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2024 | Buch

Potenzialerschließung durch Augmented Reality in der additiven Produktion

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Über dieses Buch

Aufgrund des demografischen Wandels, gesteigerten Nachhaltigkeitsanforderungen sowie der erforderlichen Steigerung der Resilienz wirtschaftlicher Prozesse, nimmt die Relevanz von digitalen Assistenzsystemen für die Arbeitswelt stetig zu. Insbesondere der immersiven Technologie Augmented Reality (dt. erweiterte Realität – AR) wird eine besondere Unterstützungswirkung als Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine in der digitalen Produktion beigemessen. In dieser Arbeit wird das Potenzial von Augmented-Reality-gestützter digitaler Assistenzsysteme für den Einsatz in der industriellen additiven Produktion ganzheitlich untersucht und anhand einer Systementwicklung zur unterstützenden Begleitung manueller Tätigkeiten in der Prozesskette des Laserstrahlschmelzverfahrens demonstriert und wirtschaftlich bewertet. Angesichts der interdisziplinären und anwendungsorientierten Natur dieser Aufgabe, wurde die gestaltungsorientierte Forschung als Rahmenwerk gewählt, welche die zweckdienliche und stringente Nutzung methodischer Werkzeuge zur Erschließung menschenzentrierter Systeme als Kern hat. Das entwickelte System befähigt Nutzende ohne Vorerfahrung zur Durchführung komplexer Rüst- und Wartungsaufgaben an der Produktionsanlage und trägt hierbei zu einer signifikanten Fehlerreduktion im Vergleich zur konventionellen Wissensvermittlung bei.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Einleitend werden die grundlegende Motivation sowie Zielsetzung dieser Dissertation dargelegt, welche das interdisziplinäre und anwendungsorientierte Vorgehen begründen.
Maximilian Vogt
Kapitel 2. Stand der Wissenschaft und Technik
Zusammenfassung
Der Stand der Technik und Wissenschaft beschreibt die wesentlichen Grundlagen, die für die vorliegende Arbeit relevant sind. Da im Speziellen die Möglichkeiten digitaler Assistenzsysteme im Umfeld der additiven Fertigung diskutiert werden, wird in zunächst zugrundeliegende Wirkprinzip additiver Fertigungsverfahren erläutert sowie die relevanten Prozesse dargestellt (Abschnitt 2.1). Darauffolgend werden die Bestandteile und die Funktionsweise von Augmented-Reality-Technologien vorgestellt (Abschnitt 2.2). Zuletzt wird auf den Forschungsbereich der digitalen Assistenzsysteme im Produktionsumfeld eingegangen (Abschnitt 2.3).
Maximilian Vogt
Kapitel 3. Handlungsbedarf
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt den Handlungsbedarf aufbauend auf den Erläuterungen im Stand der Technik. Hierfür werden zunächst die aktuellen Herausforderungen innerhalb der industriellen additiven Produktion dargestellt (Abschnitt 3.1), um die grundsätzliche Eignung des Digitalisierungsprozesses durch den Einsatz von Augmented Reality zu begründen (Abschnitt 3.2). Zuletzt wird das Vorgehen zur Erschließung dieser Technologie für das Produktionsumfeld des Laserstrahlschmelzverfahrens dargelegt (Abschnitt 3.3). Angesichts der interdisziplinären und anwendungsorientierten Natur dieser Aufgabe, wurde die gestaltungsorientierte Forschung als Rahmenwerk gewählt, welche die zweckdienliche und stringente Nutzung methodischer Werkzeuge zur Erschließung menschenzentrierter Systeme als Kern hat. Das spezifische Vorgehen zur Potenzialerschließung von Augmented Reality in der additiven Produktion besteht aus den fünf Phasen Synthese, Analyse, Entwurf, Bewertung sowie Verwertung. Die nachfolgenden Kapitel sind an dieses Vorgehen angelehnt.
Maximilian Vogt
Kapitel 4. Spezifikation von Anwendungspotenzialen
Zusammenfassung
Während bereits einige Einsatzszenarien von AR-Technologien als digitale Assistenzsysteme in der traditionellen Fertigungsumgebung existieren, wurde der Einsatz in der industriellen additiven Fertigung (AM) bisher nicht umfassend untersucht. Wie im vorangegangenen Kapitel erläutert, kann die Digitalisierung von Arbeitsprozessen einen Beitrag für den Abbau von Einsatzbarrieren der additiven Fertigungstechnologie LBM leisten, da viele AM-Prozessketten heute noch menschliche Unterstützung erfordern. Um konkrete Handlungsmaßnahmen abzuleiten, müssen Anwendungspotenziale in Form von Use Cases definiert und eine Bewertung dieser durchgeführt werden. In diesem Kapitel wird das methodische Vorgehen (Abschnitt 4.1) genauer erläutert, um Einsatzdomänen zu identifizieren (Abschnitt 4.2), AR-Use-Cases abzuleiten (Abschnitt 4.3) und schließlich Anwendungspotenziale zu spezifizieren (Abschnitt 4.4).
Maximilian Vogt
Kapitel 5. Nutzungskontextanalyse und Anforderungsbestimmung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die Bestimmung des Nutzungskontextes eines AR-basierten digitalen Assistenzsystems für Rüst- und Wartungsprozesse und die Ableitung der Anforderungen an das System. Die DIN EN ISO 9241-210:2019 für die menschenzentrierte Gestaltung interaktiver Systeme bildet hierfür die Grundlage, wonach der Nutzungskontext die Kombination aus Nutzenden, Zielen, Aufgaben, Ressourcen und der Umgebung beschreibt (Abschnitt 5.1 bis Abschnitt 5.5). Basierend hierauf werden die Anforderungen an das Assistenzsystem erschlossen (Abschnitt 5.6). Der Nutzungskontext ist die Basis für die Analyse der Nutzungsanforderungen, der Gestaltungslösungen und der Evaluationskriterien. Das Ziel dieses Vorgehens ist die Entwicklung eines Systems, welches eine möglichst hohe Gebrauchstauglichkeit (Usability) sowie User Experience vorweisen kann.
Maximilian Vogt
Kapitel 6. Konzeptentwicklung und Systemgestaltung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Gestaltungslösung in Form eines softwaretechnischen Machbarkeitsnachweises (Proof of Concept – PoC), angelehnt an das V-Modell der VDI Richtlinie 2206 für die Entwicklung mechatronischer und cyber-physischer Systeme (Abschnitt 6.1), entwickelt. Hierfür werden zunächst die Systemanforderungen (Abschnitt 6.2) anhand der zuvor erfassten Nutzungsanforderungen abgeleitet, um auf Basis dessen das AR-System zu spezifizieren. Anschließend wird die Systemarchitektur (Abschnitt 6.3) inklusive des Visualisierungskonzeptes (Abschnitt 6.4) für den PoC entwickelt. Zuletzt wird eine Methode für die aufwandsgerechte Erstellung von Inhalten vorgestellt (Abschnitt 6.5).
Maximilian Vogt
Kapitel 7. Evaluation im Nutzungskontext
Zusammenfassung
Im folgenden Kapitel wird die entwickelte Applikation hinsichtlich der – in Abschnitt 5.6 spezifizierten – Anforderungen im Nutzungskontext evaluiert. Hierzu werden zwei Versuchsreihen durchgeführt (Abschnitt 7.1). In einer ersten Untersuchung (Abschnitt 7.2) wird die grundsätzliche Einsatztauglichkeit der Applikation in der Produktion untersucht. Hierbei haben unbedarfte Nutzende die Möglichkeit, die Applikation zur Erstanwendung beim Rüsten einer LBM-Anlage einzusetzen. Dabei wird die benötigte Zeit zur Durchführung der Rüstprozesse verschiedener Erfahrungsstufen evaluiert.
In einer zweiten Untersuchung (Abschnitt 7.3), unter Laborbedingungen, wird die Applikation mittels eines zweistufigen Versuchsszenarios hinsichtlich multipler Bewertungskriterien der konventionellen Instruktionsmethode gegenübergestellt und die dabei erhobenen Datensätze statistisch evaluiert. Diese Untersuchung soll Aufschluss darüber geben, ob die in der Anforderungsbestimmung formulierten Ziele der Applikation erreicht werden. Neben dem Potenzial zur Fehlervermeidung wird auch eine Einschätzung zu einer möglichen Reduktion der Arbeitsbelastung durch Anwendung der Applikation sowie die Gebrauchstauglichkeit, User Experience und Akzeptanz des digitalen Assistenzsystem abgegeben.
Maximilian Vogt
Kapitel 8. Wirtschaftliche Bewertung und Verwertungsstrategie
Zusammenfassung
Im abschließenden Kapitel der Evaluation wird die Wirtschaftlichkeit und Verwertungsstrategie eines AR-basierten digitalen Assistenzsystems für Rüst- und Wartungsprozesse von LBM-Anlagen betrachtet (Abschnitt 8.1). Hierfür wird zunächst das Geschäftsmodell eines generischen Herstellers von Laserstrahl-schmelzanlagen untersucht und anhand von Literaturrecherche, Interviews und begründeter Annahmen modelliert (Abschnitt 8.2). Mittels der Vorgehensweise zur Berechnung der Total Cost of Ownership (Abschnitt 8.4) und der monetären Bewertung des Nutzens (Abschnitt 8.3) wird die Wirtschaftlichkeit eines solchen Assistenzsystems untersucht. Zuletzt wird die Risikobewertung der Entwicklung betrachtet, um eine Verwertungsstrategie abzuleiten (Abschnitt 8.5).
Maximilian Vogt
Kapitel 9. Schlussbetrachtung
Zusammenfassung
Abschließend werden die wesentlichen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit anhand des in Kapitel 3 definierten Vorgehens zur Beantwortung der eingangs gestellten Forschungs-frage zusammengefasst (Abschnitt 9.1) und basierend hierauf ein Ausblick auf weiterführende Forschungsarbeiten gegeben (Abschnitt 9.2).
Maximilian Vogt
Backmatter
Metadaten
Titel
Potenzialerschließung durch Augmented Reality in der additiven Produktion
verfasst von
Maximilian Vogt
Copyright-Jahr
2024
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-68818-2
Print ISBN
978-3-662-68817-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-68818-2

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.