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WILLEN – Nachhaltige Wissensvermittlung von Qualitätsmethoden durch Virtual Reality und Augmented Reality

Technologien der Virtual Reality und Augmented Reality eröffnen didaktisch innovative Optionen und kombinieren interaktive Lernumgebungen mit Simulationen der realen Welt, in denen sich Nutzende frei bewegen können. Virtuelle Produktionsumgebungen können den Lernenden durch VR-Brillen zur Verfügung gestellt werden, ohne dass diese eine aufwändige Reise zum Lernort anstreben müssen. AR-Anwendungen wie z. B. AR-Brillen können virtuelle Elemente in eine reale Umgebung projizieren. Durch dessen 3D-Projektionen innerhalb des Sichtfelds kann der Fokus auf bestimmte Lernaspekte gesetzt werden. Somit können in realen Produktionsumgebungen AR-Anwendungen z. B. auf visuelle Echtzeitdaten der Produktmontage reagieren, auf Fehler hinweisen und Prozesse in der realen Umgebung aufzeigen. Diese Vorteile werden im Rahmen des WILLEN-Projektes (Weiterbildungseffizienz durch aktivierende intelligente lernunterstützende Maßnahmen in nachhaltigen, berufsbegleitenden und hybriden Weiterbildungsprogrammen) gezielt genutzt und der Technologieumgang seitens der Lernenden erforscht.

WILLEN

Im Mittelpunkt des WILLEN Projektes stehen die Lernprozesse und deren Effektivität und Effizienz im hybriden Weiterbildungskonzept der Six Sigma Akademie Deutschland. Gemeinsam mit den Projektpartnern wird der Lernprozess des bestehenden Konzeptes analysiert, Verbesserungspotenzial identifiziert und Interventionsmodelle aus den positiv validierten Ansätzen abgeleitet. Für das Schulungskonzept werden Lerneinheiten bestehend aus einer Theoriephase und einer explorativen Praxisphase konzipiert. Dabei werden in den Theoriephasen die Grundprinzipien der Qualitätsmethoden gelehrt, welche in der anschließenden Praxisphase geübt und vertieft werden. Im Fokus des Lehrstuhls für Produktionssysteme (LPS) der Ruhr-Universität Bochum, liegt die Umsetzung und Erprobung von Lernszenarien für Qualitätsmethoden aus dem Bereich Lean Management und Six Sigma in  AR- und VR-Umgebungen. Der LPS sieht in virtuellen Lernumgebungen eine Chance, Qualitätsmethoden nachhaltig und mit Leichtigkeit zu vermitteln und setzt bei der Praxisphase an. Hier soll das Wissen durch die verschiedenen VR- und AR-Applikationen gefestigt werden. Durch das beschriebene Weiterbildungskonzept, das Online- und Präsenzlehre intelligent miteinander verknüpft, können die konzipierten Lerneinheiten zeitflexibel von zu Hause wahrgenommen werden. Die Weiterbildung soll dadurch besser mit betrieblichen und familiären Rahmenbedingungen vereinbar sein. Gleichzeitig ermöglichen die VR-/AR-Anwendungen weitere Eindrücke im Produktionsumfeld zu erlangen. Hierfür stehen u. a. Lerneinheiten in der LPS Lern- und Forschungsfabrik (LFF) zur Verfügung. Die LFF bildet ein mittelständisches Unternehmen mit Raum für Forschung und Lehre ab. Vielfältige Themen rund um die Montage, Robotik und Automatisierung werden rund um die Digitalisierung realitätsnah veranschaulicht. Verschiedene Demonstratoren zur Mensch-Roboter-Kollaboration zeigen die veränderte Arbeitswelt durch die Digitalisierung. Im Fokus stehen jedoch nicht nur technische Fragen. Auch die veränderten Anforderungen an die Arbeitsorganisation und die Beschäftigten werden dargestellt und erörtert. Vor Ort werden Anwendungsfälle aus der Industrie erprobt und dann in die Unternehmen zurückgespielt. Gerade an Unternehmen aus dem verarbeitenden Gewerbe und aus der Produktion richtet sich das Angebot der LPS Lern- und Forschungsfabrik.

Qualitätsmethoden VR und AR

Die im Projekt verwendete VR-Brille „Meta Quest 2“ bietet die Möglichkeit einer autarken Anwendung der Lernenden, wodurch die Anwendungsflexibilität der Lernenden erhöht wird. Gleichzeitig gewährleistet die Stand-Alone Eigenschaft einen hohen Bewegungsradius, der die Immersion der virtuellen Lernumgebungen erhöht. Diese Vorteile dienen der Befürwortung zur Nutzung des Quest-Systems. Als erste virtuelle Lernumgebungen wird ein Einstiegsszenario in Anlehnung an die 5S-Methode im Produktionsumfeld gewählt sowie die Umsetzung der Plan-Do-Check-Act (PDCA)-Methode anhand eines Katapultspiels, welche sich an der analogen Vorgehensweise in den vorhandenen Workshops orientiert. Hierbei wird ein System mit mehreren Einflussgrößen wie z. B. Spannkraft und Anzugswinkel anhand eines Katapults dargestellt. Das Ziel ist die ideale Flugkurve eines Geschosses, um ein definiertes Ziel zu treffen. Begleitend zum Verstehensprozess der physikalischen Einflussgrößen des Katapults wird die PDCA-Methode durch übersichtliche, interaktive Lerntafeln angewendet. Die Einflussgrößen werden damit methodisch analysiert. Auch die Wiederholung der Lerninhalte wird gefordert.

In einer weiteren virtuellen Produktionsumgebung wird die Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) gelehrt. Dies soll am Beispiel des sogenannten Unilokks, eines Flaschenverschlusses der adaptiv verschiedene Flaschentypen vollständig verschließen kann, implementiert werden. Lernende werden durch virtuelle Begleiter durch die Produktionsumgebung geführt. In einer U-Zelle wird zunächst der Produktionsprozess eines Unilokks dargestellt. Anschließend folgen methodische Ansätze der FMEA, welche durch Lerntafeln und auditive Unterstützung der virtuellen Begleiter betreut werden. Dabei können sowohl fehlerfreie als auch fehlerbehaftete Montageprozesse simuliert werden. Die Lerneffekte sollen durch interaktive Abfragungen in der virtuellen Lernumgebung gefestigt werden.

Ferner soll das Ursache-Wirkungs-Diagramm, auch Ishikawa-Diagramm genannt, in VR-Umgebungen demonstriert werden. Anhand einer virtuellen Unilokk-Produktionshalle wird der Produktionsprozess ganzheitlich begleitet, analysiert und in ein Ishikawa-Diagramm überführt werden. Dabei muss der Lernende mit Lerntafeln, Beobachtungsperspektiven und Beobachtungstools interagieren.

Im Bereich der AR-Anwendungen stellt die AR-Brille HoloLens 2 die Basis dar und soll aktiv die Qualität bei der Produktion des Unilokks fördern. Die Lernenden erhalten die Montaganleitung via AR, Produktionsfehler an dem realen Montageobjekt werden durch die AR aufgezeigt. Dadurch haben die Lernenden die Möglichkeit den Hypothesentest auf Basis der Maschinendaten anzuwenden sowie verschiedene Einflussgrößen und deren Auswirkungen auszuprobieren.

Ausblick

Die virtuellen Lernumgebungen befinden sich derzeit in der internen Validierungsphase und werden in der Lernfabrik des Lehrstuhls für Produktionssysteme getestet. Dabei steht im Mittelpunkt, wie die VR-/AR-Brillen und Lernumgebungen von den Nutzenden angenommen und akzeptiert werden. Durch weitere iterative Anpassungen werden die Anwendungen optimiert. Im nächsten Schritt werden die realisierten Anwendungen in der nächsten Kohorte des WILLEN-Projektes angewendet und evaluiert.

Fazit

Mit den virtuellen Lernumgebungen ist der LPS in der Lage individuell auf die Lernenden einzugehen. Komplizierte Inhalte und Zusammenhänge können damit spielerisch erlernt werden und dabei erste Eindrücke in einer Produktionsumgebung erfolgen. Gezielte Anwendungsszenarien zur Unterstützung des Lernprozesses sowie der Lernphasenverknüpfung ermöglichen eine nachhaltige, optimierte und effizientere Schulung, vor allem im Bereich der Weiterbildung. Durch den Einsatz der entwickelten virtuellen Lernumgebung, welche die Lern- und Forschungsfabrik des LPS abbilden, wird dies sicher erreicht.

Kontaktdaten

Amelie Karcher, M. Sc.
Arbeitsgruppe Produktionsmanagement
Tel.: +49 234 32 28627
Mail: karcher@lps.rub.de
Büro: I38c Ebene 1 Raum 30

Förderung

Das Projekt "WILLEN" wird gefördert vom Bundesministerium Bildung und Forschung und wird betreut vom DLR Projektträger.

Wissenschaftliche Publikation

Karcher, A.; Prinz, C.; Arnold, D.; Kuhlenkötter, B.: Training von Qualitätsmethoden in der virtuellen Welt mittels VR-Brillen, ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Band 117, Ausgabe 6, 2022, 419 - 422, Carl Hanser Verlag , München , DOI: doi.org/10.1515/zwf-2022-1086