Fabrikplanung

Drohne des IPH erzeugt 3D-Fabrikmodelle

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Fabriken schneller zu optimieren – daran arbeitet das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH). Bislang dauert es Wochen oder Monate, allein das Layout zu erfassen – also sämtliche Maschinen, Lagerflächen und Wege auszumessen und einen detaillierten Grundriss zu erstellen. In Zukunft soll dies ein Flugroboter automatisiert erledigen. Für das Forschungsprojekt „Instant Factory Maps“ suchen die Wissenschaftler noch Partner aus der Industrie: Beispielsweise Hersteller von Drohnen oder Unternehmen, die die automatische Layouterfassung in ihrer Fabrik testen wollen.

Susann Reichert, B. Eng.Referentin für Public Relations und Marketing PR and Marketing Manager

Fabrikplanungsprojekte sind komplex und zeitaufwendig. Allein die Datenaufnahme und -analyse im Rahmen der Grundlagenermittlung nimmt bis zu 50 Prozent des Projektaufwandes ein. Besonders die Ermittlung des bestehenden Layouts mit seinen unterschiedlichen Flächen – beispielsweise für Lager, Bereitstellung, Maschinen oder Funktionsflächen – nimmt viel Zeit in Anspruch, da häufig keine detaillierten und aktuellen Layouts vorliegen und die Flächen händisch vermessen werden müssen. Aufgrund des hohen Zeit- und Kostenaufwands stehen KMU Wandlungsprozessen in der Fabrik oft kritisch gegenüber. Zudem ist nur mit hohem Aufwand eine dreidimensionale Planung realisierbar, welche ein besseres Vorstellungsvermögen und somit bessere Ergebnisse ermöglicht. Um diesen Prozess zu vereinfachen, werden Technologien zur schnellen und aufwandsarmen Datenaufnahme und -analyse im Fabrikplanungsprozess benötigt. Eine drohnenbasierte automatisierte 3D-Fabrikkartographierung könnte den Aufwand für die Grundlagenermittlung senken und eine dreidimensionale Planung ermöglichen.

Ziel des Forschungsvorhabens „Instant Factory Maps“ ist die Entwicklung von Technologien zur automatisierten 2D- und 3D-Layouterfassung in Fabriken. Dazu sollen teilautonom fliegende Drohnen eingesetzt werden, die 2D- oder 3D-Luftaufnahmen erzeugen. Durch die automatisierte Zusammensetzung der Bilder (Stitching/Mapping) kann ein maßstabsgetreues Gesamtbild der Fabrik erzeugt und automatisiert ausgewertet werden – beispielsweise werden Flächen und Maschinen automatisch erkannt und vermessen. Die gewonnenen Daten können direkt im Fabrikplanungsprozess verwendet werden, zum Beispiel zur Raumbucherstellung sowie zur Erstellung von digitalen 3D-Modellen oder physischen, 3D-gedruckten Modellen.

„Viele Fabriklayouts sind historisch gewachsen, die Abläufe werden mit der Zeit oft ineffizient. Hier ließe sich viel optimieren – aber vor allem kleine und mittlere Unternehmen scheuen den Aufwand“, sagt Dominik Melcher, der am IPH das Forschungsprojekt „Instant Factory Maps“ leitet. Schon die Vorbereitung ist enorm zeitaufwendig: Die komplette Fabrikhalle mit sämtlichen Maschinen und Lagerflächen wird von Hand ausgemessen und anschließend in ein Computermodell übertragen. Erst dann kann die eigentliche Optimierung beginnen. „Die händische Datenaufnahme und -analyse macht bis zu 50 Prozent des gesamten Arbeitsaufwandes aus“, sagt Melcher.

Fabriklayout im Flug erfassen

Das soll sich ändern: In Zukunft soll eine Drohne das Fabriklayout im Flug erfassen. 3D-Kameras oder Laserscanner an Bord vermessen die komplette Fabrikhalle. Die Daten werden anschließend am Computer verarbeitet und analysiert: Maschinen, Hochregale und Wege werden automatisch erkannt und eingezeichnet. Aus den Daten entsteht schließlich ein dreidimensionales Modell, das sich direkt bearbeiten lässt, beispielsweise mit einem CAD-Programm. Die Layouterfassung wird auf diese Weise deutlich schneller gehen als bisher. Statt in wochen- oder monatelanger Handarbeit ließe sich automatisiert binnen weniger Stunden ein 3D-Modell der Fabrik erzeugen. Das nützt vor allem kleinen und mittleren Unternehmen, die ihre Produktion effizienter gestalten wollen, aber wenig Zeit und Geld investieren können. Das IPH will die neue Technologie auch selbst nutzen: Seit fast 30 Jahren planen und optimieren die Ingenieure Fabriken. Mit der automatisierten Layouterfassung können sie diese Dienstleistung künftig günstiger anbieten und ihren Kunden in deutlich kürzerer Zeit Ergebnisse liefern.

Zunächst müssen die Forscher jedoch zwei große Herausforderungen meistern. Zum einen muss die Drohne ihren Standort jederzeit exakt bestimmen können – das funktioniert bisher nicht in geschlossenen Räumen. Zum anderen muss ein Algorithmus die Bilder richtig interpretieren – also zuverlässig erkennen, was eine Maschine ist und wo sich beispielsweise ein Hochregal befindet.

Bisher werden Kamera-Drohnen unter anderem eingesetzt, um Baustellen zu überwachen. Ihren Standort können sie zuverlässig per GPS bestimmen, allerdings nur unter freiem Himmel. Für den Einsatz in geschlossenen Räumen müssen die Forscher eine völlig neue Technologie entwickeln. Zur Orientierung könnte beispielsweise ein Funksender dienen, der mit der Drohne über WLAN verbunden ist. Bleibt dieser an einem festen Punkt in der Fabrik stehen, lässt sich die Position der Drohne aus dem Abstand und dem Winkel zum Sender berechnen. Denkbar wäre auch, die Bewegung der Drohne über Beschleunigungssensoren nachzuvollziehen und so zu berechnen, wie weit sie in welche Richtung geflogen ist. Eine dritte Möglichkeit wäre die Ortung über einen sogenannten SLaM-Algorithmus. SLaM steht für Simultaneous Localization and Mapping: Die Drohne filmt die Fabrikhalle, erstellt aus den Bildern eine Karte und erkennt auf dieser Karte ihre eigene Position. Mobile Roboter sind dazu schon in der Lage – „allerdings müssen wir noch untersuchen, ob die Ortung für unseren Anwendungsfall genau genug ist“, sagt Melcher.

Algorithmus lernt aus Erfahrung

Zudem entwickeln die Forscher am IPH eine Software zur Datenverarbeitung. Bisher gibt es lediglich Algorithmen, die aus mehreren Einzelaufnahmen ein dreidimensionales Bild zusammensetzen – interpretieren können sie dieses Bild jedoch noch nicht. Das IPH will nun einen Algorithmus entwickeln, der aus Erfahrung lernt: „Bei den ersten Fabriklayouts, die die Drohne erfasst, wird noch ein Experte Maschinen und Lager markieren“, erklärt Melcher. „Der Algorithmus erkennt darin Muster und ist bald in der Lage, die Daten automatisch zu interpretieren.“ Um den Algorithmus anzulernen, ist das IPH auf der Suche nach produzierenden Unternehmen, die die Layouterfassung per Drohne ausprobieren wollen und bereit sind, die Ergebnisse zu prüfen und zu korrigieren. Auch Unternehmen, die Drohnen herstellen, mit Drohnen arbeiten oder sich mit Bildverarbeitung beschäftigen, können sich am Forschungsprojekt beteiligen.

Das Forschungsprojekt „Instant Factory Maps“ wird vom Bundeswirtschaftsministerium finanziert und läuft zwei Jahre. _jg

www.iph-hannover.de

http://hier.pro/30b7m


info

IPH – Institut für Integrierte Produktion

Das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gemeinnützige GmbH forscht auf dem Gebiet der Produktionstechnik. Es bietet Forschung und Entwicklung, Beratung und Qualifizierung rund um die Themen Prozesstechnik, Produktionsautomatisierung, Logistik und XXL-Produkte. Zu seinen Kunden zählen Unternehmen u. a. aus dem Werkzeug- und Formenbau sowie dem Maschinenbau.

http://hier.pro/30b7m

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