfahrung seiner Kunden mit ihren in der Regel prozesskritisch arbeitenden Anlagen und ermöglicht es auch eher unerfahrenen Mitarbeitern, an diesen zu arbeiten. Sobald sie vor eine solche Anlage treten, wird diese von der Hololens 2 erkannt und mit einem digitalen Zwilling überblendet. Soll beispielsweise ein bestimmtes Bauteil getauscht werden, kann über den digitalen Zwilling eine Schritt-für-Schritt-Anleitung dargestellt werden. Darüber hinaus werden ergänzende Anzeigen eingeblendet, die den Mitarbeiter jederzeit über den Leistungsstatus der Anlage sowie weitere vorab definierten Anlagen- und Umgebungsparameter in Echtzeit informieren. Die Kunden erhalten somit direkt vor Ort Einblicke in die Betriebsbedingungen und die Leistung der Geräte, die sie so zuvor nicht hatten.

Den Nutzen von AR für die Ausbildung neuer Kollegen und die Fortbildung der bestehenden Belegschaft hat auch BAE Systems erkannt, eines der größten Luftfahrt- und Rüstungsunternehmen. Da die Nachfrage nach effizienten und emissionsarmen Elektromotoren in den letzten Jahren rasant angestiegen ist – und damit auch das Produktionstempo –, sollen neue Mitarbeiter helfen, diesen Bedarf fristgerecht zu decken. Bei einem solch komplexen Produkt – hier speziell die Batterien – ist das jedoch einfacher gesagt als getan: BAE Systems musste nach innovativen Lösungen suchen, um das zeit- und kostenintensive Training so effizient wie möglich zu gestalten, damit neue Mitarbeiter schnell vollwertig einsetzbar sind. Bisherige Lernmethoden beschränkten sich oftmals auf das passive Zuschauen bei Arbeitsabläufen, den Einsatz von Lernvideos oder auf das Lesen eines Handbuchs – interaktives Lernen: Fehlanzeige!

Mit Hilfe von Vuforia Studio konnte BAE Systems innerhalb weniger Stunden und zu einem Zehntel der Kosten interaktive Mixed-Reality-Experiences für die Hololens erstellen und auf der Grundlage dieser geführten Schritt-für-Schritt-Arbeitsanweisungen die Montage von Akku-Zellen beschleunigen sowie die Schulung neuer Mitarbeiter letztlich um 30 bis 40 % effizienter gestalten.

Die genannten Beispiele zeigen, dass die erweiterte Realität schon längst im Praxis-einsatz angekommen ist. Trotzdem stehen wir erst am Anfang einer großen Welle. Mit der zunehmenden Digitalisierung von Unternehmensdaten und -prozessen als Basis für IoT-Anwendungen wird auch das Spektrum der AR-Anwendungen breiter.

Autor: 
Markus Hannen ist Technical Sales Vice President bei PTC.