Quelle: Fraunhofer IPA
Fabrikkonzepte erlebbar machen: 3D-Visualisierung in der Fabrikplanung
3D-Visualisierungen spielen eine immer wichtigere Rolle in der modernen Fabrikplanung. Renderings dienen als Kommunikationsmittel und 3D-Modelle werden zunehmend als Projektergebnis oder zur Übergabe an Architekten gefordert. Fortschritte in XR-Technologien und neuen Datenformaten eröffnen zudem innovative Möglichkeiten der Interaktion.
Von Alexander Kronschnabl und Christian Kaucher
Ansprechende 3D-Renderings als Projektergebnis sind ohne Zweifel eindrucksvoller als Blocklayouts und Excel-Tabellen. Mit heutigen Tools und Mitteln sind diese zudem schnell erzeugt. Je nach Projekt kann ein angepasster Detaillierungsgrad modelliert werden, welcher von der überblicksartigen Darstellung einer neuen Werksstruktur bis hin zur detaillierten Darstellung von Arbeitsstationen reicht. In der Fabrikplanung ist es sinnvoll, erst ab der Realplanung mit der Modellierung zu beginnen, nachdem das Produktionssystem aus- und das Layout festgelegt wurde. Zu diesem Zeitpunkt sind in der Regel keine großen Änderungen mehr zu erwarten, sondern lediglich noch feine Abstimmungen und Detailfragen zu klären.
Bei der Erstellung eines solchen Modells kann stets zwischen Gebäude und Produktion unterschieden werden. Im Kontext des Gebäudes sind Elemente wie Wände, Stützen, Fenster, Tore, Dachkonstruktionen und Kräne zu modellieren. Zur Darstellung der Produktion sind Betriebsmittel wie Maschinen und Anlagen, Logistikelemente wie Stapler und Paletten sowie zusätzliche Einrichtungen wie Tische und Regale einzufügen. Wesentlich für eine Software sind unter anderem die Benutzerfreundlichkeit und eine umfangreiche Modellbibliothek. Eine Software, die diese Kriterien erfüllt, ist beispielsweise SketchUp.
Die Vorteile einer 3D-Modelleriung und Visualisierung in der Fabrikplanung
An einem komplexen Fabrikplanungsprojekt sind zahlreiche interne und externe Stakeholder vom Shopfloor bis zum Management beteiligt. Technische Zeichnungen und 2D-Pläne können dabei oft missverständlich sein. Mithilfe von 3D-Modellen lassen sich Darstellungen erzeugen, die es allen Beteiligten erleichtern, den geplanten Raum und die Maschinenanordnung intuitiv zu erfassen. Diese visuelle Grundlage stützt das erarbeitet Planungsergebnis, verbessert die Zusammenarbeit und minimiert Missverständnisse, was die Entscheidungsfindung erheblich erleichtert. In Kombination mit der Möglichkeit, die erzeugten 3D-Modelle mit entsprechenden Lichtverhältnissen und Schattierungen in hoher Auflösung zu rendern, hilft dies dabei, das geplante Projekt sowohl visuell zu präsentieren als auch zu vermarkten. Zusammengefasst unterstützt die 3D-Visualisierung hier bei folgenden Punkten:
- Verständliche Präsentation der Projektergebnisse, auch an Personen außerhalb des Projektteams
- Entscheidungsunterstützung für Vorstand und Geschäftsführung
Ein wesentlicher Vorteil der 3D-Modellierung liegt darin, dass Planungsfehler und Änderungsbedarfe bereits in der Planungsphase frühzeitig erkannt werden können, bevor die Umsetzung beginnt. Gerade in der Konzeptphase stellt sich jedoch oft die Herausforderung, potenzielle Schwierigkeiten aufgrund der Einschränkungen von 2D-Darstellungen und umfangreichen Tabellen zeitnah zu identifizieren. Diese Heterogenität der Daten und Formate macht es schwierig, alle relevanten Informationen zu berücksichtigen und potenzielle Probleme nicht zu übersehen. Typische Beispiele sind hier Anlagenhöhen und Sichtachsen. Eine 3D-Modellierung der Planungsergebnisse und deren Visualisierung ermöglichen es, alle Aspekte in einem einzigen Modell zusammenzuführen und ganzheitlich darzustellen. Zusammengefasst unterstützt die 3D-Visualisierng hier bei folgenden Punkten:
- Überprüfung von Planungsrisiken wie Kollisionen von Anlagen mit dem Gebäude
- Virtuelle Begutachtung der neuen Fabrik vor deren Umsetzung
Zusammenspiel von Fabrikplanung und Architektur mit SketchUp
Eine Fabrikplanung sollte »von innen nach außen«, also vom eigentlichen Produktionsprozess ausgehend erfolgen. Daher starten Projekte in der Regel mit der Fabrikplanung, bevor die Gebäudeplanung in den Prozess einsteigt. Typischerweise stellt die Fabrikplanung der Architektur Layouts und Listen bereit, die diese zur Erstellung von Raumbüchern nutzt oder erstellt diese direkt für die Architektur. Da in dieser Phase (Vorplanung/LPH 2 nach HOAI) in der Regel noch mit verschiedenen Entwürfen gearbeitet wird, werden zunächst eher einfache Gebäudemodelle erstellt. Der große Vorteil: Wenn bereits die Fabrikplanung 3D-Visualisierungen übergibt – selbst wenn es zunächst nur einfache Kuben statt detaillierterer Maschinenmodelle sind –, erleichtert dies der Architektur das Verständnis grundlegender Informationen erheblich. Insbesondere die Maschinenabmessungen und -anordnungen, die Auswirkungen auf die Hallenhöhe und das Stützenraster haben, können so besser berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann die Architektur dieses Modell für ihre eigenen Entwürfe weiterverarbeiten. In weiteren Verlauf findet in der Regel ein intensiver und iterativer Austausch zwischen den Fachbereichen statt. Architektur und Fabrikplanung diskutieren die Entwürfe und berücksichtigen notwendige Änderungen. Schließlich kann die Architektur auf der Grundlage der gesammelten Informationen und der abgestimmten Entwürfe die Vorzugsvariante in ein sogenanntes BIM-Koordinationsmodell (Building Information Modeling) überführen, welches in den weiteren Planungsphasen weiter ausdetailliert wird.
Interaktivität in der Planung
Aufbauend auf realistischen Renderings oder Videos, die die Fabrik beispielsweise wie bei einem Drohnenflug zeigen, werden interaktivere Möglichkeiten immer beliebter. Eine XR-Anbindung, beispielsweise an die Quest 3 von Meta, ermöglicht es den Nutzern, in die Gebäude einzutauchen, sich im 1:1-Maßstab umzusehen und sich frei durch die Fabrik zu bewegen. Dies fördert das Verständnis für die Planungslösung erheblich.
Während Produktions-, Montage- und Logistikprozesse in einer reinen 3D-Modellierung bislang lediglich statisch dargestellt werden, eröffnen technologische Innovationen – wie das Industrial Metaverse – neue Möglichkeiten. Die Stärke eines solchen Konzepts liegt insbesondere in der Abbildung dynamischen Verhaltens. So können zwar statische Aspekte wie das Gebäudemodell weiterhin in einer reinen 3D-Modellierung abgebildet werden, zusätzlich können jedoch dynamische Elemente in spezifischeren Tools modelliert und simuliert werden. In einem Gesamtmodell lassen sich mithilfe eines einheitlichen Datenformats (USD) nun alle statischen und dynamischen Modelle integrieren und in Echtzeit fotorealistisch darstellen. Als konkretes Beispiel ist die Plattform Omniverse von Nvidia zu nennen.
Bei Fragen zum Thema Visualisierung kommen Sie auf uns zu! Wir unterstützen Sie gerne – sei es ein umfangreiches Fabrikplanungsprojekt einschließlich Visualisierung, eine reine Visualisierung oder die Gestaltung ihrer Planungs-Toolchain.
Ihre Ansprechpartner
Alexander Kronschnabl
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsteam Fabrikplanung und Wertstromdesign
Telefon: +49 711 970-3558
Christian Kaucher
Forschungsteamleiter Fabrikplanung und Wertstromdesign
Telefon: +49 711 970-1865