Die seit Jahren anhaltende digitale Transformation erfährt durch neue, innovative Prozesse, Methoden und Technologien erneut ein atemberaubendes Wachstum in allen Bereichen. Entlang eines jeden Produktlebenszyklus werden unter den aktuellen Trends wie z.B. Systems Engineering, Industrie 4.0 und Internet of Things vielfältige Lösungen geschaffen, um vor allem die digitale Repräsentanz eines Produktes sowie der zu deren Herstellung notwendigen Produktionsmittel und der betreffenden Umgebung beim Betrieb des Produktes zu erschaffen bzw. auszubauen. Die digitale Repräsentanz, der sog. „Digitale Zwilling“ (oder auch 'Digitale Schatten') dient vor allem dazu, die Durchgängigkeit und Nachvollziehbarkeit aller produktrelevanten und -bezogenen Informationen sicherzustellen und für unterschiedlichste Szenarien und Stakeholder nutzbar zu machen. Die Informationen im Product Life-cycle Management (PLM) durchlaufen dabei unterschiedliche Reifegrade. In den Spezifikationsphasen werden die Informationen im Soll-Zustand auch gern als „Digitaler Master“ bezeichnet. [...]

Der BIM-Standard hat in den letzten Jahren viel Bewegung in die Softwarelandschaft gebracht. Der Wunsch und die Notwendigkeit, Daten aus der EMC Landschaft mit den digitalen Daten der Planung und dem aktuellen Progress auf den Baustellen zu verbinden, stellt hier einen besonderen Motor dar. Die digitale Bauakte – nur ein Traum? Unternehmen unterschiedlichster Größe und Ausrichtung begleiten durch Ihre Tätigkeiten einen Neu- bzw. Umbau von der Idee bis zur Realisierung. Die Lösungsansätze bzw. Lösungen der Digitalisierung in den verschiedensten Ausprägungen, Tiefen und Teilbereichen existieren. Eine Lösung, die von den KMUs bis hin zu den Konzernen genutzt wird, haben wir aus dem Blickwinkel der Planer, Betreiber und Montageunternehmen im industriellen Anlagenbauumfeld (Industrie- und Produktionsanlagen aller Art) nicht gefunden. Die Lösung von inactio und ESZETT schaut aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln auf die Kunden. Die Abbildung 1 reißt das Spannungsfeld ein wenig an. inactio/eebos begleitet Ihre Kunden im Umfeld von onbase, SAP und digitalen Archiven. ESZETT kommt mit ihren Erfahrungen der Planungswelten, VR-Systemen und dem WCM-System bee aus der Planungs- und Montagebegleitung. Der Wunsch, mit einer kleinen Lösung zu beginnen (KMU), die bei den einzelnen Unternehmen für ihre Belange genutzt werden kann, hin zu der Vernetzung und der Möglichkeit des Einbindens dieser ‚Inseln‘ in einem Gesamtprojekt mit allen technischen Möglichkeiten und Verknüpfungen, soll kein Traum bleiben. [...]

In der industriellen Fertigung unterliegen die Produkteigenschaften und -parameter, unabhängig vom eingesetzten Fertigungsverfahren, gewissen Streuungen. Im Rahmen der Qualitätsprüfung wird daher ermittelt, inwieweit die festgelegten Qualitätsanforderungen an das Produkt bzw. Werkstück trotz der Fertigungsstreuungen erfüllt werden (Brunner et al. 2011) [...] Insbesondere bei einer visuellen Prüfung durch den Menschen hängt das Ergebnis jedoch sehr stark vom jeweiligen Prüfwerker ab. Die wesentlichen Faktoren für die Erkennungsleistung sind Erfahrung, Qualifizierung und Ermüdung des Prüfers, Umgebungsbedingungen, wie Beleuchtung, Schmutz oder akustische Störfaktoren, aber auch die Anzahl und Gewichtung der zu bewertenden Merkmale (Keferstein et al. 2018). Infolge dessen kann die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse negativ beeinflusst werden. Gleiches gilt für die vollständige und konsistente Dokumentation der Sichtprüfung [...] Vor diesem Hintergrund wird ein Mixed Reality-basiertes Assistenzsystem entwickelt, welches den Prüfwerker bei der Durchführung und Dokumentation der visuellen Sichtprüfung unterstützen soll. Die Anforderungen dieses Ansatzes sind aus einem Kooperationsprojekt in der Automobilindustrie abgeleitet. Das dargestellte Assistenzsystem ist daher Teil von übergeordneten Aktivitäten im Zusammenhang mit 3D-Master und einer zeichnungsfreien Produktdokumentation. [...aus der Einleitung]

Der Beitrag gibt einerseits eine Übersicht über die Möglichkeiten von virtuellen Produktdarstellungen durch Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR) und 360° Medien und vergleicht diese hinsichtlich geeigneter Kriterien um eine gezielte Kommunikation zu erreichen. [... aus der Einleitung]

In der Produktentwicklung nimmt die Bedeutung von Head-Mounted-Displays (HMD) stetig zu. Mit HMDs ist es möglich, virtuelle Objekte zu betrachten und mit diesen in realem oder virtuellen Kontext zu interagieren. Die Entwicklung von HMDs im Entertainment-Bereich und die nativen Augmented-Reality(AR)-Funktionen von Smartphones und Tablets (Apple Inc. 2019, Google Inc. 2019) machen AR- und Virtual-Reality(VR)-Anwendungen einer breiten Nutzerbasis zugänglich. Die individuelle Entwicklung dieser Anwendungen ist mit heutigen Software-Werkzeugen umfangreich möglich. Im Bereich der Produktentwicklung und Schulung werden die Geräte ebenfalls genutzt, bedürfen jedoch intensiver Erforschung und Anpassung an individuelle Bedürfnisse. Besondere Anforderungen kommen auf AR- und VR-Systeme zu, wenn Nutzende kollaborieren möchten. Anders als im Entertainment-Bereich spielen hier die Genauigkeit der Sensorik, eine konsistente Wahrnehmung aller Teilnehmenden und Möglichkeiten zur Vermittlung von Ideen und Anmerkungen eine tragende Rolle. Als Werkzeug für einen solchen Gedankenaustausch werden neben verbaler Kommunikation und Textverkehr meist Annotationen genutzt. Bedingt durch gerätespezifische Eingabemethoden müssen Annotationssysteme und Annotationen in AR und VR anders gestaltet werden als in klassischen Desktopanwendungen. In einem Review erzeugte Annotationen beinhalten wichtige Informationen, die in den Entwicklungsprozess integriert werden müssen. Dementsprechend bedarf es einer Möglichkeit, Annotationen auch nach dem Review verwenden zu können. Diese verschiedenen Aspekte der Kollaboration sollen im Folgenden näher untersucht werden, um wichtige Erkenntnisse für den Einsatz von HMDs als Basis einer kollaborativen Umgebung zu vermitteln. [... aus der Einleitung]

Die Auswertung von Unfallzahlen an Produktionsmaschinen der vergangenen Jahre zeigt, dass nach Jahren sinkender Unfallzahlen eine Stagnation eintritt (Mödden 2018). Der Unfallstatistik der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) ist außerdem zu entnehmen, dass die Ursache für tödliche oder schwere Unfälle sehr häufig freigesetzte Werkstücke sind. In den meisten Fällen lagen mangelhafte Aufspannsituationen vor (Kesselkaul Meyer 2016). Wenn die Möglichkeiten der inhärent sicheren Konstruktion und der technischen Schutzmaßnahmen ausgeschöpft sind und trotzdem Restrisiken verbleiben, muss im Schritt 3 die Benutzerinformation, die als instruktive Sicherheit zusammengefasst wird, darauf hinweisen (Neudörfer 2014, ISO 12100 2011, MRL 2006). Das Problem ist hierbei, dass die Beachtung der instruktiven Sicherheit vom Bediener abhängig ist. Das Vertikal-Drehen auf Fräsbearbeitungszentren ist ein arbeitssicherheitstechnisch besonders kritischer Prozess, weil dafür die Maschine mit vollwertigen Rotationsachsen für das Werkstück ausgerüstet wird. Durch die hohen Drehzahlen der Werkstücke steigen deren kinetische Energie und damit das Gefährdungsrisiko gegenüber der reinen klassischen Fräsbearbeitung stark an. Im Stillstand und bei geringen Drehzahlen hat das Werkstück dagegen in der Regel einen sicheren Stand und vermittelt dem Maschinenbediener unter Umständen eine trügerische Sicherheit. Wird das Werkstück außerdem manuell gespannt, entstehen trotz ausreichender technischer Zuverlässigkeit des Systems 'Werkzeugmaschine-Spannmittel-Werkstück' Unwägbarkeiten, die rein auf das menschliche Handeln also die Mensch-Maschine-Interaktion zurückzuführen sind. Die auf einer bewährten Risikoabschätzung beruhende normungstechnische Konvention erfordert Überwachungsfunktionen und instruktive Sicherheit für die konkrete Werkstückspannung (ISO 16090 2017). Sie setzt also quasi einen idealen und z. B. nicht ermüdenden und immer richtig handelnden Maschinenbediener voraus. Die oben erwähnten Unfallzahlen sind ein Beweis, dass die reale Situation nicht befriedigend ist. Die wesentliche Frage ist: Wie kann die Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) als Teil des Maschinendesigns sicherer gestaltet werden? Und auf das konkrete Beispiel bezogen: Wie kann die Instruktion so verbessert werden, dass schwere Unfälle verhindert werden? Um diese Frage zu beantworten, ist es im ersten Schritt notwendig, den Einfluss der menschlichen Unzuverlässigkeit zu quantifizieren, um ihn so sowohl in technisch-physikalische Auslegung als auch in die Bewertung der Maschinensicherheit einfließen zu lassen.

Die additive Fertigungstechnologie hat in den vergangenen Jahren durch kostengünstige Systeme Einzug in den Massen- und Consumer-Markt erhalten. Diese Entwicklung befähigte die sogenannte Maker-Szene, eine Gruppierung von Heimwerkern mit Bezügen zur Hacker- und Do-it-yourself-Kultur, kostengünstig und schnell Produktideen in Funktionsprototypen umzusetzen. Neben der reinen Hobbyanwendung bietet die Entwicklung der letzten Jahre aus Sicht der Produktentwicklung auch neue Chancen für die Strategie des Open Design. Demgegenüber steht das Problem der unterschiedlichsten Bildungs- und Ausbildungshintergründe der sich freiwillig beteiligenden Entwickler, eine stark iterative Vorgehensweise in der Produktentwicklung mit häufigen Anpassungszyklen und vielen physischen Teilprototypen, sowie einer lokal sehr unterschiedlichen qualitativen Fertigungsinfrastruktur. Diese Umstände führen derzeit zu einer schwankenden Qualitätsgüte der Ergebnisse und stellen gerade im Hinblick auf die Produktsicherheit eine immense Herausforderung dar. Aus den genannten Gründen soll die Maker-Szene mit Hilfe des vorliegenden Beitrags zur Erzeugung funktional abgesicherter Geometriemodelle befähigt werden.

Der Titel unseres Beitrages hätte auch lauten können: Digitale Revolution – was nun? Die Digitalisierung lässt Alles überall und jederzeit stattfinden, beschleunigt Arbeitsprozesse dramatisch, intensiviert die Kommunikation („always on“), verändert Konsum- und Freizeitverhalten und verändert die ehemals linear in Einzeldisziplinen denkbare Welt in ein komplexes, nichtlineares und disruptives System mit sehr unterschiedlichen Akteuren. Die analoge Welt besteht weiterhin, Bytes liefern weder Stoff noch Energie, sondern verbrauchen Kilojoules. Wissen um Prozesse ist Macht. Antwortsysteme auf die geschilderte Anforderungsstruktur müssen ebenfalls schnell, komplex und multidisziplinär sein. Was aber ermöglicht die dafür erforderliche schnelle und verlässliche Kommunikation? Ein Teil einer Antwort ist technisch, darauf gehen wir hier nicht ein. Ein anderer Teil hat viel damit zu tun, wie wir denken und uns in Gruppen verhalten und welche Kommunikationskultur wir nutzen. Erzählungen darüber, wer wir sind, welchen Regeln wir folgen und welche Ziele wir haben stellen den wahrscheinlich wichtigsten Mechanismus unserer Entwicklung dar und sind in Form von Modellen (Stachowiak 1973) Kern jeder Disziplin. Beispielhaft sei die Hooksche Feder als Modell für linear elastisches Werkstoffverhalten genannt; das abstraktere Modell der Elastizität ist in beinahe jedem Fach vertreten. Bei der nachträglichen Auswertung mehrerer designgetriebener Forschungsvorhaben ist zu beobachten, dass Szenarien als komplexe deskriptive und präskriptive Modellsysteme die wesentliche kulturell verankerte Kommunikationsbasis zur Zusammenarbeit in multidisziplinären Teams darstellen. Warum das so ist und wie Szenarien von multi- oder transdisziplinären Teams genutzt werden können, beschreiben wir im Folgenden.

Insbesondere die frühen Phasen in Prozessen der Mechatroniksystementwicklung sind durch ein hohes Maß an Unsicherheit gekennzeichnet. Zu diesem Zeitpunkt des Produktentstehungsprozesses liegen lediglich vage und unscharfe Anforderungen an das Produkt vor, welche es zu konkretisieren gilt. Aktuelle Herausforderungen der Produktentwicklung haben einen verstärkenden Effekt auf die Unsicherheiten in frühen Entwicklungsphasen. Diesen begegnen Unternehmen aus dem Bereich der Mechatroniksystementwicklung zunehmend mit der Implementierung agiler Entwicklungsansätze in ihre etablierten Prozesse. Neben der frühen und kontinuierlichen Kundeneinbindung, der klare Ausrichtung der Prozesse auf die Wertsteigerung der Produkte aus Kundensicht, flachen und offenen Hierarchien und dem stetigen Aufbau und Weiterentwicklung von Prototypen verleihen meist geplante Iterationen den jeweiligen Projekten das Adjektiv „agil“. Die Vielfalt der in der Literatur beschriebenen und meist generisch formulierten Arten von Iterationen (geplant oder ungeplant, korrekturbezogen oder progressiv) ist jedoch sehr groß. Zudem werden Iterationen in der Praxis meist intuitiv und unbewusst durchgeführt, was zum einen dazu führt, dass das jeweilige Entwicklungsvorgehen nicht situationsoptimal ausgeführt wird oder gar hinsichtlich der Ergebnissynthese und –Analyse redundante Tätigkeiten erfolgen. Aus diesem Grund verfolgt das vorliegenden Forschungsvorhaben die Zielsetzung, einen Beitrag zur Unterstützung der Produktentwickler in frühen Entwicklungsphasen bei der Identifikation notwendiger Iterationen zu leisten. Durch eine Berücksichtigung dieser in der kurz- und mittelfristigen Projektplanung kann somit die Prozessunsicherheit reduziert werden.

Die Digitalisierung im Bauwesen steht unter der großen Überschrift Building Information Modeling (BIM). Ziel ist es, Software-Unterstützung für den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks zu schaffen, beginnend bei der Planung über die Bauausführung bis hin zu Bewirtschaftung und Rückbau. Im Ergebnis sollen alle Prozesse effektiver und effizienter gestaltet werden, um die Produktivität der Bauwirtschaft signifikant zu erhöhen. Hierbei sind die verschiedenen Software-Lösungen so ausgelegt, dass ein übergreifendes virtuelles Gesamtmodell entsteht, welches die Gebäudefunktion zum Planungszeitpunkt simuliert und zu optimieren erlaubt, die interdisziplinäre Zusammenarbeit fördert und die Kommunikation zwischen allen Beteiligten erleichtert. Die vielleicht wichtigste und am deutlichsten sichtbare Rolle spielt dabei, neben der Standardisierung der Datenformate, die Umstellung von 2D- auf 3D-Geometriemodelle. In dieser Arbeit wird beschrieben, welche Herausforderungen und Chancen bezüglich BIM für die Planung von Bahn-Bauwerken bestehen. Der spezifische Fokus liegt auf der Anwendung von 3D-CAD- und 3D-Laserscan-Modellen der zu erstellenden Anlagen.