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© Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. – Virtual Dimension Center VDC
Whitepaper
Virtuelle Techniken in der Fabrikplanung Anwendungen und Technologien
Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde
Marc Cannarozzi M.Sc.
Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach
Auberlenstr. 13
70736 Fellbach
www.vdc-fellbach.de
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Grundlagen- ermittlung
Konzept- planung
Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
Realisierungs- überwachung
Hochlauf- betreuung
Projekt- abschluss
Whitepaper
Virtuelle Techniken in der Fabrikplanung
Umfeld Fabrikplanung Fazit
Inhalt Whitepaper Virtual Reality in der Fabrikplanung
14.08.2015 2
Umfeld der Fabrikplanung
Phase 1 – Zielfestlegung
Phase 2 – Grundlagenermittlung o Bestandaufnahme
Phase 3 – Konzeptplanung
o Architektur/Mediensysteme
o Generalbebauung
o Layoutplanung
o Materialfluss/Logistik
Phase 4 – Detailplanung o Arbeitsschutz / Arbeitssicherheit
o Automatisierungstechnik
o DMU-Integration
o Fertigungsverfahren
o Fördertechnik
o Montageplanung
Phase 5 – Realisierungsvorbereitung
Phase 6 – Realisierungsüberwachung
Phase 7 – Hochlaufbetreuung o Inbetriebnahme: Hochlauf
o Inbetriebnahme: Training
Phase 8 – Projektabschluss o Wissensmanagement
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Grundlagen- ermittlung
Konzept- planung
Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
Realisierungs- überwachung
Hochlauf- betreuung
Projekt- abschluss
Whitepaper
Virtuelle Techniken in der Fabrikplanung
Umfeld Fabrikplanung Fazit
Umfeld Fabrikplanung
14.08.2015 3
systematischer, zielorientierter und
in aufeinander aufbauenden Phasen
strukturierter Prozess zur Planung
von Fabriken
8 Phasen (siehe Gliederung)
Projektarten o Neuplanung einer Fabrik
o Erweiterung
o Reorganisation einer bereits
existierenden Fabrik
komplexes, vielseitiges und
weitläufiges Themengebiet
Umfeld Fabrikplanung
verschiedene Teilaufgaben, die
durch einheitliche Zielsetzung zu
geschlossenem Ganzen
zusammengefasst werden
hierarchisch aufgebautes System
bestehend aus Ermittlungen,
Untersuchungen und
Entscheidungen
Teilgebiet der
Unternehmensplanung
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Konzept- planung
Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
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Hochlauf- betreuung
Projekt- abschluss
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Virtuelle Techniken in der Fabrikplanung
Umfeld Fabrikplanung Fazit
Umfeld Fabrikplanung: Ziele
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günstiger Produktions- und Fertigungsfluss
menschengerechte Arbeitsbedingungen
optimale Flächen-
und Raumausnutzung
hohe Flexibilität der Bauten,
Anlagen und Einrichtungen
Wandlungsfähigkeit
Planungsobjekte: o Arbeitsplatz-,
o Bereichs- und
o Gebäudestruktur
Bild: VRMMP
Umfeld Fabrikplanung
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Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
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Phase 1 - Zielfestlegung
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Arbeitspunkte:
Bestimmung von Unternehmens- und Projektzielen
Aufstellung Bewertungskriterien
Festlegung Arbeitspakete
=> Keine sinnvolle VR-Verwendung
Zielfestlegung
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Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
Realisierungs- überwachung
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Projekt- abschluss
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 2 - Grundlagenermittlung
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Informationsbeschaffung und -auswertung
als Grundlage für folgende Planungen
Erstellung Mengengerüst für spätere
Ablaufsimulation
bei Umplanung (Brown-Field-Projekte):
Dokumentation und Validierung aktueller
Realisierungsstand (CAD-Pläne,
3D-Dokumentationen usw.) und
Soll-Ist Abgleich zur Validierung
simulative Machbarkeitsstudien für
geeignete Fertigungsverfahren
(siehe dazu auch VDC-Whitepaper
„Virtual Reality in Fertigungsverfahren“)
Bild: Scantec 3D
Laser-Scan einer kompletten
prozesstechnischen Anlage
Bild: Visenso Fließpressen:
Simulation
Bild: Scantec 3D
Mischdatenverarbeitung
Laserscan (grau) und CAD
(farbig) zur Vermeidung
doppelter Bauraum-
belegung
Grundlagen- ermittlung
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Konzept- planung
Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
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Hochlauf- betreuung
Projekt- abschluss
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 3 - Konzeptplanung
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Generalbebauung
3D-Variantenvisualisierung von
Generalbebauung und Fabrikgebäude
Dimensionierung und Strukturierung
von Flächen und Lagern
Bild: VRMMP
Gesamtsicht auf
prozesstechnische Anlage
Bild: Fh-PA
Visualisierung
Generalbebauung
Daimler Rastatt
Bild: VRMMP
High-Lighten von
Bereichen, z. B.
Planungsvariante
Konzept- planung
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Detail- planung
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Phase 3 - Konzeptplanung
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Layoutplanung
Flächen- und Lagerplanung in 2D/3D
mit interaktivem Planungstisch
(Groblayout)
2D-Layout auf Tischoberfläche,
3D-Perspektive an der Wand
interaktive Klötzchen zum Platzieren
von Objekten (Maschinen, etc.) auf
Tisch
Virtual Walkthrough durch Fabrik über
Wandprojektion (oder Powerwall –
nächste Seite)
mehrere Benutzer
Bild: Fh-IPA
Gesamtsystem
Planungstisch
Bild: Fh-IPA
über interaktives Klötzchen
wird ein Objekt verschoben
Bild: VDC
Sitzung zur
Layoutplanung
Konzept- planung
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Detail- planung
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Projekt- abschluss
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Phase 3 - Konzeptplanung
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Virtual Walkthrough: Fabrikplanung in CAVE Bild: Virtalis
Konzept- planung
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Projekt- abschluss
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Phase 3 - Konzeptplanung
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Architektur Gebäudeinfrastruktur
Planung Gebäude
Planung Gebäudeinfrastruktur
(z.B. Mediensysteme)
mit 3D-Visualisierung
Variantenvisualisierung
Bild: KOP
Planung Mediensysteme
in Fabrik
Bild: KOP
Diskussion Bauvorhaben
vor Powerwall
Bild: Scantec 3D
Blick auf
Versorgungsleitungen
in einem 3D-Modell
Konzept- planung
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Konzept- planung
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Detail- planung
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Hochlauf- betreuung
Projekt- abschluss
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Bild: Fh-IPA
Simulationsmodell
Rohbaumontage Daimler
Phase 3 - Konzeptplanung
14.08.2015 11
Materialfluss und Logistik
Absicherung durch Materialfluss- und
Logistiksimulation
unterstützend 3D-Visualisierung
Planung und Absicherung von
o Logistikkonzept, Logistiksteuerung
o Lager
o Puffer
o Heranführung Arbeitsmittel
Bild: Fh-IPA
Kommissionierlager
Rhode Schuhe
Bild: Fh-IPA Fördersystem bei der
Deutschen Post AG
Konzept- planung
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Konzept- planung
Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
Realisierungs- überwachung
Hochlauf- betreuung
Projekt- abschluss
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Phase 4 - Detailplanung
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Planung Fördertechnik, Montage,
Automatisierungstechnik
Simulation und Visualisierung von o Montagesystemen,
o Robotik,
o Automatisierungstechnik,
o Fördertechnik
im Hinblick auf Effizienz, Sicherheit
und Ergonomie
virtuelle Inbetriebnahme
geometrisch-logischer Modelle
von Fördersystemen
Bild: RIF e.V.
Evaluation mittels AR:
Augmented-Reality-basierte
Planung eines Montage-
Arbeitsplatzes: Werker und
Greifraum (rot) überblendet
Simulation Zuführung von
Werkstücken an ein
Bearbeitungszentrum
Bild: Volkswagen
Bild: Fh-IPA
Virtual Mock-Up:
Automatisierte Rohbau-
montage bei Daimler
Detail- planung
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Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
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Hochlauf- betreuung
Projekt- abschluss
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 4 - Detailplanung
14.08.2015 13
Planung Montageprozesse
3D-Simulation des Montageprozesses
manuelle Montagetätigkeiten über
o 3D-Menschmodelle oder
o VR (Tracking, Motion Capturing)
nachbildbar
Absicherung Montierbarkeit und
Demontierbarkeit
Ermittlung von Vorgabezeiten durch
die Bearbeitung von VR-Szenarien
Bild: Altran/Industriehansa
Virtuelle Montage und
Demontage vor der Powerwall
mit Anleitung und/oder
Dokumentation (Recording)
Bild: ESI
Absicherung Montierbarkeit:
Simulation beidhändiger
Montage vor Powerwall
mit 2 Flysticks
Detail- planung
Ermittlung Vorgabezeiten
durch Bearbeitung einer
VR-Szene (Montage Motor);
Einträge erscheinen automatisch
in der linken Tabelle) Bild: Altran/Industriehansa
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Phase 4 - Detailplanung
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Fertigungsverfahren
Verfahrensabsicherung durch
Fertigungssimulation
VR-Anwendungen zeigen
den Prozess selbst und das Resultat
realisierte Umsetzungen heute:
Gießen, Umformen, spanende
Fertigungsverfahren, Lackieren, …
(siehe dazu auch VDC-Whitepaper
„Virtual Reality in Fertigungsverfahren“)
Überprüfung
Funktionsweise des
Gießwerkzeugs,
Kinematiken,
Kollisionen,
Freigängigkeit
Bild: Visenso
Spanende Fertigungsverfahren:
Vergleich von Prozessvarianten
Bild: Visenso
Bild: Visenso
Tiefziehen: Absicherung am
virtuellen Modell
Detail- planung
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Phase 4 - Detailplanung
14.08.2015 15
Bild: Fh-IPA
Lackiersimulation:
virtuelle Absicherung der
Lackierbarkeit eines Fahrzeugs;
Trajektorie des Roboters als
gepunktete Linie dargestellt;
rechts ist die Schichtdicke in
Überhöhung und Falschfarben
dargestellt
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Phase 4 - Detailplanung
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Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit
Absicherung mit interaktivem
3D-Modell.
Aspekte: o Sicherheitstechnik
o Unfallschutz
o Greifräume
o Trennsysteme, Absperrungen, Sensorik,
Verarbeitung (Sicherheitskonzept)
o Fluchtwege, Ausschilderung
o Sichtverhältnisse
Sicherheitszelle:
virtuelle Überprüfung
Sicherheitskonzept Bild: Fh-PA
Bild: Fh-IAO
Bild: VRMMP
Kransimulator:
Gefahrenbereich
beim Abladen in rot
Ausschilderung Fluchtwege
im Anlagenbau
Detail- planung
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 4 - Detailplanung
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Integration in Fabrik-DMUs:
geometrische Integration: o Gewerke und Gebäudetechnik als 3D-Objekte
in Gesamtmodell zusammengeführt
o Ausschluss geometrischer Kollisionen
funktionale Integration: o Integration von Menschen, Anlagen und
weiteren Komponenten in Flüsse (Personal,
Material, Informationen) der Fabrik
o dynamische Modelle oder Beschreibung und
Diskussion des Modells anhand zugewiesener
Prozesse notwendig
produktionstechnische Integration o geometrische und prozessuale Kollisionen
von Produkt in Fabrikstruktur verhindern Bild: Fh-IPA
Bild: Fh-PA
Daimler, Rastatt:
Robotik, Zuführung,
Materialfluss
Bild: Virtalis
Virtual Walkthrough
durch virtuell geplante
Fabrik an der TU Clausthal
Entscheidungspunkte bei
einem Flugzeugbauer:
Dock- vs. Fließfertigung,
Transportsystem,
Arbeitsbühnen
Detail- planung
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Phase 4 - Detailplanung
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Fabrikplanung vor Powerwall Bild: Virtalis
Detail- planung
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 5 - Realisierungsvorbereitung
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Arbeitspunkte
Angebotsbeschaffung
Vergabe und Überwachung Ausführungsplanung
=> keine sinnvolle VR-Verwendung
Realisierungs- vorbereitung
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Projekt- abschluss
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 6 - Realisierungsüberwachung
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Koordination, Überwachung und
Dokumentation der Realisierung
VR für Soll-Ist-Abgleich des umgesetzten
Stands mit Mischdatenverarbeitung
(Laser-Scans vs. 3D-Konstruktion)
Augmented Reality/AR (Überblendung
Soll-Planung über aktuellen Stand)
Ziele: o Qualitätskontrolle
o Projekt-Controlling
(z.B. Abrechnung geleisteter Arbeiten)
Bild: Volkswagen
AR-gestützte Einplanung
neuer Objekte in Bestand
Bild: TU München
AR-Einplanung in Bestand:
Fördertechnik
Bild: Scantec 3D
aus einem Laserscan
rückgeführtes 3D-Modell
eines Umspannungswerks
Realisierungs- überwachung
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Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
Realisierungs- überwachung
Hochlauf- betreuung
Projekt- abschluss
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Virtuelle Techniken in der Fabrikplanung
Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 6 - Realisierungsüberwachung
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Bild Re‘flekt
AR-Einplanung in den Bestand bei Trumpf
Einsatz von Augmented Reality: Überblendung Soll-Planung und reale Perspektive
Realisierungs- überwachung
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Projekt- abschluss
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 7 - Hochlaufbetreuung
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Inbetriebnahme: Virtual Ramp-Up
virtuelle Auslegung Sensorik, Aktorik
Vermeidung Kollisionen, Deadlocks
Hardware-in-the-Loop-Simulationen
Übertragung von Steuerungscode
(Offline-Programmierung) auf
physische Anlagen
Verkürzung Hochlaufzeit durch
Simulations-gestützte Vorab-Tests bei
gleichzeitig verbessertem Reifegrad
der Planung von Robotik und
Automatisierungssystemen
Bild: Fh-IPA
Bild: RIF
3D-Modell einer
automatisierten
Montagelinie
Hardware-in-the-Loop:
physische Steuerung
gegen virtuelles Modell
Bild: ESI
Bediensicherheit und
Handhabung lassen sich
frühzeitig am digitalen Modell
untersuchen.
Hochlauf- betreuung
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 7 - Hochlaufbetreuung
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Inbetriebnahme: Training
Personal-Ausbildung mit 3D-basierten
Operator-Training-Simulatoren (OTS)
bei Nicht-Verfügbarkeit der Fabrik/Anlage,
auch im Vorfeld der Realisierung
gefahrlos (für Mensch und Maschine)
ggf. kostengünstiger
in Virtuellen Umgebungen: o Positionswissen
o Strukturwissen
o Verhaltenswissen
o Prozedurwissen
Aufbau 3D-Wissensmanagementsystem
Bild: VRMMP
Operator Training Simulator
(OTS): Identifikation von
Störursachen im
Anlagenbau
Bild: Fh-IPA
Zugänglichkeits-
untersuchung an
Bearbeitungszentrum
Bild: ESI Courtesy of Extricom
Virtuelle Demontage:
Zugänglichkeit
Hochlauf- betreuung
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Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
Realisierungs- überwachung
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Projekt- abschluss
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 7 - Hochlaufbetreuung
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Inbetriebnahme: Training
Bild: VRMMP
Screenshot eines verteilten,
kooperativen Trainingssimulators
des Virtual Reality & Multimedia
Park Turin für Total: eine Gruppe
von Mitarbeitern – jeder mit
seinem eigenen Avatar – hat
gemeinschaftlich Aufgaben der
Störungsdiagnose und –behebung
zu lösen.
Hochlauf- betreuung
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Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Phase 8 - Projektabschluss
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Bewertung des zurückliegenden Projekts und Sicherung des erzielten Wissens
Sicherung 3D-Geometriedaten aus Phase 2 (Grundlagenermittlung)
und Phase 6 (Realisierungsüberwachung)
Sicherung Fabrik-DMU-Modell und
aller Simulationsmodelle aus Phase 4 (Detailplanung)
Sicherung 3D-Wissensmanagementsystem
aus Phase 7 (Hochlaufbetreuung)
Projekt- abschluss
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Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Matrix: Virtuelle Techniken in der Fabrikplanung
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Fazit
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Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
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Hochlauf- betreuung
Projekt- abschluss
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Virtuelle Techniken in der Fabrikplanung
Umfeld Fabrikplanung Fazit
Zusammenfassung
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zahlreiche Anwendungsfelder Virtueller Techniken für die Fabrikplanung
zahlreiche Technologien im Einsatz (Visualisierung, AR, VR, Simulation)
integrierte Gesamtlösungen existieren nicht;
am nächsten kommen dem die großen PLM-Plattformen wie Delmia oder
Tecnomatix, diese aber zumeist ohne VR und AR
größter Nutzen: mit standardisierten Modellen und standardisiertem
Vorgehen
Wiederholungseffekte nutzen, diese aber u.U. nur durch Planungsbüros
oder Großunternehmen erzielbar
Betrachtungen Fehlerfolgekosten aus der Vergangenheit: u.U. Virtuelle
Techniken auch für kleinere Firmen sinnvoll
Fazit
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Realisierungs- vorbereitung Zielfestlegung
Detail- planung
Realisierungs- überwachung
Hochlauf- betreuung
Projekt- abschluss
Whitepaper
Virtuelle Techniken in der Fabrikplanung
Umfeld Fabrikplanung Fazit
Zusammenfassung: Literatur
14.08.2015 28
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Stuttgarter Innovationsforum, 2. und 4. Juni 1997, Stuttgart.
Stuttgart: FpF - Verein zur Förderung produktionstechnischer
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Gausemeier, J.; Grafe, M.; Ebbesmeyer, P.: Nutzenpotenziale
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Virtual Reality. In: ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen
Fabrikbetrieb 98 (2003), Nr. 1/2, S. 22-25
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Detail- planung
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Umfeld Fabrikplanung Fazit
Zusammenfassung: VDC-Mitglieder im Thema
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