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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung sowie ein Verfahren zur Bearbeitung eines Gegenstandes im Apparate- und Anlagenbau, also beispielsweise von Rohrleitungssystemen, Wärmetauschern etc.
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Stand der Technik
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Zur Fertigung im Apparate- und Anlagenbau sowie zur Bearbeitung eines Gegenstandes im Apparate- und Anlagenbau ist es üblich, Zeichnungen zu erstellen und anhand dieser Zeichnungen Bauteile zu positionieren, zu befestigen, zu bearbeiten oder auf andere Weise anhand der Zeichnungen Bauteile zu fertigen. Diese Zeichnungen müssen lesbar sein und Mitarbeiter müssen in der Regel dazu ausgebildet sein, um sich mit solchen Zeichnungen zurechtzufinden. Dies ist insbesondere herausfordernd, da Zeichnungen zweidimensional sind, während bei der Fertigung oft kompliziert geformte dreidimensionale Objekte gefertigt bzw. bearbeitet werden müssen. Solche Zeichnungen werden in der Regel aus Modellen gewonnen, die im CAD-System erstellt werden.
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Unterstützung für eine solche Fertigung und Bearbeitung im Apparate- und Anlagenbau existiert seit einiger Zeit durch Lichtprojektionen auf Oberflächen, meistens durch Laser. So können bestimmte Bearbeitungsschritte und Positionierschritte durch Lichtprojektionen markiert werden, wodurch ein Monteur einfacher erkennen kann, welche Bearbeitungs- bzw. Fertigungsschritte er ausführen sollte. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Monteur an unförmigen Objekten arbeiten muss, wobei sich Abstände anhand der Zeichnungen nur schwer nachverfolgen lassen. Jedoch setzt die Verwendung von Lichtprojektionen feste Oberflächen voraus, an denen solche Lichtprojektionen sichtbar gemacht werden können. Insbesondere wenn freie Kurven im Raum geformt werden müssen, ist die Verwendung von Lichtprojektionen nicht praktikabel.
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Es wird also nach einer Möglichkeit gesucht, Bearbeitungs- und Fertigungsprozesse im Apparate- und Anlagenbau zu vereinfachen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Fertigung im Apparate- und Anlagenbau sowie eine Verfahren zur Bearbeitung eines Gegenstands im Apparate- und Anlagenbau gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung
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Erfindungsgemäß wird in einem Verfahren zur Fertigung im Apparate- und Anlagenbau ein dreidimensionales Modell zumindest eines Teils eines zu fertigenden Gegenstandes als Projektion in einen Raum derart sichtbar gemacht, dass Bauteile des zu fertigenden Gegenstandes mit der dreidimensionalen Projektion in Deckung gebracht werden können und der zu fertigende Gegenstand anhand des Modells gefertigt wird.
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Möglichkeiten, eine Projektion im Raum sichtbar zu machen, sind durch das Entwicklungsfeld der erweiterten Realität gegeben.
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Unter erweiterter Realität versteht man die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung. Insbesondere wird darunter die visuelle Darstellung von Informationen verstanden, also die Ergänzung von Bildern oder Videos mit computergenerierten Zusatzinformationen oder virtuellen Objekten mittels Einblendung oder Überlagerung. Bei Fußball-Übertragungen ist erweiterte Realität beispielsweise das Einblenden von Entfernungen bei Freistößen mittels eines Kreises oder einer Linie.
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Bei der erweiterten Realität steht die Darstellung zusätzlicher Informationen im Vordergrund. Unter einem Augmented-Reality-System versteht man das System der technischen Bestandteile, die nötig sind, um eine Augmented- Reality-Anwendung aufzubauen: Kamera, Trackinggeräte, Unterstützungssoftware usw.
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Bei der erweiterten Realität sind virtuelle Realität und Realität miteinander kombiniert, bzw. teilweise überlagert. Es gibt die Möglichkeit einer Interaktion in Echtzeit. Reale und virtuelle Objekte stehen dreidimensionale zueinander in Bezug.
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Augmented-Reality Geräte, z.B. Datenhelme, welche für eine erweiterte Realität verwendet werden, stellen einem Benutzer eine verbesserte Anzeige und interaktive Fähigkeiten bereit. Typischerweise erweitert ein Datenhelm die Sicht des Benutzers mit virtuellen Objekten, z.B. Anwendungsdaten, angezeigten Animationen, ausführbaren Icons usw. Diese virtuellen Objekte sind ausgelegt, um das Erlebnis des Benutzers dahingehend zu ergänzen, was als „erweiterte Realität“ bezeichnet wurde. Ein oder mehrere Sensoren ermöglicht bzw. ermöglichen es einem Benutzer, Eingaben, z.B. Gesteneingaben, Spracheingaben usw., bereitzustellen, um mit den angezeigten virtuellen Objekten in einem Arbeitsbereich zu interagieren.
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Die bekannteste Form von Geräten für eine erweiterte Realität sind sog. Head-mounted Displays.
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Als Sonderform eines Head-mounted Displays projiziert die Augmented-Reality-Brille (auch Datenbrille genannt) virtuell Informationen vor die Augen des Brillenträgers, während er weiterhin visuell nicht von der Außenwelt abgeschirmt ist. Von Brille zu Brille unterschiedlich, können Internetseiten angezeigt, aber auch „Hologramme“, d.h. 3D-Grafiken in das Sichtfeld projiziert werden.
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Durch die körperliche Nähe wirken die Bildflächen von Head-Mounted Displays erheblich größer als die frei stehender Bildschirme und decken im Extremfall sogar das gesamte Sichtfeld des Benutzers ab. Da das Display durch die Kopfhalterung allen Kopfbewegungen des Trägers folgt, bekommt er das Gefühl, sich direkt in der vom Computer erzeugten Bildlandschaft zu bewegen. Einige Head-Mounted Displays schotten ihren Träger von anderen visuellen Eindrücken der Umgebung ab und lassen ihn dadurch vollständig in eine virtuelle Realität eintauchen. Andere überblenden äußere und computererzeugte Bilder und lassen ihren Träger dadurch künstliche Objekte der erweiterten Realität als Teil der greifbaren Welt wahrnehmen.
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Es ist jedoch auch möglich, Bildschirme, sowohl freistehende als auch mobile Bildschirme wie z.B. Handydisplays zur Anzeige einer erweiterten Realität zu verwenden. So ist es möglich, mit einer Kamera den Hintergrund des Bildschirms aufzunehmen und diesen mit äußeren und computererzeugten Bildern zu überblenden, um dadurch künstliche Objekte der erweiterten Realität als Teil der greifbaren Welt anzuzeigen.
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Hardware-Komponenten für erweiterte Realität sind Prozessor, Display, Sensoren und Eingabevorrichtungen. Moderne Mobile-Computing-Vorrichtungen wie Smartphones oder Tablet-Computer enthalten diese Elemente, die oft eine Kamera und MEMS-Sensoren wie z.B. Beschleunigungsmesser, GPS und Kompass umfassen, was aus diesen geeignete Augmented-Reality-Plattformen macht.
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Durch die jüngsten Entwicklungen in dem Bereich der erweiterten Realität ist das erfindungsgemäße Darstellen einer dreidimensionalen Projektion im Raum problemlos möglich. Dadurch, dass ein Gegenstand direkt anhand des Modells der Projektion gefertigt wird, ist ein mühevolles Auslesen und Interpretieren von Zeichnungen nicht mehr notwendig. Außerdem kann ein Monteur durch die dreidimensionale Projektion einen Gegenstand viel genauer fertigen als anhand von Zeichnungen.
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Zweckmäßigerweise wird das dreidimensionale Modell mittels eines Bildschirms sichtbar gemacht. Bildschirme sind vorteilhaft eine kostengünstige Variante, um erweiterte Realität darzustellen. Diese sind wie eingangs erwähnt vorteilhaft auf Mobile-Computing-Einrichtungen wie Smartphones oder Tablet-Computern vorhanden, mit denen eine Augmented-Reality-Projektion problemlos darstellbar ist. Doch auch wenn sie ein Modell auf dem Hintergrund als dreidimensionalen Gegenstand anzeigen, so zeigen sie dennoch lediglich ein zweidimensionales Bild an, weshalb ein Monteur bei einer Sichtbarmachung mittels eines Bildschirms einige Mühen aufwenden muss, um den Gegenstand zu fertigen.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform wird das dreidimensionale Modell mittels einer 3D-Brille sichtbar gemacht. Dies ist vorteilhaft, da der Monteur auf diese Weise einen räumlichen Eindruck bekommt und so noch leichter und effizienter den Gegenstand fertigen kann. Insbesondere verschiedene Augmented-Reality-Brillen, die auch als Smartglasses bekannt sind, sind im Bereich der erweiterten Realität vorhanden, die ein dreidimensionales Bild eines Modells mit dem Eindruck der Realität überlagern. Diese können unter anderem auch in einen Helm integriert sein und auf diese Weise bequem getragen werden.
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Bevorzugt wird die Projektion derart positioniert, dass drei Punkte des projizierten Modells mit drei vorgegebenen Raumpunkten in Deckung gebracht werden. Dies ist vorteilhaft, da die drei Punkte auf diese Weise als Stützpunkte bei einer Ablage des zu fertigenden Gegenstandes dienen können. Auf diese Weise kann der Gegenstand dann vorteilhaft direkt auf der Ablage in Deckung mit dem Modell der Projektion gefertigt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das dreidimensionale Modell in Komponenten zerlegt, anhand deren Projektion in den Raum dann einzelne Komponenten des zu fertigenden Gegenstandes gefertigt werden.
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Manchmal können einzelne Komponenten des zu fertigenden Gegenstandes bereits hinreichend komplex sein, dass eine Gesamtprojektion nicht dienlich ist. Durch Zerlegung des Modells in Komponenten können auch beliebige Bestandteile des zu fertigenden Gegenstandes mithilfe des projizierten Modells gefertigt werden. Auch Zusammensetzungen von Komponenten können als Projektion dargestellt werden, so dass verschiedene Einzelzusammensetzungen einzeln jeweils anhand einer Projektion gefertigt werden können.
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Zweckmäßigerweise wird eine Sequenz von Modellen, die jeweils zumindest einen Teil des zu fertigenden Gegenstands in einzelnen Herstellungsschritten zeigen, als Projektion in den Raum derart sichtbar gemacht, dass Bauteile des zu fertigenden Gegenstandes mit den dreidimensionalen Projektionen in Deckung gebracht werden können und der zu fertigende Gegenstand anhand der Sequenz von Modellen gefertigt wird.
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Durch eine sequenzierte Darstellung können auch einzelne Fertigungsschritte anhand des projizierten Modells nachvollzogen werden. Die Sequenz von Modellen kann auch bevorzugt als Film dargestellt werden, so dass vorteilhaft eine Montage in Echtzeit erfolgen kann. Auf diese Weise ist eine Fertigung für den Monteur selbsterklärend anhand der einzelnen Projektionen von Herstellungsschritten, so dass er bevorzugt ohne weitere Anleitungen, Hilfestellungen oder Anweisungen oder gegebenfalls mit sehr wenigem Anleitungen, Hilfestellungen der Anweisungen bei der Fertigung auskommt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bearbeitung eines Gegenstandes im Apparate- und Anlagenbau vorgeschlagen, wobei ein dreidimensionales Modell zumindest eines Teils eines zu bearbeitenden Gegenstandes als Projektion in einen Raum derart sichtbar gemacht wird, dass der zu bearbeitende Gegenstand mit der dreidimensionalen Projektion in Deckung gebracht werden kann und der zu bearbeitende Gegenstand anhand des Modells bearbeitet wird.
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Auch eine Bearbeitung eines Gegenstandes kann anhand eines projizierten Modells viel genauer und einfacher erfolgen als anhand von Zeichnungen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Sequenz von Modellen, die den zu bearbeitenden Gegenstand in einzelnen Bearbeitungsschritten zeigen, als Projektion in den Raum derart sichtbar gemacht, dass der zu bearbeitende Gegenstand mit der dreidimensionalen Projektion in Deckung gebracht werden kann und anhand der Sequenz von Modellen bearbeitet wird.
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Durch eine sequenzierte Darstellung können auch einzelne Bearbeitungsschritte anhand des projizierten Modells nachvollzogen werden. Die Sequenz von Modellen kann auch bevorzugt als Film dargestellt werden, so dass vorteilhaft eine Bearbeitung in Echtzeit erfolgen kann. Auf diese Weise werden die einzelnen Schritte für den Monteur selbsterklärend, so dass dieser diese ohne größeres Wissen und größere Erfahrung ausführen kann.
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Zweckmäßigerweise werden zusätzlich zu dem Modell und/oder der Sequenz von Modellen insbesondere schriftliche oder piktogrammartige Hinweise zur Bearbeitung und/oder Fertigung als Projektion gezeigt.
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Auf diese Weise kann ein Monteur vorteilhaft nach Anleitung arbeiten, ohne dass es besonderer Zeichnungen, Hinweise und mündlicher Anleitungen bedarf. Auf diese Weise können auch weniger ausgebildete und erfahrene Monteuere die Schritte zum Fertigen und/oder Bearbeiten eines Gegenstandes verstehen, befolgen und diese ausführen.
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Bevorzugt werden zusätzlich über einen Lautsprecher Anweisungen zu Fertigung und/oder Bearbeitung gegeben. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise eine Fertigung selbständig durch den Monteur erfolgen kann, ohne dass es besonderer Zeichnungen, Hinweise und mündlicher Anleitungen bedarf. Solch ein Lautsprecher kann auch in einem Datenhelm integriert sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine 3D-Brille und zwei projizierte Modelle, anhand derer eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird.
- 2 zeigt eine 3D-Kamera mit einer Logikeinheit, einem virtuellen CAD-Modell, einer Realitätsaufnahme und einer Überlagerung zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
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1 zeigt eine 3D-Brille 2, insbesondere eine Augmented-Reality-Brille, mittels derer dreidimensionale Modelle 1 zumindest eines Teils eines zu fertigenden Gegenstandes als Projektion in einen Raum derart sichtbar gemacht werden, dass Bauteile des zu fertigenden Gegenstandes mit der dreidimensionalen Projektion in Deckung gebracht werden können und der zu fertigende Gegenstand anhand des Modells 1 gefertigt wird.
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Mit der Brille 2 können auch dreidimensionale Modelle 1 zumindest eines Teils eines zu bearbeitenden Gegenstands als Projektion in einen Raum derart sichtbar gemacht werden, dass der zu bearbeitende Gegenstand mit der dreidimensionalen Projektion in Deckung gebracht werden kann und der zu bearbeitende Gegenstand anhand des Modells bearbeitet wird.
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Bevorzugt wird die Projektion derart positioniert, dass drei Punkte A1, A2, A3 des projizierten Modells 1 mit drei vorgegebenen Raumpunkten in Deckung gebracht werden. Dies ist vorteilhaft, da die drei Punkte auf diese Weise zu den Stützpunkten einer Ablage des zu fertigenden Gegenstandes gehören können. Auf diese Weise kann der Gegenstand dann vorteilhaft direkt auf der Ablage in Deckung mit dem Modell der Projektion gefertigt werden.
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Das obere Bild zeigt den Kern eines gewickelten Wärmetauschers. Dieser wird nun schrittweise durch Einblenden in die 3D-Brille und entsprechendes Anordnen von Leitungen aufgebaut (vergleiche unteres Bild).
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2 zeigt eine Realitätsaufnahme 100, die einem Bildfeld einer 3D-Kamera A entspricht. In dieser Realitätsaufnahme 100 gibt es drei vorgegebene Raumpunkte B1, B2 und B3 sowie zwei vorgegebene Objektpunkte C1 und C2. In der Realität sind zur vereinfachten Erläuterung der Erfindung zwei Bestandteile eines Hammers vorhanden, die zusammengesetzt werden sollen, und zwar ein Stiel 10 und ein Eisen 11. Eine Hand 30 eines Nutzers reicht in die Realitätsaufnahme 100 hinein. Nun wird ein dreidimensionales Modell 20 des zu fertigenden Gegenstandes als virtuelles CAD-Modell 101 erzeugt. Die 3D-Kamera A weist eine Logikeinheit 4 auf, in der das dreidimensionale Modell 20, das ebenfalls aus einem Stiel 20a und einem Eisen 20b zusammengesetzt ist, mit der Realitätsaufnahme überlagert wird. Der Nutzer sieht auf einem Bildschirm der Kamera 102 eine Überlagerung der Projektion des dreidimensionalen Modells 20 mit den Objekten, die in der Realitätsaufnahme 100 reell vorhanden sind. So ist der Stiel 20a des dreidimensionalen Modells mit dem realen Stiel 10 überlagert sichtbar. Weiterhin ist das reale Eisen 11 entfernt von dem Stiel an seiner augenblicklichen Position sichtbar. Das Modell des Eisens 20b ist als Projektion ebenfalls sichtbar, so dass der Nutzer nun das reale Eisen 11 an der Position montieren kann, die ihm durch das Modell des Eisens 20b angezeigt wird.
