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13.09.2022 | Peter Burggräf, Tobias Adlon, Moritz Beyer, Moritz Kuck, Ruben Krause

Die digitale Fabrik wird real

Beim Aachener Fabrikplanungsvorgehen bietet das Laserscanning die Möglichkeit, die digitale Fabrik der realen Fabrik bis auf wenige Schritte näher zu bringen. Der von den Autoren vorgestellte Prozess bietet erhebliche Vorteile und erhöht die Akzeptanz von BIM-Modellen als Planungsgrundlage.

Durch den zunehmenden globalen Wettbewerbsdruck ist es für produzierende Unternehmen essenziell, ihre Time-to-Market zu reduzieren. Dem entgegen wirkt die stetig zunehmende Komplexität der Planungsvorhaben, durch wachsende Automatisierung und Digitalisierung der industriellen Produktionseinrichtungen.

Zudem ist eine steigende Frequenz festzustellen, mit der diese angepasst werden müssen. Seitdem die Computertechnik ausreichend große Rechenleistung zur Verfügung stellt, um große Mengen CAD-Daten verarbeiten zu können, hat sich der Ansatz der digitalen Fabrik als effizienter Lösungsansatz durchgesetzt. Die digitale ist ein digitales Abbild der realen Fabrik, in der alle Maschinen, Roboter, Montage- und Produktionslinien, Lager und Transportmittel sowie Abläufe enthalten sind. [1], [2]

Um die Koordination von Fabrikplanungsvorhaben effizient zu gestalten, lohnt es sich, auf die Building Information Modeling (BIM) Methode zurückzugreifen. Diese wirkt der fehlenden Transparenz in Bauplanungen mithilfe eines um Informationen angereicherten 3D-Modells entgegen. Es bildet die zentrale Informationsressource für alle beteiligten Parteien. [3]

Vorteile des BIM-Vorgehens sind vor allem die Verlagerung von Planungsaufwänden in eine sehr frühe Projektphase sowie die Früherkennung und damit Vermeidung von Planungsfehlern. [3] Der überwiegende Teil von Fabrikplanungsprojekten ist dem Bereich der Brownfieldplanung zuzuordnen (zum Beispiel liegt der Anteil an Greenfield-Planungen in den USA bei zwei bis drei Prozent an den jährlichen Planungsvorhaben). [4] Dabei können veraltete Baupläne zu teuren Planungsfehlern oder zu Verzug im Planungsablauf führen. [5] So wurden nach einem Bericht des National Institute of Standards and Technology aus dem Jahr 2004 in den USA im Jahr 2002 1,5 Milliarden US-Dollar verschwendet, indem ungenaue oder fehlende Layoutinformationen validiert oder erneut aufgenommen werden mussten. [6]

Zur Erfassung der bestehenden Gebäudestruktur und des aktuellen Layouts im Planungskontext hat sich die Bildgebungstechnik des terrestrischen 3D-Laserscannings durchgesetzt. [5] Dabei wird ein von einem Laser ausgesendeter Strahl hinsichtlich des Rückstrahlverhaltens ausgewertet und zu einer Punktewolke umgerechnet. Der Scanner hat dabei einen Blickwinkel von 360 Grad in der horizontalen und je nach Modell von 300 bis 320 Grad in der vertikalen Achse. [5] Dabei ist eine Aufnahme von mehreren Millionen Punkten in wenigen Minuten möglich. [5] Anschließend werden verschiedene Punktewolken zueinander referenziert, sodass eine Punktewolke der gesamten Fabrik entsteht.

Laserscanning im Aachener Fabrikplanungsvorgehen

Um eine gleichbleibende Qualität und Validität der Punktewolken gewährleisten zu können, hat das Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen den Aachener Laser-Scanning-Ansatz entwickelt. In diesem werden die Einzelschritte zur Aufnahme und Verarbeitung der Punktewolken definiert und Handlungsempfehlungen abgeleitet. Das schrittweise Vorgehen des Ansatzes wird exemplarisch in der Abbildung (Seite 32/33) dargestellt.

Schritt 1: Datenakquise

Während der Datenakquise werden Pläne und Informationen – vor allem Bauzeichnungen und bestehende Layouts – recherchiert, die für die folgenden Schritte von Interesse sein könnten. Diese werden chronologisch geordnet, damit eine erste Grundlage mit den neuesten Plänen erstellt werden kann. Dabei kann es von Vorteil sein, bestehende Gebäudepläne akribisch vorzubereiten, um essentielle Scanpunkte zu definieren. Im Rahmen dieser Vorbereitungen können zum Beispiel Türen, bauliche Abgrenzungen von Hallenteilen oder Hallenteile, die durch Objekte für den Scanner verdeckt sein könnten, im Vorfeld identifiziert und markiert werden. Die Identifizierung dieser schwer zu scannenden Bereiche ist notwendig, um diese anschließend mit einer erhöhten Anzahl an Scanpunkten versehen zu können. Dadurch wird eine ausreichende Überlappung der Scanpunkte zur Aufnahme und einfacheren automatisierten Verknüpfung, der sogenannten Registrierung, im Schritt 2 sichergestellt.

Schritt 2: Scan und Abgleich

Ist der Scanplan auf Grundlage der vorhandenen Unterlagen erstellt, kann der Scan in der Werkshalle stattfinden. Der erste Scan sollte nach Möglichkeit an einem vorher definierten Nullpunkt platziert werden, um die nachträgliche Zuordnung im Layout zu erleichtern. Von dort aus wird die gesamthafte Punktewolke sukzessive durch Teilpunktwolken aufgenommen. Pro Teilpunktewolke ist je nach Auflösung mit einer Scandauer von zwei bis sechs Minuten zu rechnen. Weiterhin wird eine Überlappung der Teilscans von mindesten 30 Prozent empfohlen, um die softwaregestützte Registrierung der Teilpunktewolken zu erleichtern. Diese findet direkt anschließend an jeden Teilscan statt. So ist mit circa 30 Teilscans pro 1.000 Quadratmeter einer nicht leeren Halle zu rechnen. Dabei korreliert die Anzahl der Teilscans stark mit der Anzahl an Gegenständen und Produktionsmitteln innerhalb der Halle.

Neben der Auflösung der Punktewolke sind ebenso die Rahmenbedingungen des Scans ausschlaggebend für die Qualität. So sollten während des Scans keine Objekte in ihrer Position verändert werden. Daher ist ein Scan während einer aktiven Produktion zwar grundsätzlich leistbar, jedoch aufgrund hoher Korrekturaufwände nicht zu empfehlen. Nach Anfertigung des Scans in der Halle kann eine Überlagerung mit den bestehenden Plänen in CAD stattfinden. Mittels computergestütztem Abgleich kann eine Kollisionsprüfung zwischen Modell und Punktewolke durchgeführt werden, um Überschneidungen aufzuzeigen. Sollte ein Rückgriff auf bestehende Modelle nicht möglich sein, so kann, entsprechend Schritt 3, ein neues Modell erstellt werden. Unabhängig der Art kann bei vorhandenen Daten auch zu einem späteren Zeitpunkt in die Folge eingestiegen werden.

Schritt 3: Erstellung Teilmodelle

Auf Grundlage der vollständigen Pläne, sowie der Punktewolke, können nachfolgend Anpassungen vorgenommen werden oder Teilmodelle neumodelliert werden. Dabei wird das As-Build-Modell in Teilabschnitte unterteilt, welche jeweils von Experten modelliert und betreut werden. Sowohl bei der Modellierung der Layouts als auch bei der Erstellung neuer Objekte wird konsequent auf die Punktewolke als Datenquelle zurückgegriffen. Dieser können alle parametrischen Informationen der Objekte entnommen werden. Mögliche Teilmodelle sind zum Beispiel Heizungs-, Wasser-, Lüftungssysteme, aber auch einzelne Layoutbereiche oder Gebäudeanschnitte.

Schritt 4: Integration

Nachdem alle Anpassungen und Modellierungen anhand der Punktewolke abgeschlossen sind, werden die Teilmodelle entsprechend der BIM-Methodik in ein Gesamtgebäudemodell integriert. Hier bietet sich ein cloud-basierendes BIM-Modell an, um eine automatische Aktualisierung aller Teilmodelle zu gewährleisten. Dadurch haben alle Nutzer stets Zugriff auf das aktuellste As-Build-Modell.

Der Vorteil dieses Vorgehen ist, dass bei hinreichend kleinen Wiederholabständen das BIM-Modell auf dem neusten Stand gehalten werden kann. Dabei ist es unerheblich, ob in einer weiteren Schleife nur einzelne Teile der Halle erneut gescannt und diese in die bestehende Punktewolke integriert werden oder ob ein erneuter, gesamter Scan der Werkshalle stattfinden soll. Der Aachener Laser-Scanning-Ansatz gibt dem Bediener ein konsequentes Vorgehen an die Hand, welches nicht an Hardware- oder Softwarevorgaben geknüpft ist.

Ausblick

Um die Erstellung der Punktewolke zu automatisieren, bieten einige Hersteller bereits an, die Scanner nicht mehr auf Stativen zu platzieren, sondern auf autonomen oder halb autonomen Robotern. Damit ist eine vollautonome Aufnahme von Punktewolken innerhalb von Produktionsstätten möglich. Weiterhin wird aktuell ein Verfahren entwickelt um den menschlichen Bediener bei der Erstellung der Teilmodelle mittels künstlicher Intelligenz zunächst zu unterstützen und zukünftig eine eigenverantwortliche Verarbeitung der Daten durch die KI zu ermöglichen. Dabei erkennt die künstliche Intelligenz gewisse Punktekombinationen als Objekt und erzeugt dabei automatisiert ein entsprechendes CAD-kompatibles Objektmodell.

Das Laserscanning bietet, eingebettet in das Aachener Fabrikplanungsvorgehen, die Möglichkeit, die digitale Fabrik der realen Fabrik bis auf wenige Schritte näher zu bringen. Mit dem vorgestellten Prozess wird der Aufwand, im Vergleich zum Vorgehen mit manuellem Lasermessen, zur Aktualisierung von digitalen As-Build-Modellen minimiert und damit die Akzeptanz zur Nutzung dieser Modelle als Planungsgrundlage erhöht.

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Bilder
© festfotodesign/stock.adobe.com
Autoren

Prof. Dr.-Ing. Peter Burggräf (MBA) ist Professor für Maschinenbau in Siegen und CEO der Beratungsfirma Streetscooter Research in Aachen. Er forscht zu den Themen Produktion 4.0, New Industry sowie Smart Factory und berät Unternehmen der Automobilbranche in Europa und China bei der digitalen Transformation.

 


Tobias Adlon (M.Sc.) ist Oberingenieur der Abteilung Fabrikplanung am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen. Seine Expertise befindet sich im Bereich der Fabrik-, sowie Montage- und Logistikplanung.

 


Moritz Beyer (M.Sc.) ist Gruppenleiter der Gruppe Digitale Fabrikplanung am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen. In seinen Forschungsarbeiten behandelt er Themen zur Produktions- und Montageplanung, Elektromobilität, sowie interdisziplinären und interkulturellen Projektarbeit.

 


Moritz Kuck (M.Sc.) ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Gruppe Digitale Fabrikplanung am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen. In seinen Projekten beschäftigt er sich mit digitaler Fabrikplanung, Autonomen System, sowie automatisiertem Fahren.

 


Ruben Krause (B.Sc.) ist wissenschaftliche Hilfskraft der Gruppe Digitale Fabrikplanung am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen. Er unterstützt in Projekten mit Expertisen im Bereich der digitalen Fabrikplanung, Laserscanning, sowie Produktions- und Montageplanung im digitalem Umfeld.

 

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