Die Kosten für die Fertigung der Holztafelelemente werden aufgrund der zumeist handwerklichen Ausführung maßgeblich vom Personaleinsatz bestimmt. Wie kann dieser handwerklich organisierte Prozess beschleunigt werden? Das kooperative Forschungsvorhaben OptiPaRef hat sich zum Ziel gesetzt, Fertigungseffizienz und Prozesssicherheit in der handwerklichen Herstellung von Holzrahmenbauelementen zu steigern, indem es die investitionsarme Technologie der Augmented Reality für den Holzbau nutzbar macht.
Die Dauer des Herstellungsprozesses von Holztafelelementen hängt stark von der technischen Ausstattung des jeweiligen Holzbauunternehmens ab [1, 2]. Die Kernidee des Projekts ist es, Zimmerleuten die ohnehin erzeugten dreidimensionalen Planungsdaten mithilfe optisch-parametrischer Bauteilreferenzierung in der Werkhalle schrittweise und kontextsensitiv zur Verfügung zu stellen. Dafür entwickelte die Forschungsgruppe FLEX, initiiert von Prof. Dr.-Ing. Alexander Stahr, ein Assistenzsystem für die holografische Darstellung komplexer Fertigungsinformationen. Dieses projiziert maßhaltige dreidimensionale Handlungsanweisungen mittels AR-Brille ohne Mehraufwand direkt ins Sichtfeld der Zimmerleute. Gleichzeitig werden die Dokumentierung der bereits verbauten Elemente und somit die Qualitätssicherung in der Fertigung deutlich vereinfacht.
Die Entwicklungsziele des Projekts hat FLEX wie folgt definiert:
1. Ermöglichung der direkten Übertragung digitaler fertigungsbezogener Informationen in die Werkhalle zur Nutzung mobiler Augmented Reality Devices („Datenbrille“)
2. Realisierung eines deutlich zeiteffizienteren Prozessablaufs durch Einbindung der weiterhin primär händischen Fertigung in die digitale Prozesskette
3. Entwicklung eines intuitiv steuerbaren Interface, das alle Arbeitsschritte inklusive der notwendigen Ausführungsinformationen für den Anwender in Echtzeit zur Verfügung stellt
4. Rückführung von Fertigungsdaten in die Arbeitsvorbereitung und Geschäftsführung zur Kontrolle und Dokumentation des aktuellen, projektbezogenen Fertigungsstands in Echtzeit sowie zur Optimierung der Maschinenauslastung
Holzelementbau im Mittelstand
Mittelständische, handwerklich organisierte Holzbauunternehmen im Geschossbau sind häufig im Holztafelbau tätig. Dieser basiert auf Vorfertigung; dafür sind große (automatisierte) Fertigungsanlagen und Maschinenparks prinzipiell nicht notwendig. Am Markt existieren jedoch Unternehmen, die einen starken Preisdruck erzeugen können, da ihre Fertigung automatisiert in Portalbearbeitungsmaschinen stattfindet. Solche Großgeräte erzeugen erhebliche Investitionskosten, die für Mittelständler nicht zu bewältigen sind [3].
Aufgrund der vielschichtigen Anforderungen (Statik, Wärmeschutz, Schallschutz etc.) weist die Holztafelbauweise eine große Komplexität des Gesamtaufbaus und der einzelnen Elemente auf [4]. Das führt zu einem erheblichen Fertigungsaufwand, der in einem gesicherten Fertigungsprozess umgesetzt werden muss.
Digitale Planung – manuelle Fertigung?
Die Werkplanung zur Herstellung der Holztafelelemente findet digital mithilfe holzbauspezifischer, menügeführter CAD-Software statt. Diese ist in der Lage, die Pläne für die Montage der Tafelelemente sowie die Steuerungsdaten für numerisch gesteuerte Abbundanlagen oder Nagelbrücken zu erzeugen. Im Betrieb des Projektpartners Holzbau Lepski (Dresden) wurden fertig abgebundene Hölzer (Abbildung 3) und Holzwerkstoffplatten bisher in einem manuellen Prozess gefügt. Die Informationen der digitalen Planung werden auf ausgedruckten Plänen hinterlegt und aus diesen „analog“ übernommen und überprüft. Für das Anreißen komplexer Geometrien oder Freiformen, wie sie beispielsweise in Fledermausgauben vorkommen, war es notwendig, maßhaltige Drucke von entsprechenden Teilausschnitten der Bauzeichnungen anzufertigen und diese über dem zu bearbeitenden Werkstück passgenau anzuordnen. Dieser analoge Zwischenschritt ist sehr zeitintensiv.
Eine bereits existente Lösung für die papierlose Übertragung von Montageinformationen sind fest über dem Werktisch installierte Lasersysteme, die die Bauteilkonturen in zweidimensionalen Projektionen auf die Arbeitsfläche projizieren. Diese Projektionen bieten jedoch nicht die gewünschte Möglichkeit der Informationsrückgewinnung und gehen mit einer ortsgebundenen Montage einher, von der sich FLEX mit dem OptiPaRef-Forschungsvorhaben befreien möchte [5].
AR-Brille statt Werkplan
Um diese Hindernisse zu überwinden und eine innovative, investitionsarme Alternative anbieten zu können, wurde von den Projektpartnern die Anwendung von Augmented-Reality(AR)-Brillen im Bereich des Holzelementbaus studiert und fortentwickelt [6, 7]. Das übergeordnete Ziel war es dabei, die Kette digitaler Planungsdaten in den Fertigungsprozess hinein zu verlängern. Den Kern der Arbeit bildeten somit die Beschreibung eines entsprechenden Workflows und die Entwicklung von Schnittstellen, die die Abrufbarkeit aller für die Montage notwendigen Informationen ohne zeitaufwendige Konvertierungen sicherstellen.
Als Basis für diese Entwicklung diente die Hololens 2 (Microsoft), eine AR-Brille, die sich mithilfe von Time-of-Flight-Kameras im Raum orientiert und selbstverortet. Mithilfe eines gerätespezifischen AR-Toolkits ließen sich spezielle Funktionalitäten programmieren, die den Werkern bei der Fertigung der Tafeln die bereits digital vorliegenden Planungsdaten direkt und intuitiv zur Verfügung zu stellen. Neben der reinen Projektion von Sollpositionen entwickelten die Mitarbeiter von FLEX ein Messwerkzeug, das per Fingerzeig Abstände und Winkel ermittelt, sowie ein Freigabetool, das die papierlose Protokollierung der Fertigung mittels gestengesteuerter Befehl-Eingabe ermöglicht.
Handlungsmöglichkeit statt Handlungsanweisung
Darauf aufbauend, wurde eine handlungsorientierte Informationsstruktur entwickelt, die hauptsächlich auf Geometrieprojektion basiert. Die zunächst angedachten mehrschichtigen und schriftlich eingeblendeten Handlungsanweisungen erwiesen sich als nicht zielführend, da sie den Ausführenden in seiner Herangehensweise stark einschränken respektive dessen Spielraum einschränken. Stattdessen werden die Anweisungen in rein geometrischen „Informationslagen“ geöffnet. Außerdem hat es sich als sinnvoll herausgestellt, Rücksprünge in den Informationssequenzen zu ermöglichen. Dies impliziert eine Abwendung vom Begriff „Handlungsanweisung“ hin zu „Handlungsmöglichkeit“.
Technische Herausforderung
Eine große technische Herausforderung im Projekt bestand in der Sicherung von Maßhaltigkeit und Orientierung der von der AR-Brille darzustellenden Bauteilgeometrien. Dies erforderte die Verknüpfung der drei an der Anwendung beteiligten Koordinatenräume: Hololens-intern (KS1), CAD-intern (KS2) und Werktisch (KS3). Die Koordinaten des Werktischs (KS3) werden aus exakt positionierten Lokalisationsmarkern (QR-Codes) ermittelt, die von der HoloLens erkannt und mit hinterlegten Markerpositionen abgeglichen werden können. Die Abweichungen aller QR-Soll-Koordinaten zu den QR-Ist-Koordinaten werden minimiert und Restabweichungen visuell rückgekoppelt. So lässt sich eine Transformation von CAD-internen Koordinaten zu HoloLens-Koordinaten ermitteln. Die endgültige Positionierung der Werkstücke findet anschließend in Bezug zur in den Werktisch integrierten Vorspanneinrichtung statt.
Um die fehlerfreie und präzise Projektion im Werkraum zu ermöglichen, muss zunächst eine Referenzfläche mit Lokalisationsmarkern (QR-Codes) versehen und eingemessen werden (Abb. 4). Die Einmessung der QR-Codes unterliegt jedoch einem Rauschen, sodass die gemessenen Koordinaten durchschnittlich um etwa 2 mm in jede Richtung abweichen können. Gelegentlich entstehen unter den Messwerten Ausreißer mit deutlich größerer Abweichung. Überdies kann bei der HoloLens ein sogenannter „Drift“ auftreten. Der Drift hat zur Folge, dass sich einmal eingemessene Marker allmählich von ihrem physischen Ort entfernen. Die Auswirkungen des Drifts können bisher nur durch regelmäßiges Auffrischen der Marker-Scans reduziert werden. Um diese Ungenauigkeiten auszugleichen, wurde ein Filteralgorithmus entwickelt, der aus dem Datenstrom der durch die HoloLens permanent gemessenen Koordinaten eine saubere Ebene je QR-Code erzeugt. Aus den letzten 25 Messwerten wird kontinuierlich eine Ebene ermittelt, die nicht von Ausreißern beeinflusst wurde. Auf der Basis der gefilterten Ebenen kann die Projektion anschließend mittels eines Fitting-Algorithmus ausgerichtet und skaliert werden. Auf demselben Prinzip basierend, konnten weitere Funktionalitäten entwickelt werden. Diese umfassen ein gestengesteuertes Interface zum Auswählen und Bestätigen von Bauteilen und die Dokumentation und Rückführung des Freigabestatus einzelner Bauteile an den Konstrukteur. Zur Erfassung örtlich flexibler Wendetische können zusätzliche mobile Lokalisationsmarker verwendet werden, mit deren Hilfe sich die finale Position gewendeter Elemente einlesen lässt.
Beeindruckende Ergebnisse
Mittels 14 in den Werktisch eingelassener, abriebfester QR-Marker konnte eine maximale Abweichung von zwei Millimetern zwischen Projektion und physischen Bauteilen über eine Arbeitstischlänge von acht Metern hinweg eingehalten werden. Diese Genauigkeit ist für den Holzbau ausreichend. Bei den durchgeführten Probeläufen wurde der intuitive Ansatz bestätigt. Versuchspersonen, die keine Erfahrung im Umgang mit AR-Lösungen hatten, konnten ohne umfangreiche Einschulungszeiten das entwickelte System intuitiv bedienen und anwenden. Für die Nutzung der Mess- und Freigabewerkzeuge sowie für die Marker für den Wendetisch waren kurze Erklärungen ausreichend. Nur für Einrichtung und Inbetriebnahme der AR-Brille war eine umfangreiche Schulung nötig. Obwohl die Datenbrillen zum jetzigen Zeitpunkt technisch noch nicht ausgereift sind, ist bereits eine Zeitersparnis auf der Basis von AR-Projektionen in der digitalen Fortsetzung der Werkplanung nachweisbar.
