Virtuális valóság és 3D-szkennelés – Az Audi e-tron GT digitális tervezésű gyártása

Az Audi e-tron GT a négykarikás márka első modellje, amelynek gyártását teljes egészében fizikai prototípus nélkül tervezték meg, amit több olyan műszaki fejlesztés tett lehetővé, mint például a háromdimenziós épületszkennelés, a gépi tanulási folyamatok (Machine Learning), valamint a virtuális valóság (Virtual Reality; VR) alkalmazása. Ennek során az összes szerelési folyamatot - mint például az egyes eljárások és a dolgozók kézmozdulatai - a valódiakat a legapróbb részletekig leképező virtuális helyiségekben tesztelik és optimalizálják. A virtuális tervezést időközben több termelési helyszínen is alkalmazzák, így - s nemcsak a koronavírus-járvány idején - üzleti utak és külföldi kiküldetések nélküli, digitális és hálózatba kapcsolt munkát tesz lehetővé. A 3D-szkennelés és a virtuális térbeli tervezés hatékonyabbá és hosszú távon fenntarthatóbbá teszik a folyamatokat.

Hol használják a virtuális tervezést és miért olyan fontosak e téren a 3D-szkennelések?

Egy-egy új Audi-modell gyártásának hagyományos tervezési folyamata során különböző prototípusokat alkalmaznak. A jármű-prototípusok a tervezés kezdeti időszakában egyedi darabokként, kézi munkával előállított alkatrészekből készülnek, ami különösen idő- és költségigényes. Az összeszerelés-tervezési részleg e prototípusok segítségével alakítja ki és optimalizálja a későbbi gyártási folyamatokat. Mi a dolgozó feladata? Hol kell lennie egy-egy alkatrésznek, hogy optimálisan elérhesse őket? Egyedül is felemelheti és beépítheti? Hogyan kell mozognia ehhez? Útban lehetnek más alkatrészek? Milyen szerszámokra lehet szüksége? Az Audi e-tron GT gyártástervezése során a digitális világba helyezték át e kérdések megválaszolását. Virtuális valóság (Virtual Reality; VR) alkalmazásával minden lépést és mozdulatot immár a digitális térben tesztelnek. A virtuális tervezés célja, hogy minden folyamat tökéletesen illeszkedjen egymáshoz és a szerelősor ütemezése is harmonikusan alakuljon az autó későbbi gyártása során. Ehhez pontosan és mérethűen kell leképezni a gyárcsarnok minden részletét, s ebben jut szerephez a 3D-szkennelés. Ennek során speciális hardverrel és szoftverrel virtuálisan leképezik a valódi gyárlétesítményt, a berendezésekkel, szerszámokkal és polcokkal együtt. A neckarsulmi termelési helyszínen működő Audi Böllinger Höfe üzem, ahol az Audi e-tron GT készül, így már szintén létezik a digitális világban is, amely modell alapjain az új, digitális tervezési módszereknek köszönhetően virtuálisan már évekkel előre megtervezhető a jövőbeli gyártás.

Hogyan működik a 3D-szkennelés és milyen szerephez jut benne a mesterséges intelligencia?

A megfelelő adatok előállításához alapvető fontosságú a szkenner, azaz a hardver, amely ez esetben mintegy két méter magas, négy keréken gördül, s egy munkatárs mozgatja az egyes helyiségeken át. Tetején egy LiDAR (Light Detection and Ranging) készülék és további három lézerszkenner, valamint egy kamera működik. A helyiségek adatainak beolvasásakor két folyamat zajlik egyidejűleg: a nagylátószögű kamera képet készít a helyiségről, míg a lézerek pontosan megmérik méreteit, az adott környezet háromdimenziós pontfelhőjét hozva létre. Egyedül a necksulmi telephelyen a gyárcsarnokok már mintegy 250 ezer négyzetméterét rögzítették e technikával. Csakis a hardver és a szoftver megfelelő együttműködésével jöhet azonban létre a felvett pontokból, képekből és összetett adathalmazokból olyan kiértékelhető összkép, amelyet a rendelkezésre álló tervezési rendszerek is felhasználhatnak. Az ehhez szükséges szoftver az Audi saját fejlesztése, s mesterséges intelligencián (Artificial Intelligence; AI) és gépi tanuláson (Machine Learning) alapul. A pontfelhőket és az elkészített fényképeket egymással kombinálva háromdimenziós, fotóminőségig valósághű tér hozható létre, amely leginkább a Google Street View nézeteihez hasonlítható. Az egyes arányok és a távolságok itt méretarányosan megegyeznek a valósággal. A szoftver emellett önállóan felismer minden tárgyat a helyiségben, például gépeket, polcokat és más berendezéseket, de minden egyes szkennelés alkalmával tanul is, a továbbiakban még pontosabban felismerve, megkülönböztetve és osztályozva a tárgyakat. A rendszer különbséget tud tenni például egy polc és egy acéltartó között, s míg a polc helye később módosítható a programban és átrendezhető a virtuális térben, az acélgerendáé nem. Ezek az adatok bárhonnan kiindulva lehetővé teszik a beszkennelt gyártáson át vezető virtuális túrát és a tervezési folyamatban is közvetlenül felhasználhatók.

Hol használják már a virtuális valósággal működő virtuális tervezést és milyen előnyökkel jár?

Az Audi e-tron GT a márka első modellje, amelynek összeszerelését és a hozzá tartozó logisztikai folyamatokat kizárólag virtuálisan, fizikai prototípusok nélkül tesztelték. Ehhez az összeszerelés teljeskörű, virtuális leképezését - egyebek mellett a járműadatokkal, az anyagmozgatással, a különböző berendezésekkel és szerszámokkal, valamint a tervezett folyamatokkal - úgynevezett digitális modellben állították össze. Ennek egyik alkotóeleme a 3D-szkennelés. Ez a digitális modell szolgál azután további fejlesztések alapjául is, amint Andrés Kohler, a virtuális összeszerelés-tervezés felelőse kifejtette: "Egy általunk, itt az Audinál kifejlesztett virtuális valóság megoldásnak, valamint a digitális modellnek köszönhetően a kollégák most szerte a világból virtuális helyiségekben találkozhatnak, a jövő gyártásának közepén találva magukat. Az egyes munkafázisokat végző, számítógéppel generált dolgozók válla felett átpillantva, alkalmazásunk segítségével tetszés szerinti alkatrészváltozatra tekinthetik meg, illetve optimalizálhatják a tervezett folyamatokat." Az eredményeket ezután a munkatársak képzésében is felhasználhatják - szintén VR-alkalmazás alapjain.

Ezen új lehetőségeket fokozatosan további projektekben és több termelési helyszínen is kihasználják. A mexikói San José Chiapa Audi gyárában például megfelelő 3P-workshopot (3P = Production Preparation Process) szerveztek, amelyen ingolstadti projekt-munkatársak is részt vettek. A szakemberek teljes egészében virtuálisan, digitális avatarok formájában virtuális valóság használatával vitatták, illetve tervezték meg a felfrissített Audi Q5 és az új Q5 Sportback gyártását. Ennek során éppúgy közösen, valós időben dolgozták ki és tesztelték az összes összeszerelési folyamatot, mint az egyes gépek, polcok és alkatrészek pontos elrendezését a szerelősor mentén, valamint az ergonómiai szempontokat. A vállalatcsoporton belül az Audi vezeti a digitális modellt alkalmazó, átfogó VR-megoldás fejlesztését. A projekt jelenleg a négykarikás márka irányítása alatt konszernszintű programként, az egyes márkák között átívelően folytatódik, s mind több termelési helyszínen jelenik meg.

Több, mint csupán épületek és folyamatok - Hogyan működik a virtuális konténertervezés?

Korántsem csupán a folyamatok és munkafázisok tervezhetők virtuálisan, hanem olyan tárgyak is, mint például a különösen sérülékeny alkatrészek szállítására és tárolására szolgáló speciális teherkonténerek. Ezeket - több, valóságos acélprototípus helyett - immár az Audi által az egyes termelési helyszíneken és szakterületeken átnyúlóan kifejlesztett VR-alkalmazással tervezték meg az Audi e-tron GT olyan egyedi, különösen érzékeny alkatrészeihez, mint például elektromos modulok vagy beltér-elemek. Így működik a virtuális konténertervezés: mivel minden alkatrészhez rendelkezésre áll a megfelelő adatállomány, a komponensek közvetlenül és méretarányosan feltölthetők a VR-alkalmazásba. Akárcsak a 3P-workshopok alkalmával, ez esetben is különböző termelési helyszínek munkatársai találkoznak a virtuális térben, ahol az adott alkatrész alapján alakíthatják ki a tökéletes és méretre szabott speciális teherkonténert. E folyamatban a logisztika, az összeszerelés-tervezés, a munkavédelem, a minőségbiztosítás, az anyagáramlás-tervezés, illetve a beszállítók munkatársai is részt vesznek, akik különleges digitális tollakkal jelölhetik meg a kívánt változtatásokat a virtuális konténeren, amelyet mindeközben be- és kirakodhatnak, mozgathatnak vagy meg is mérhetnek. A tervezés egyrészt az alkatrész szállításának optimális biztonságára összpontosít, másrészt a dolgozóknak vagy épp a robotoknak könnyen kell tudniuk megfogni, illetve kiemelni őket tartójukból. A virtuális tervezés lezárultával egyszerűen exportálják az adatokat és már el is készülhet a speciális teherkonténer.

Mitől válik a virtuális tervezés hosszú távon fenntarthatóvá és környezetkímélővé?

Néha a kevesebb több - ezért avatja különösen is hosszú távon fenntarthatóvá három fő tényező a virtuális tervezést:

• Kevesebb természeti erőforrás - az Audi e-tron GT fizikai prototípusok nélküli, virtuális megtervezésével egyrészt időt, másrészt anyagot, s ezzel természeti erőforrásokat sikerült megtakarítani. Hasonlóképpen érvényes mindez a speciális teherkonténerekre: az acél prototípusok előállítása természeti erőforrásokat és energiát igényelne, a virtuális tervezés azonban sok esetben feleslegessé teszi ezt a fázist.
• Kevesebb hulladék - a speciális teherkonténerek alternatívájaként korábban gyakran különleges védőbéléssel ellátott univerzális teherkonténerekben szállították a különösen sérülékeny alkatrészeket. E védőbélés azonban egyszer használatos anyagból készült és a méretre szabott konténerek alkalmazásával feleslegessé vált. A virtuális tervezés így közvetlenül csökkenti a hulladékképződést.
• Kevesebb üzleti út - az elsődleges cél a hosszú távú fenntarthatóság és a környezetvédelem, a koronavírus-járvány idején azonban egészségügyi okokból is kívánatos az üzleti utak számának lehetőség szerinti csökkentése. A virtuális tervezés nagyban hozzájárulhat ehhez, mivel azon folyamatok, amelyek korábban elengedhetetlenné tették a személyes találkozót, immár a virtuális térben is lefolytathatók.

Milyen jövőbeli perspektívát nyit a virtuális tervezés?

A digitális modell további megoldások alapjául is szolgálhat a virtuális térben. A virtuális tervezés lehetőségeit - a digitális modellt, a 3D-szkennelést és a VR-alkalmazást is beleértve - a 3D-nyomtatás lehetőségeivel kombinálva a 3P-műhelyek a jövőben akár vegyes valóságban (Mixed Reality) is megtarthatók. Az egyes komponensek ekkor 3D-nyomtatóval a természeti erőforrásokat kímélve, közvetlenül állíthatók elő. Az egyes elemek így akár fizikailag is vizsgálhatók a virtuális térben, például tapintásuk vagy tömegük megítélésére - jelentős lépésként a két világ előnyeinek egyesítése felé. A külföldi kiküldetések és hosszabb üzleti utak a jövőben gyakrabban helyettesíthetők a virtuális találkozókkal és a virtuális világban avatarok segítségével folytatott együttműködésekkel. Már ma is lehetőség nyílik arra, hogy a 3D-szkenner által létrehozott virtuális helyiségeket digitális beltéri navigáció céljaira is felhasználják, amely során kibővített valóság (Augmented Reality) alkalmazásával centiméter-pontossággal tervezhető meg az egyes gépek és berendezések elhelyezése.