Die dritte Dimension Experten-Roundtable: AR, VR und MR im Maschinenbau

Redakteur: Anke Geipel-Kern

Beim Verpackungsmaschinenbauer Optima loten mehrere Abteilungen die Einsatzmöglichkeiten von Virtual und Augmented Reality aus. Im Gespräch mit Dr. Christoph Runde (VDC Fellbach) diskutierten Optima-Vertreter, wie Planer, Werker und Servicetechniker in die digitale Infrastruktur integriert werden können.

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Virtual und Mixed Reality begeisterten die Roundtable-Teilnehmer beim Verpackungsmaschinenhersteller Optima. Erste Anwendungen gibt es – und die AR/VR/MR-Zukunft sieht vielversprechend aus.
Virtual und Mixed Reality begeisterten die Roundtable-Teilnehmer beim Verpackungsmaschinenhersteller Optima. Erste Anwendungen gibt es – und die AR/VR/MR-Zukunft sieht vielversprechend aus.
(Bild: Jürgen Weller Fotografie)

Eine Technologie, die noch in den Kinderschuhen steckt, gibt in der Regel Anlass zu Zweifeln. Ist alles nur Spielerei? Gibt es einen tatsächlichen Nutzen? Wird sie auch noch in 20 Jahren Relevanz haben oder ist sie ein Hype, den man in zwei Jahren schon wieder vergessen kann? Bei Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) kommt noch eine Frage dazu: Können Technologien, die man vor allem im Games-Bereich verbreitet sind, für "ernsthafte" Anwendungen in der Industrie von Wert sein?

Großkonzerne als AR/VR-Vorreiter

Und ob! AR/VR-Anwendungen bringen vielen Branchen Vorteile. Anfangs waren es in erster Linie Großkonzerne aus der Ölbrache, der Luftfahrttechnik und der Automotive-Industrie, bei denen AR/VR-Methoden kommerziell genutzt wurden. Inzwischen trifft man Menschen mit VR- und AR-Brillen immer häufiger auf Technik-Messen an. Zum Beispiel auf der Verpackungsmesse Interpack 2017, wo einige Spezialmaschinenbauer ihre VR- und AR-Anwendungen zeigten.

Die Brillenträger murmelten irgendwelche Kommandos und vollführten im luftleeren Raum kleine Gesten, so als wollten sie dort einen Schalter umlegen. Aber welches Geschäftsmodell steckt dahinter? Bei der Optima Packaging Group GmbH sieht man gleich in drei Anwendungsfeldern einen großen Nutzen:

  • im Engineering,
  • im Service und
  • bei Schulungen.

Das ist die Quintessenz einer Roundtable-Diskussion bei dem Schwäbisch Haller Verpackungs- und Abfüllmaschinenbauer.

Für Serviceleute wird Mixed Reality bald selbstverständlich sein

Einer, der vor allem Mixed-Reality-Anwendungen eine große Zukunft im Spezialmaschinenbau vorhersagt, ist Michael Wratschko, Gruppenleiter Service bei Optima Nonwovens. Auf der Interpack 2017 hatte er zusammen mit seinen Kollegen gezeigt, wie die erweiterte Realität Service-Mitarbeiter und Kunden künftig unterstützen kann. „Anfangs dachten wir: So eine HoloLens ist ein toller Messe-Gag. Da bleiben die Besucher stehen“, gibt Wratschko zu. „Im Fokus standen für uns Mixed-Reality-Anwendungen auf dem Tablet.“ Doch eine Adaption für die HoloLens, die mit Anleitungen und Lehrvideos bei Instandhaltungsaufgaben unterstützt, stieß bei zahlreichen Besuchern auf großes Interesse. „Viele Kunden wollen nun damit starten“, so Wratschko, „bei einem unserer größten Kunden haben wir bereits damit begonnen, eine Mixed-Reality-Service-Anwendung mit HoloLens einzuführen.“

Für Wratschko steckt die AR-bzw. Mixed-Reality-Technologie dennoch in den Kinderschuhen. „Aber die drücken inzwischen schon“, so sein Mitarbeiter Arne Sanwald. Seine Vision: „Es wird wenige Jahre dauern, bis Mixed Reality als Handwerkszeug für die Serviceleute ganz selbstverständlich sein wird. Sie werden die Brille, natürlich eine deutlich komfortablere Variante als heute, morgens aufsetzen und mittags wird sie der Kollege in der Kantine darauf aufmerksam machen, dass sie sie immer noch tragen.“

Sondermaschinenbauer wie Optima profitieren von den Erfahrungen großer OEMs im Automobil- und Flugzeugbau, die mit beträchtlichen Ressourcen Mitte der 1990er Jahre mit VR-, AR- und Mixed-Reality-Methoden zu experimentieren begannen. Davon ist Dr. Christoph Runde, Leiter des Virtual Dimension Center (VDC) in Fellbach überzeugt. „Im Produktentwicklungsprozess sind dort bereits virtuelle Quality Gateways festgeschrieben. So weit ist die mittelständisch geprägte Maschinenbau-Branche noch nicht, auch wenn etliche Firmen bereits VR-Methoden zur Entwicklungsunterstützung nutzen.“

Mit dem digitalen Zwilling zum virtuellen Prototypen

Dies bestätigt Gustav Marwitz aus dem Optima Engineering: „Wir nutzen VR, um uns unsere Konstruktionen im Detail anzuschauen. So entdecken wir Möglichkeiten, sie zu verbessern, bevor sie in Stahl gegossen sind. Mit dem sogenannten digitalen Zwilling sichern wir beispielsweise Zugänglichkeiten für die Instandhalter bereits am virtuellen Prototypen ab.“

Seit Dezember 2015 können die Planer dazu die Virtual Wall (Powerwall) im VR Center des Vereins Packaging Valley Germany in Schwäbisch Hall verwenden. „Vor fünf Jahren haben wir begonnen, uns mit der Logiksimulation zu beschäftigen. Doch die Werkzeuge waren damals für den Maschinenbau noch nicht wirklich geeignet, zum einen die Kostenstruktur, zum anderen die Anwendbarkeit betreffend“, so Entwickler Marwitz. Seitdem ist jedoch viel passiert. Im Engineering fokussiert sich Optima nicht ausschließlich auf den reinen Entwicklungsprozess; in der Opportunity-Phase werden Kunden ebenso virtuell mit einbezogen wie bei Design-Reviews. VDC-Chef Runde bekräftigt: „Alles, was man vor dem eigentlichen Bau einer Anlage erledigen kann, kostet um ein Vielfaches weniger als das Nacharbeiten mit der Flex.“

Nicht zu unterschätzen seien die neuen Techniken als Motivator, glaubt man bei Optima. Das gelte intern, aber auch extern. Die Optima-Kundenbetreuer berichten von begeisterten Reaktionen der Kunden, wenn sie "ihre" Anlage im VR Center erstmals virtuell erleben. Die Bereitschaft sei da, sich mit Detailfragen aus dem Blickwinkel eines Operators oder des Instandhaltungspersonals bereits in der Planungsphase zu beschäftigen.

Arne Sanwald beobachtet den Motivationseffekt vor allem bei der jüngeren Generation. Man könne einfach mal eine HoloLens ins Entwicklerbüro stellen, dann würden sich die Mitarbeiter ganz automatisch mit den Möglichkeiten auseinandersetzen. Sanwald rechnet mit einer deutlichen Verbesserung der Technik, die Marwitz heute immerhin schon "zufriedenstellend" findet. AR/VR-Experte Runde hält es sogar für möglich, dass die Neuauflage der zwischenzeitlich totgesagten Google-Glasses mit Fokus auf Industrieanwendungen frischen Wind in diesen Markt bringen könnte. Auch eine nächste Version der HoloLens werde es geben. „Die Brille ist als weiteres Interface nicht mehr wegzudenken, um an Daten und Informationen zu gelangen, wenn der Operator oder Maintenance-Mitarbeiter in der Maschinenhalle oder Anlage unterwegs ist“, sagt Runde.

Ohne gute Netzinfrastruktur kein AR/VR/MR

Dennoch gelte es eine Hürde zu nehmen. „Der Nutzen für unsere Kunden steht und fällt mit der Bandbreite der Datenübertragung“, so Gustav Marwitz vom Optima Engineering mit Blick auf die Einbindung in Industrie 4.0-Anwendungen. Die technische Infrastruktur - zum Beispiel ein leistungsfähiges WLAN - sei eine Investition in die Zukunft. da waren sich die Roundtable-Teilnehmer einig. Auch die Bereitschaft zu Cloud-Anwendungen sowie Investitionen in die Security werden von den Diskutanten als notwendig erachtetet. „Dann sind derartige Services künftig auch für Sondermaschinen machbar – mit dem entsprechenden Payback, etwa über reduzierte Stillstandzeiten oder die schnellere Inbetriebnahme“, meint Wratschko.

Der Leiter der Gruppenleiter Service bei Optima Nonwovens denkt an die Zeit zurück, als im eigenen Haus die Entscheidung pro VR/AR-Techniken fiel. „Vor fünf, sechs Jahren begannen wir, Kundenfeedback zu sammeln. Das Interesse war da, aber der Markt war noch nicht so reif, dass alle draufsprangen. Aber wer hundertprozentig sicher sein will, der ist hundertprozentig zu spät. Es ist einfach so. Wer Frontrunner sein will, muss frühzeitig investieren. Das ist unser Motto bei Optima Nonwovens.“ Heute kann sich Wratschko über zahlreiche Anfragen auch aus anderen Industriebereichen, etwa aus dem Pharma- oder Consumer-Sektor, freuen.

Logistikunternehmen "auf die Brille gebracht"

Für Wratschko gilt es nun, "dranzubleiben". Die Entwicklungsmethode Engineering 3.0 legt bei Optima die Basis durch Digitalisierung und Simulation, in der ersten Zeit allerdings noch ohne virtuelle Methoden. Das änderte sich, als Ende 2016 die HoloLens für Entwickler verfügbar wurde. „Wir haben die Logiksimulation auf die Brille gebracht“, berichtet Marwitz. „So können wir die Maschine nun virtuell auf dem Schreibtisch platzieren, sie mit einer Steuerung verbinden – und sie fängt an, sich zu bewegen.“

Für die Entwicklung des Projekts ZERO, bei dem radikal reduzierte Formatwechselzeiten bei einem Stapler für Femcare-Produkte im Mittelpunkt standen, nutzten die Optima Ingenieure die VR-Umgebung. Unter anderem lag der Fokus auf der Ergonomie. „Unsere komplette Entwicklungsmannschaft hat an den VR-Sitzungen teilgenommen“, erinnert Marwitz, „und dabei gab es bei einigen Konstrukteuren Aha-Effekte.“ Genutzt wurden unter anderem Avatare, deren Größe dem künftigen Nutzer angepasst wurde. 1,40 m große Asiatinnen oder 1,90 m große Nordeuropäer haben eben ganz unterschiedliche Bedürfnisse. Mithilfe des Avatars kann sich auch der mitteleuropäische Konstrukteur hineinversetzen und sogar die Belastung für bestimmte Muskelpartien sichtbar machen.

Ist damit eine Zeitersparnis bei der Konstruktion verbunden? Nicht unbedingt, gibt Marwitz zu verstehen. Allerdings werde die Phase der Optimierung vorgezogen, sodass die Maschine letztendlich schneller fertiggestellt werden könne. „Früher haben die Konstrukteure noch an der Maschine gearbeitet, wenn die Maschine eigentlich schon fertig war.“ Den Zeitgewinn genau zu beziffern falle jedoch schwer bei einer Fehlervermeidungstechnologie, meint Runde vom Fellbacher VDC. „Dazu müsste ich wissen, welche Fehler ich ohne die VR-Methode gemacht hätte.“

Ähnlich schwer fällt die genaue Potenzialanalyse bei Mixed-Reality-Anwendungen im Maintenance-Bereich. Höchstens eine Abschätzung sei möglich. „Wie viele Servicefälle kann ich über ein einfaches Telefonat lösen? In wie vielen Fällen geht das nicht – und kann ich mir es dann durch eine Mixed-Reality-Anwendung sparen, einen Servicetechniker in den Flieger nach Neuseeland zu schicken? Oder handelt es sich vielleicht sogar um ein Betreibermodell?“ Runde skizziert damit mögliche Business Cases. Man könne so etwas berechnen, unter Einbeziehung entsprechender Statistiken, meint er, „aber es ist wohl sinnvoller, einfach Erfahrungen zu sammeln und es auszuprobieren.“

Verzicht auf den Mock-up erfordert Force Feedback

Ein Beitrag zum ROI der VR-Anwendungen würde sich ergeben, wenn Spezialmaschinenbauer auf den Mock-up-Bau verzichten könnten, wie er etwa bei Optima Pharma üblich ist. Ansatzweise ist das bereits der Fall. Doch die aktuelle Technik im VR-Center unterstützt den Tester noch suboptimal. Marwitz: „Wir rechnen damit, dass in ein bis zwei Jahren mithilfe eines digitalen Handschuhs auch die virtuelle Haptik Realität wird.“ Force Feedback beim virtuellen Anstoßen eines Bauteils an der virtuellen Wand der Anlage werde für eine höhere Akzeptanz beim End-User sorgen. Marwitz verweist in diesem Zusammenhang auf das Forschungsprojekt PEBeMA – Phasenübergreifende Entwicklung von Benutzerschnittstellen im Maschinen- und Anlagenbau, an dem sich Optima beteiligte und das die nutzerzentrierte HMI-Entwicklung ins Zentrum stellte.

Runde zeigt sich jedoch skeptisch: „Force Feedback auf den Fingerkuppen reicht nicht aus, wenn der User nicht auch am Arm spürt, wenn er gegen eine Wand stößt.“ Er erwähnt vom Nutzer geführte Gelenkarmsysteme, die im Falle eines haptischen Konflikts eine Kraftrückkopplung bewirken, sowie Exoskelette, wie sie derzeit für VR-Spiele auf den Markt kommen. „Ich kann mir vorstellen, dass das auch für uns eines Tages nutzbar wird“, meint Wratschko, „dann wäre der Mock-up-Bau wirklich nicht mehr State-of-the-Art.“

AR/MR lebt von der Datenbasis

Die große Begeisterung für Augmented- und Mixed-Reality-Anwendungen, die er seit der Interpack 2017 bei seinen Kunden verzeichnet, ist für Wratschko zwar sehr erfreulich, dennoch warnt er: „Das Thema ist komplexer, als sich viele das vorstellen. Es reicht nicht, sich einfach eine AR-Brille anzuschaffen. Zunächst muss die Datenbasis vorhanden sein.“ Wenn es Kunden „gefühlt zu komplex“ werde, unterstütze Optima gerne. Ohne die notwendigen Daten wie beispielsweise Stücklisten, 3D-Modelle, Wartungspläne, Datenblätter und Einbauanleitungen könne eine Brille wie die HoloLens zumindest genutzt werden, um bei Instandhaltungsmaßnahmen remote zu unterstützen: „Unser Servicetechniker kann dann quasi mit den Augen des Kunden, der die Brille trägt, auf die Anlage sehen“, erläutert der Gruppenleiter, „für einige ist das eine schöne Einstiegsanwendung.“

Dr. Christoph Runde, VDC Fellbach: „Es darf nicht passieren, dass ein Anwender künftig fünf AR-Brillen vorhalten muss, weil er Maschinen von fünf verschiedenen Maschinenbauern betreibt.“
Dr. Christoph Runde, VDC Fellbach: „Es darf nicht passieren, dass ein Anwender künftig fünf AR-Brillen vorhalten muss, weil er Maschinen von fünf verschiedenen Maschinenbauern betreibt.“
(Bild: Jürgen Weller Fotografie)

Für weitere Nutzungsmöglichkeiten unterstützt eine spezielle IT-Abteilung bei Optima. Sie übernimmt die Datenaufbereitung und stellt das gesamte Back-End zur Verfügung, damit es der User über Tablet oder HoloLens verwenden kann. Auch Dokumente des Kunden können eingebunden werden. Sanwald bestärkt: „Es gibt für den Kunden nichts Schöneres, als seine bereits erstellten Wartungspläne in unserem Total Care-Produkt TCAM eingebunden wiederzufinden.“

An einer Anpassung dieser Daten für die Anwendung auf dem AR-Front-End komme man jedoch nicht herum – ganze PDF-Seiten in das Sichtfeld eines HoloLens-Trägers einzublenden sei nicht sinnvoll. Dr. Runde rät zu einfachen Dialogen oder Piktogrammen: „Man kann sich an Bereichen wie Blended Learning oder auch Responsive Webdesign orientieren. Auch für das Navigieren, zum Beispiel über Sprachsteuerung, müssen die Applikationen angepasst werden. Allgemein ist die Vorbereitung des Backends eine Baustelle, die dringend angegangen werden muss“.

Mit VR Maschinen im Reinraum "zerpflücken"

Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld für VR- und AR-Methoden ist die Schulung. Alexander Hermann, Training Manager bei Optima Pharma, urteilt: „Das Wichtigste für mich als Lehrender ist Anschaulichkeit – und die ist im VR Center gegeben.“ Doch er weist auch darauf hin, dass es mit dem Vorhandensein einer Powerwall nicht getan ist. Wie bei jeder Form von Schulung sei die Aufbereitung der Inhalte entscheidend. Der rote Faden, und damit ein Konzept, sei wichtig, das unterschiedliche Medien und Möglichkeiten einbeziehen kann. Dies müsse unterschiedlichen Lern-Leveln und selbstverständlich auch den verschiedenen Zielgruppen wie Operator, Validierer und Maintenance-Mitarbeiter gerecht werden. „Durch die Einbeziehung der VR-Techniken ergeben sich tolle Möglichkeiten; wir haben hier einfach ein Werkzeug mehr zur Verfügung“, so Herrmann.

In der ersten Phase gehe es um Terminologien und technisches Verständnis. In weiteren Phasen könne das VR-Center auch genutzt werden, um mit den Lernenden zusammen kurze Videos zu erstellen, die sich dann in die Power-Point Schulungsunterlagen integrieren lassen. „Allein mit VR/AR lässt sich jedoch keine Dreitagesschulung gestalten. Nach zwei Stunden ist der Aha-Effekt weg – und länger kann man eine 3D-Brille am Stück auch fast nicht tragen. Dann schaltet man besser in den 2D-Modus.“ Hermann sieht auch Möglichkeiten, den besonderen Herausforderungen von Reinraumanwendungen zu begegnen. „Dort kann ich ja nicht zu Schulungszwecken einfach mal rein und die Maschine auseinander pflücken. Daher habe ich die Bediener einer solchen Reinraumanlage, die bereits in Betrieb ist, in das VR Center eingeladen. Mal sehen, was da passiert“, meint Herrmann gespannt.

App oder browserbasierte Lösung: Was setzt sich durch?

Und was wird die Zukunft bringen? VR-Guru Runde ist "extrem neugierig" auf den „Kampf um die Ökosysteme.“ Wird es bei AR/VR/MR ähnlich sein wie bei Smartphones, wo Apps entweder auf iOS- und Android-basierten Geräten funktionieren? Oder werden sich browserbasierte Lösungen durchsetzen, die auf allen Systemen laufen. „Dieses Rennen um die Ökosysteme ist gerade in vollem Gange“, weiß Runde. Optima-Entwickler Marwitz weist darauf hin, dass sein Unternehmen webbasierte Systeme nutzt. "Wir können unserem Kunden ja nicht vorschreiben, welche Devices er zu nutzen hat“, so sein Credo.

Die Roundtable-Teilnehmer rechnen einhellig damit, dass neben der HoloLens von Microsoft auch die Vive (von HTC und Valve), das neue System von Apple (mutmaßlicher Name: iGlass), Oculus Rift sowie die angekündigte nächste Google-VR-Brillenversion eine Rolle auf dem Markt spielen werden (Übersicht über VR- und Datenbrillen).

Nicht passieren dürfe aber, dass ein Anwender künftig fünf Brillen vorhalten müsse, weil er Maschinen von fünf verschiedenen Maschinenbauern betreibe, so Runde. Wratschko: „Daher ist es wichtig, dass wir bei der Entwicklung von VR- und AR-Technologien vorne mit dabei sind. Als Leader werden wir – egal ob plattformunabhängig oder nicht – weniger Adaptionsprozesse zu vollziehen haben.“

Die neuen Hidden Champions sind datengetrieben

Der Optima-Servicefachmann hebt die Stärken der HoloLens hervor. So sei das Tracking für AR Anwendungen "unschlagbar". Die bestehenden Android-Lösungen könnten da nicht mithalten. Vor diesem Hintergrund hält er es für gerechtfertigt, auch die einen oder anderen Device-abhängigen Features zu nutzen, wenn der Großteil der Anwendungen plattformunabhängig bleibt, und sagt: „Was morgen der Front-End-Markt zeigt, entscheiden wir morgen. Unser Fokus ist das Back-End, die Datenbasis – und diese Infrastruktur können unsere Kunden jetzt bereits nutzen. Für die, die das wollen, wird Mixed Reality mittels Tablets und AR Brillen künftig eine große Rolle spielen. Die Hidden Champions von morgen werden datengetriebene Unternehmen sein, davon bin ich überzeugt. Dazu müssen Unternehmen heute eine gewisse Investitions- und Risikobereitschaft an den Tag legen.“

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