Smarte Digitalisierung

Der Begriff Reverse Engineering bezeichnet einen Produktentwicklungsansatz bei welchem das Produkt als solches schon existiert. Es geht also um ein Kopieren. Diesen Begriff hab ich schon einige Male gegenüber meinen Studis erwähnt: bei Vorlesungen, bei der Vorstellung von Rapid Prototyping Technologien, bei Prüfungen. Nun – so richtig angewendet hab ich dieses Konzept noch nicht – jedenfalls bis jetzt. 

In unserer Familie steht an erster Stelle der Essensgerichte Pasta. Dazu brauchts einen Topf. Und bei diesem Topf ist uns ein Kunststoffgriff gebrochen. Der Topf an und für sich ist so gesehen noch funktionsfähig – einzig der Kunststoffgriff auf einer Seite ist nun nicht mehr vorhanden. Übrig geblieben ist ein metallischer Bügel – ein dünnes Blech. Wie Metalle hald so sind, leitet dieses Bügel die Wärme des Topfes hervorragend. Um nun das System zu verwenden, braucht es einen Topfladen. Geht natürlich – Userfriendly ist es nicht.

In einer kreativen Sekunde dachte ich an das Konzept Reverse Engineering – beim Nudelnkochen. Man könnte den intakten Griff doch digitalisieren und anschließend mittels 3D-Druck duplizieren. Gesagt getan, intakten Griff demontiert und eingescannt. Nun, scannen geht super, aber nur bei hellen Oberflächen. Ein schwarzer Griff lässt sich mit unserem System (HP 3D Structured Light Scanner Pro S3) nicht einscannen. Der Scanner verwendet ein Raster bestehend aus schwarzen und weißen Streifen. Damit erkennt die Software die Kontur. Bei einem komplett schwarzen Objekt ist der weiße (helle) Streifen für die Kamera nicht sichtbar. Um dieses Problem zu lösen, hab ich den Griff weiß lackiert. Der verwendete Lack war von permanenter Natur – heißt für mich, dass zwei Griffe fällig sind. 

Der weiße Griff wurde nun mit dem Scanner digitalisiert. Im Vorfeld erfolgte eine Kalibrierung des Scansystems. Mit der Kalibrierung kann (im Otpimalfall) ein nachträgliches Skalieren zur Anpassung des Scans an die realen Dimensionen entfallen. Für den Scanvorgang platzierte ich den Griff auf einem Drehteller. Der Drehteller wird von der Scansoftware angesteuert. Der Scanvorgang läuft nun folgendermaßen ab:

1. Drehteller dreht sich um 5° (dieser Wert wird vom Operator vorgegeben)
2. Kamerasystem nimm aus dieser Perspektive eine Punktewolke auf 
3. Drehteller drecht sich um 5°
4. Kamerasystem nimmt aus dieser Perspektive eine Punktwolke auf
5. Scansoftware gleicht den Scan mit dem vorherigen Scan ab und richtete den neuen Scan dementsprechend aus
6. Drehteller dreht sich um 5°

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Dann wiederholen sich die Schritte bis final das Objekt von jedem Blinkwinkel gescannt wurde. Das Resultat kann sich sehen lassen.

Bei genauerer Betrachtung fallen einem die Löcher im Objekt auf. Diese Hinterschneidungen können beim Einscannen nicht erfasst werden. Die Scansoftware kann nur optisch sichtbare Oberflächen einscannen. Hinterschneidungen sieht der Scanner einfach nicht. Eine mögliche Lösung dieses Problem ist eine Neuplatzierung des Objekts. Eine weitere Option wären freie Scans ohne Drehteller. Diese Scans müssen dann von Hand (mit Softwareunterstützung) an den bereits existierenden Scans ausgerichtet werden. Für meine Anwendung verzichtete ich auf zusätzlich freie Scans. Die Scans aus den beiden unterschiedlichen Positionierungen verwendete ich weiter für den Reverse Engineering Prozess. 

Im nächsten Schritt wurden beide Scanns bereinigt das heißt Artefakte vom Scanvorgang mussten entfernt werden. Da ist die Scansoftware so richtig benutzerfreundlich. Die Markierung der zu löschenden Bereich erfolgt in der momentanen Ansicht, dabei werden alle markierten Bereiche perpsektivisch nach hinten mit markiert. Ein paar Klicks später, und die Scans waren soweit sauber.

Aus der Punktewolke entstand im nächsten Schritt ein Volumenkörper. Dabei können Parameter in der Scansoftware das Ergebnis optimieren. Beim zweiten Scan erzeugte dieser Vorgang eine bauchige Oberfläche auf der Unterseite des Griffs. War zwar nicht gewollt, könnte aber durchaus von Vorteil sein. Die fertigen Volumenkörper wurden im letzten Schritt als .stl Datei exportiert. Obwohl ich mit digitaler Nachbearbeitung gerechnet habe, wurde ich an dieser Stelle leider entäuscht (ironisch gemeint). 

Die exportieren stl Dateien wurden straight-forward in die 3D-Drucker Software (Cura) importiert. Das slicen – also die Umwandlung der geometrischen Parameter in maschinenlesbaren Code – erfolgte unproblematisch und mit wenig Spannung. Fertig gesliced, an den Drucker gesendet, gestartet und fertig.

 

Über die Farbe lässt sich bekanntermaßen streiten… Was mich positiv überrascht hat, war die Tatsache, dass die Halter perfekt gepasst haben. Keine Skalierung beim Drucken war notwendig – einziges Problem: bei den originalen Haltern war eine Schraube welche diese am Bügel fixierte… Guter Rat also teuer, oder?

Nöööö 🙂 Die Lösung war: Heißkleberpistole und Zwischenraum ausfüllen. Gesagt, getan. Hier das Resultat:

Ja. Der kleine Designer in euch steigt auf die Barrikaden. Im Fokus steht hier (leider) die Zweckmäßigkeit, und diese ist gegeben. Voila! So geht also Reverse Engineering. Was am längsten gedauert hat? Naja, das Schreiben dieses Posts 🙂

Diese Woche war ich am Tag der Lehre in Innsbruck am Messegelände. In einer riesigen Messehalle präsentierten die Tiroler Fachberufsschulen Lehrberufe. Die Dichte an verschiedenen Berufen war hoch – so konnten sich Schüler und Schülerinnen ein gutes Bild über mögliche Zukunftswege machen. 
Meine Anreise erfolgte mit einem Elektroauto – zum ersten Mal kam ich in den Genuss eines (fast) autonom fahrendes Auto. Was für ein Gefühl – selbst bei nicht optimalen Bedingungen hielt das Fahrzeug autonom die Spur, regelte den Abstand zum vorderen Fahrzeug und regulierte die Fahrgeschwindigkeit. Die Aufforderung zum Griff an das Lenkrad war da eher störend…aber notwendig.
In Innsbruck angekommen, stellte ich das Fahrzeug auf einen normalen Parkplatz – normal im Sinne von keine Steckdose fürs Aufladen. Laut Reichweitenansage sollte die Rückfahrt nach Kufstein ohne Probleme möglich sein.
Am Tag der Lehre stolperte ich über zwei Virtual Reality (VR) Anwendungen: ein Schweißsimulator und eine Produktionslinie. Beim Schweißsimulator wurde – Überraschung – das Schweißen simuliert. Spannende Anwendung – zumal das Schweißen von manchen Materialien (Aluminium) viel Training benötigt. Hier kann zumindest eine erste Trainingsrunde absolviert werden. Ob es das Training für das Schweißen komplett ersetzen kann? Noch nicht – kein Force Feedback, keine Wärmeentwicklung, keine Änderung des Bauteils infolge der Wärmeeinbringung…
Beim zweiten Stand war man als Operator für eine Produktionsanlage gefragt. Die Interaktion erfolgte wieder mit den gewohnten Handcontrollern – ein bescheidenes Interface zwischen Mensch und der virtuellen Umgebung. Der spielerische Ansatz aber war interessant. Da frag ich mich dann, wie ich spielerische Ansätze in der Lehre verwenden kann. Beim Spielen versenkt man sich dermaßen in der Sache, dass die Umgebung irgendwann ausgeblendet wird und ich unmerklich lerne obwohl ich eigentlich spiele. Lernen ist also kein anstrengendes Muss mehr sondern ein unterhaltsamer Zeitvertreib – skandalös…
Technologien halte also Einzug in die Welt der Ausbildung und Lehre. Die sinnvolle Verwendung dieser Technologien wie VR oder AR bieten sicher einen Mehrwert im Erklären von komplexen Inhalten. Viel spannender finde ich persönlich aber die Lehransätze an und für sich. Storytelling, Spieltheorie – so können bis zu einem gewissen Grad Inhalte erfrischend vermittelt werden. Das Dogma “Lernen muss anstrengend und mühsam sein” scheint zu bröckeln. Das Sich-Versenken wird gefördert, ich tauche in den Flow und lerne. Meine natürlich Neugierde wird geweckt, komplexe Sachverhalte können so vermittelt werden da ich meine Aufnahmefähigkeit sehr hoch ist.
Wow – so geflasht von neuen Ideen ging die Reise zurück Richtung Kufstein. Im E-Car wieder alle Assistenzsystem aktiviert plus Heizung. Da ertönte eine Stimme: “Es könnte sein, dass Sie Ihr Ziel nicht erreichen”. Was? Der Vergleich zwischen Noch-fahrbare Kilometer und Noch-zu-fahrende Kilometer offenbarte nur ein geringes Plus seitens der Noch-fahrbaren Anzeige. Also – Heizung aus, Assistenzsysteme aus, Eco Modus an. Bei gefühlt 15° trudelten wir in Kufstein ein und schafften es mit einer Restladung von 6% oder irgendwas zwischen 0 und 20km zur rettenden Ladestation. Ernüchternd…
Ich bin heute wieder mit dem E-Car gefahren. Unbelehrbar? Nein. Die gewohnte Planungsmethodik (einfach fahren) muss adaptiert werden. Flexibel werden und bei der Planung darauf achten, dass eine Ladesäule in der Nähe des Zielorts ist. Es geht…ansonsten fahr ich wieder mit dem Zug. 

 

Er ist gekommen – unser neues Mitglied im Labor: der PCB-Printer von Voltera. Die Lieferung aus Kanada war ein wenig tricky – aber schlussendlich hat sich die Prozedur gelohnt. An einem verregneten Nachmittag hatte ich eine knappe Stunde Zeit und dachte mir, ich könnte den Drucker vorerst aus seiner Kartonbehausung befreien. Das sollte sich doch zeitlich locker ausgehen. Entpackt war der Drucker tatsächlich schnell. Und so stand er vor mir: ein kompakter kleiner Drucker, unscheinbar, das mit diesem Gerät die Leiterbahnen auf einer Platine aufgetragen werden können.

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Die Neugierde fesselte mich. Ich könnte ja schon vorab mal die Software am Rechner installieren, das sollte sich doch auch noch ausgehen. Schneller als gedacht, war die Software bereit und forderte mich auf, den Rechner mit dem Drucker zu verbinden. Wer kann da schon Nein sagen? Drucker verbunden und schon war dieser einsatzbereit!

Jetzt gab es kein zurück, wo war das ‘Hello World’ Beispiel? Gesucht, gefunden. Na gut, die Stunde war noch nicht vorbei – let’s give it a try. Integriert in die Software ist eine intuitive Anleitung, wie der Drucker kalibiriert und vorbereitet wird. Hilfreiche zusätzliche Videos unterstützen den User und lassen keinen Spielraum für eine Fehlbedienung. Um auf Nummer sicher zu gehen, hatte ich parallel die Hompeage der Firma geöffnet und folgte dort brav dem Tutorial. Was folgte war eines meines krassesten Wow! und Aha! Erlebnisse meines Lebens. Ich bekenn mich schuldig, ein Technik-Nerd zu sein. Problemlos war der Drucker mit der Kalibrierung durch und bereit für den ersten Einsatz. Das Auftrgen der leitfähigen Paste war unkompliziert und schnell. Im Vergleich zu meinen Erfahrungen des Platinenfräsens, erfolgte die Fertigung der Platine mit dem Drucker im Bruchteil der Zeit welcher der Fräser benötigte. Nachdem die Leiterbahnen mit einer feinen Kanüle aufgetragen waren, folgte das Backen. Für das Härten der Bahnen, wird die Platine am Drucker aufgeheizt. Dieser Prozessschritt dauerte gut 30 Minuten und war somit der längste Teilschritt in der Platinenproduktion.

Die ‘Hello World’ Platine war fertig und ich traute meinen Augen nicht, als ich die Zeit checkte. Ich hatte mich nicht hoffungslos verzettelt, nein, die Stunde war knapp vorbei. Das soll mal einer packen…

Eine CAD Software zum Erstellen von einfachen Körpern ist mittlerweile Standard und frei verfügbar (OnShape). Mit diesem Feature allein lässt sich kein Cent verdienen. Es braucht also neue Anwendungsfälle / Ideen um eine CAD Software erfolgreich zu verkaufen. Was tun? Features, features und Integration. Von Bauteiloptimierungsverfahren aufbauend auf den Ergebnissen einer FEM Simulation bis hin zur automatisierten Erstellung von Prüfprotokollen bieten CAD Softwarepakete heute mehr als nur herkömmliche Produktgestaltung. Integration von Modulen für die Erstellung von PCBs, elektrische Schaltpläne, grafische Aufbereitung für Marketingzwecke und AR/VR als Ausgabemöglichkeiten sind bei mir im Rahmen einer What’s New? Veranstaltung eines renommierten CAD-Software Herstellers gedanklich verankert worden.

Augmented / Virtual Reality

Das Eintauchen in die virtuelle Welt mit gängigen VR-Brillen soll zukünftig den Konstruktionsprozess erleichtern. Schon jetzt können 3D-CAD Programme durch ihre dreidimensionale Darstellung von Objekten den Konstruktionsprozess unterstützen. Ich erinnere mich dabei an ein Schulprojekt an der HTL in Eisenstadt wo wir mit der Konstruktion eines Zylinderkopfs konfrontiert worden sind. Dabei wurde meine Vorstellungskraft an ihre Grenzen gebracht – Zylinderkopf mit Kanälen für die Kühlwasserversorgung, Einstrom- und Auslasskanal mussten im Kopf visualisiert und anschließend auf Papier gebannt werden. Heute: kein Problem. Im Gegenteil, durch die dreidimensionale Visualisierung können Geometrien optimiert werden. Es zeigt sich auch hier, dass die Kreativität der Konstrukteurin hier die Grenze setzen – nicht die Leistungsfähigkeit der Werkzeuge. Doch zurück zu VR: Maschinen können vorab virtuell betrachtet werden. Objekte wie Autos, Motorräder etc. können dem Kunden virtuell präsentiert werden. Bei kleinen und überschaubaren Produkten kann ich aus jetziger Sicht keinen Mehrwert einer VR Darstellung sehen. Doch wie so oft, kann die Möglichkeit einer Technologie die Herangehensweise an Probleme grundlegend verändern. Einen großen Vorteil sehe ich im Eintauchen in den Konstruktionsprozess. Durch die komplette Abschottung zur Umwelt, fokussiert sich der Anwender komplett auf den Konstruktionsprozess. Gerade in Zeiten der permanenten Ablenkung kann so ein isolierter virtueller Raum geschaffen werden in welchem der Prozess des Denkens stattfindet.
Ich kann mir durchaus vorstellen, dass zukünftig der Produktentwicklungsprozess in einer virtuellen Umgebung stattfinden wird. Ausschlaggebend dafür wird sicher die Usability des Systems sein. Momentan werden Eingabegeräte für beide Hände – ähnlich zu Controllern von Spielkonsolen – verwendet. Ein intuitives System zur Interaktion im virtuellen Raum kann hier als Enabler gesehen werden. Hier besteht also durchaus Raum für smarte User Interface Entwickelrinnen.
Augmented Reality in der Konstruktion könnte einen Mehrwert bieten wenn bei bestehenden Objekten Anbauten durchgeführt werden sollen. Der zusätzliche Stock eines Gebäudes? Kein Problem – wird visualisiert. Mit Markern am realen Objekt kann der Anbau virtuell überlagert werden. Doch auch bei kleinen Produkten kann hier die Anpassung virtuell dargestellt werden. Schweifen wir ab in Richtung Marketing dann wird AR wohl eine Must-Have Applikation werden. Schon jetzt werden Kataloge von Spielzeugherstellern mit AR zum Leben erweckt. Bei einer Projektvorstellung führte dieser Katalog plus AR Anwendung dazu, dass die Adressaten dem Katalog mehr Aufmerksamkeit schenkten als dem Vortragendem. Es scheint, dass gerade der optische Kanal ein dominanter Sinneskanal des Menschen ist.

Interaktion mit 3D-CAD Software

Zeichnen mit Maus am Computer? Ja möglich, aber nicht das alleinige Interaktionsprinzip. Die Software erkennt Skizzen und Text für Bemaßungsangaben. Es scheint so, als ob hier die Reise Richtung Anwenderfreundlichkeit geht. Die Voraussetzungen für die Bedienung einer komplexen Software sollen beim User nicht ankommen. Einbindung von Konstrukteure global verteilt – kein Problem. Die Daten liegen in der Cloud – der Multiuserzugriff wird zentral gesteuert. Der neuste Trend liegt in der Verknüpfung von 3D-CAD und Clouddienste. Im Sinne der SaaS (Software as a Service) mietet sich eine Firma eine 3D-CAD Lizenz inklusive eines virtuellen Rechners welcher den Anforderungen der Software entspricht. Installation von Programmen am lokalen Rechner kein Thema – fällt komplett weg. Auch Wartung und Instandhaltung der hauseigenen IT bekommen hier Konkurrenz aus der Cloud. Instantane Verfügbarkeit von Rechnerkapazitäten mit garantierter Aktualität sind unschlagbare Argumente der Software aus der Cloud Schiene. Hier wird sich auch im 3D-CAD Sektor einiges tun. Denke dabei gerade an klassische Office Programme welche als Voraussetzung eine stabile Verbindung zum Internet haben und unabhängig der Rechnerleistung funktionieren.

Fazit

Es ist und bleibt spannend. Technische Entwicklungen erhöhen die Möglichkeiten. Dabei scheint es, dass die Kreativität der Anwenderinnen gefragt ist. Wichtig für mich ist die plakative Aufforderung nach persönlicher Weiterbildung damit ich die Technologien anwenden und erklären kann. Zukünftige Studierende welche ich ausbilden darf, müssen die Konzepte und Prinzipien verstehen als auch die Fähigkeit entwickeln, über den Tellerrand hinausblicken zu können.