SIEMENS

Vergleichen wir die Realität einmal mit den Sendersuchknöpfen eines alten Radios: Am linken Ende des Spektrums sei die reale Umgebung, am rechten Ende die computergestützte Welt der virtuellen Realität (VR). Dazwischen, etwas links von der Mitte, befindet sich die "erweiterte Realität" – die Augmented Reality (AR) –, in der die reale Welt mit digitalen Informationen angereichert wird. So kann zum Beispiel ein unscharfes Ultraschallbild gestochen scharf wiedergegeben werden, wenn man es mit den anatomischen Detaildaten aus einem Computertomographen kombiniert (siehe Artikel "Die Vieläugigen"). Rechts von der Mitte findet man schließlich die "angereicherte Virtualität" – komplett virtuelle Umgebungen wie etwa ein Gebäude, ein Zug oder das Modell einer Windturbine, das durch Echtzeit-Bilder eines Technikers vor Ort erweitert wird.
Entlang dieses Spektrums erforschen Wissenschaftler eine Vielzahl "gemischter Realitäten", in denen reale und virtuelle Elemente in unterschiedlichem Verhältnis miteinander kombiniert werden ((siehe Artikel "Illusion der Anwesenheit", "Virtueller Riesenbagger", "Virtuelle Werkstoffe"). Am rechten Ende, in der virtuellen Welt, gibt es bereits viele sehr reale Wettbewerbsvorteile für Firmen wie Siemens. "Für uns ist die virtuelle Welt extrem wichtig", erklärt Dr. Reinhold Achatz, Leiter von Corporate Research and Technologies, der zentralen Forschungsabteilungen von Siemens. "Sie ist sogar geschäftskritisch, denn wenn man Produkte testen kann, bevor sie tatsächlich gebaut werden, spart man Zeit und Geld, während zugleich Qualität und Flexibilität zunehmen." Siemens sei dafür ideal aufgestellt: "Es gibt Unternehmen für die Software der Automatisierungstechnik und solche, die auf digitale Fabriken spezialisiert sind. Doch nur Siemens kann die Entwick-lung in beiden Bereichen vorantreiben."

Optimierung in VR. Wie viel Kompetenz Siemens hier bereits erworben hat, zeigt das erste virtuelle halbautomatische System für die Vorfertigung von Innenohrhörgeräten, das gerade in Shanghai getestet wird. Dies läuft so ab: Der Abdruck des Innenohrs eines Patienten wird gescannt, und die digitalen Daten werden nach Shanghai geschickt. Dort höhlen die Mitarbeiter die virtuelle 3D-Form am Computer mit Hilfe entsprechender Software aus und stellen sicher, dass alle Oberflächen glatt sind. Außerdem sorgt das Programm dafür, dass das entstehende Gehäuse eine einheitliche Wanddicke aufweist. Präzision steht dabei an erster Stelle, da das digitale Gehäuse später exakt kopiert wird, wenn es in der Produktion auf die reale Form übertragen wird. Sobald das digitale Gehäuse fertig ist, weisen andere Programme den winzigen Komponenten des Geräts die optimalen Positionen zu. Die Mitarbeiter müssen diese Zuweisungen nur überprüfen und bestätigen.
"Für Gehäusefertigung und Komponenteneinbau per Hand braucht ein erfahrener Mitarbeiter bis zu 40 Minuten", berichtet Tong Fang, Programm-Manager bei Siemens Corporate Research (SCR) in Princeton, New Jersey, USA. "Doch durch unsere Teilautomatisierung kann der Prozess auf ein bis zwei Minuten verkürzt und künftig sogar komplett automatisiert werden." Nach der Qualitätskontrolle werden die virtuellen Produkte elektronisch an Fertigungszentren übermittelt, die meist auf der anderen Seite des Globus, in Nordamerika, liegen, dem größten Markt für diese Hörgeräte. "Dank der neuen Technik konnte der Anteil reklamierter Produkte bereits von 20 auf 5 % gesenkt werden", sagt Fang.
Doch nicht nur sehr kleine Produkte werden in der virtuellen Welt entwickelt, personalisiert und perfektioniert, sondern auch große Anlagen wie Hochhäuser und Kraftwerke. Das US-Militär fordert beispielsweise, dass alle seine Neubauten zunächst als Computermodelle generiert werden. "Der Vorteil ist, dass virtuell erstellte Anlagen auch virtuell modernisiert und erweitert werden können", erklärt Dr. Mirko Appel, AR-Spezialist für industrielle Anwendungen bei Siemens Corporate Technology in München. "Verbesserungen können dann zunächst virtuell geplant und getestet werden, bevor man sie auf die reale Welt überträgt. Das birgt ein riesiges Einsparpotenzial für unsere Kunden."
Doch die Sache hat einen Haken. Hörgeräte werden komplett von einem einzigen Hersteller gefertigt, beim Bau einer komplexen Anlage wie einem Kohlekraftwerk sind dagegen Dutzende von Unternehmen beteiligt – und viele von ihnen können das CAD-Modell nicht minutiös umsetzen. "Daher werden oft neue technische Zeichnungen erstellt", sagt Appel. "Obwohl im 3D-CAD-Modell hunderte Mannjahre Arbeit und Millionen Dollar an Investitionen stecken, weicht dann die tatsächliche Anlage oft wesentlich vom digitalen Modell ab."

Fotos im CAD-Modell. Um die Unterschiede zwischen einer realen Anlage und ihrem CAD-Entwurf aufzeigen zu können – und so das digitale Modell während der gesamten Lebenszeit der Anlage nutzen zu können –, hat ein von Appel geleitetes Team gemeinsam mit der Technischen Universität München eine spezielle Software entwickelt und zum Patent angemeldet. Sie kann digitale Fotos von einzelnen Räumen in CAD-Modelle einblenden, so dass die Techniker schnell Differenzen auf einen Zentimeter genau feststellen können. Wenn dies während der Bauphase regelmäßig überprüft wird, hilft die neue Technik nicht nur, eventuelle kostspielige Fehler bereits früh zu erkennen, sondern auch den Bau der Anlage zu dokumentieren.
"Wir verwenden Ankerplatten – massive Stahlverstärkungen in den Wänden, mit denen schwere Konstruktionen gestützt werden – als geografische Referenzpunkte", erklärt Appel. Solange ein Teil der Ankerplatte im Foto sichtbar ist, erkennt das Programm den Raum und den Blickwinkel und reichert das Foto an, indem es das entsprechende CAD-Design in perfekter Ausrichtung über das Bild legt. "Um dies zu erreichen, haben wir die Software mit einer Menge Intelligenz ausgestattet", sagt der AR-Fachmann und fügt hinzu, dass die Technologie derzeit als Pilotprojekt in einem nordeuropäischen Kraftwerk realisiert wird.
Wenn sich die CAD-Konstruktion eines Gebäudes als akkurat erwiesen hat, kann das virtuelle Modell dynamisch mit Echtzeitbildern kombiniert werden. Das hat viele Anwendungen. "So können etwa sich ändernde Brandschutzbestimmungen eine Verlegung der Fluchtwege nötig machen", erläutert Dr. Yakup Genc, Programm-Manager für 3D Vision & Augmented Reality bei SCR. "In diesem Fall könnte der Gebäudeverwalter einen virtuellen Flug durch das gesamte Gebäude unternehmen, indem Echtzeit-Kamerabilder der Fluchtwege über die CAD-Diagramme gelegt werden. Dies würde präzise Informationen über eventuelle Hindernisse, Feuerlöscher oder die Beschilderung und Beleuchtung liefern, wobei im Prinzip alles auch automatisch dokumentiert werden könnte."
Virtuelle Kopien realer Gebäude können auch Wartung und Schulungen einfacher und günstiger gestalten. "Wir arbeiten daran, wie Experten in VR Zugang zu Systemen für die Anlagenüberwachung bekommen können, um die Behebung von Fehlern zu beschleunigen", sagt Paul Camuti, der Leiter von SCR. Das Konzept, das besonders für komplexe und schwer zugängliche Anlagen wie Windparks und Offshore-Bohrplattformen sinnvoll ist, sieht folgendes Szenario vor: Ein Techniker, der sich vor Ort befindet, würde einen weit entfernten Fachmann um Hilfe bitten, etwa bei Problemen mit einer Windturbine (siehe Artikel "Illusion der Anwesenheit"). "Der Experte könnte sich dann, soweit autorisiert, auf der Webseite des Windparks einloggen und die virtuelle Kopie der Turbine erklimmen – ohne dafür klettern zu müssen", sagt Genc. "Das ist echte virtuelle Realität. Wenn der Experte dann aber zudem dasselbe sehen und hören möchte wie der Techniker, kann dieser eine Mini-Kamera am Kopf tragen, deren Bilder auf die virtuelle Sicht gelegt werden – das wäre dann eine angereicherte Virtualität." Das Ergebnis, so Genc, sei ein neues System zur Fehlerbehebung und Schulung. Er fügt hinzu: "Die Person, die nicht vor Ort ist, kann etwa mit dem Cursor auf etwas zeigen, das die Person vor Ort an genau der gleichen Stelle durch eine Augmented-Reality-Brille sieht. Die 3D-Umgebung ermöglicht Zusammenarbeit über Distanzen hinweg, indem reale und virtuelle Welten kombiniert werden."