Eine Lackierwerkstatt in Virtual Reality (VR)


Neben den wissenschaftlichen Erkenntnissen entsteht im Projekt mit der VR-Lackierwerkstatt ein innovatives Lernsystem zum handlungsorientierten Verstetigen von Lackiertechniken und -verfahren in der Ausbildung der Fahrzeuglackierung.

Die VR-Lackierwerkstatt geht grundlegend von einem dreiteiligen Lernprozess aus. Zunächst definieren auszubildenden Personen die Lernaufgabe für einen oder mehrere Auszubildende. Im nächsten Schritt wird die Lernaufgabe ausgeführt. Abschließend erfolgt eine gemeinsame Auswertung der Lernhandlung zwischen Lehrkräften und Auszubildenden. Zur Abbildung dieses Lernprozesses besteht die VR-Lackierwerkstatt aus drei wesentlichen Modulen: Einem Autorenwerkzeug, einer VR-Trainingsanwendung und einer Reflexionsanwendung.

Module der VR-Lackierwerkstatt
Die VR-Lackierwerkstatt besteht aus drei Modulen

Dieser Aufbau der Lackierwerkstatt ermöglicht den Einsatz jedes Moduls, unabhängig von den beiden anderen Modulen. Dadurch ist beispielsweise nur am Trainingsort eine VR-Installation erforderlich, während Vorbereitung und Reflexion der Lernaufgabe auch ohne VR-Equipment durchgeführt werden können.

Autorenwerkzeug

Zur Vorbereitung einer konkreten Lernhandlung wird das Autorenwerkzeug der VR-Lackierwerkstatt genutzt. Das Autorenwerkzeug wird als Modul des gesamten Lernsystems entwickelt und durch die ausbildenden Personen bzw. Institutionen genutzt, um das allgemeine Szenario (Auftragen von Lacken auf Werkstücken) zu konkretisieren.

Das Autorenwerkzeug ermöglicht unter anderem die Einbindung fertiger Templates für konkrete Lerneinheiten und 3D-Modelle, die Erstellung neuer Lerneinheiten sowie die Verknüpfung von Lerneinheiten. Neben der Anpassung und Erstellung von Instruktionen und Messparametern unterstützt das Autorensystem auch den Import konkreter 3D-Modelle für Werkstücke. Basis-Set ausbildungsrelevanter Werkstücke liegen zudem bereits vor.

Als Ergebnis der Vorbereitung erzeugt das Autorenwerkzeug einsatzfähige Aufgaben für die eigentliche Trainingsanwendung.

Trainingsanwendung

Die Auszubildenden bearbeiten in der Trainingsanwendung die zuvor durch die ausbildenden Personen erstellten Aufgaben. In der virtuellen Realität der Trainingsanwendung werden sich die Auszubildenden in einer Lackierkabine wiederfinden, welche die zu lackierenden Werkstücke als 3D-Modelle anzeigt. Die virtuelle Lackierkabine wurde in Zusammenarbeit mit Lehrkräften und Auszubildenden gestaltet und ist daher authentisch an die Ausbildungsrealität angelehnt.

Neben der zentralen Lackierhandlung bietet die Trainingsanwendung ein breites Spektrum von Hilfestellungen während der Lackierhandlung an – diese können im Autorensystem durch die ausbildenden Personen zugelassen oder unterbunden werden. Dazu gehört beispielsweise die Möglichkeit, ältere Lackierhandlungen wiederzugeben sowie die Anzeige des korrekten Abstandes zwischen Lackierpistole und Werkstück. Zudem werden durch ein umfassendes Datenmodell vielfältige Lackeigenschaften (z.B. Viskosität, Farbton) berücksichtigt und die Qualität des Lackierauftrags realitätsnah wiedergegeben.

Reflexionsanwendung

Während des Lackiervorganges wird die Leistung der Auszubildenden über eine Vielzahl von Parametern (z. B. Qualität, Kosten und Geschwindigkeit) erfasst und gespeichert. Diese Daten dienen als Grundlage für die Auswertung der Leistung in einer Reflexionsanwendung. In dieser Anwendung können Auszubildende ihre Lernleistung gemeinsam mit den Mitauszubildenden oder ausbildenden Personen auswerten. Die geeignete Darstellungsform für die Auswertung wird derzeit erarbeitet.

Durchführung einer Lernaufgabe
Lackierpistole

Zentrales Werkzeug der Auszubildenden ist eine realitätsnahe Lackierpistole, die sie einerseits in der Trainingsanwendung sehen und andererseits auch durch einen physischen Controller in der eigenen Hand fühlen können. Der physische Controller wird im 3-D-Druck erzeugt und durch entsprechende Sensoren zur Abnahme der Einstellungen der einzelnen Bedienelemente erweitert. Damit können Grundfunktionalitäten, wie z. B. die Betätigung des Hebels für die Öffnung der Lackdüse einer realen Lackierpistole nachempfunden werden. Zusätzlich werden mehrere Varianten zur Positionsmessung der nachgebildeten Lackierpistole im 3-D-Raum erprobt (z. B. HTC VIVE Tracker), um mit einer Vielzahl von VR-Systemen kompatibel zu sein.

Die virtuelle Lackierpistole
Die virtuelle Lackierpistole
Physischer VR-Controller
Physischer VR-Controller
Innenleben VR Controller
Innenleben des physischen VR-Controllers

Die Modelle für den 3-D-Druck sowie die Anleitungen für den Zusammenbau des Lackierpistolen-Controllers werden zum Projektende kostenlos veröffentlicht. Zudem ist beabsichtigt, die Gesamtkosten für die Bauteile unter 100 € zu halten.

Sowohl die VR-Lackierkabine als auch die Lackierpistole liegen bereits als einsatzbereite Prototypen vor und werden derzeit gemäß der didaktischen und technischen Detailanforderungen in das Gesamtsystem integriert.


Technische Voraussetzungen für den Einsatz

Aufgrund der fortlaufenden Weiterentwicklung der Lackierwerkstatt im Rahmen des HandLeVR-Projekts sind auch die technischen Voraussetzungen derzeit nur grob abschätzbar. Sie werden sich einerseits an den technischen Anforderungen, andererseits auch an den möglichen Rahmenbedingungen von späteren Anbietern (z.B. Berufsbildungszentren und Ausbildungsbetriebe) orientieren.

Die technischen Anforderungen der eingesetzten Module bilden die Voraussetzungen für die VR-Lackierwerkstatt. Daher gibt es zwei zu betrachtende Konfigurationen:

  1. Für den Einsatz des Autorensystems und der Reflexionsanwendung reicht ein typischer Desktop-Rechner mit Windows 10 aus. Dies sind somit die Voraussetzungen, die die ausbildenden Personen erfüllen müssen.
  2. Die Trainingsanwendung benötigt ein leistungsfähiges VR-Equipment, das grob gesagt aus einem Gaming-PC oder -Laptop mit Windows-Betriebssystem sowie einem handelsüblichen, PC-gebundenen VR-Set aus VR-Headset und VR-Controllern mit jeweils 6 Freiheitsgraden (6DoF) besteht. Ggf. sind zusätzliche externe Ortungssensoren (z. B. HTC Lighthouse) notwendig, die den VR-Sets in der Regel beiliegen. Derzeit fokussiert das Projekt drei konkrete VR-Headsets:

Dies ist somit die Konfiguration für das Set-up am Trainingsort. Neben PC und VR-Set empfehlen wir zudem den Einsatz unserer nachgebildeten Lackierpistole als VR-Controller.


Entwicklungsprozess der VR-Lackierwerkstatt

Die VR-Lackierwerkstatt wird am Institut für Informatik und Computational Science der Universität Potsdam in enger Zusammenarbeit mit Ausbildungsbetrieben und Bildungswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern der Universität Duisburg-Essen entwickelt.

Grundlegend wird ein agiler Entwicklungsansatz verfolgt, bei dem in sechs-wöchigen Entwicklungsphasen neue Features und Überarbeitungen in den Prototyp Einzug finden. Zwischen diesen Entwicklungsphasen finden enge Abstimmungen mit den nicht technischen Partnern sowie Aktualisierungen des technischen Entwicklungsplans statt. So orientieren sich die Entwicklungen stets an (ggf. aktualisierten) didaktischen und organisatorischen Anforderungen sowie möglichen technischen Neuerungen.

Durch diesen Entwicklungsansatz liegt zu jedem Zeitpunkt im Projekt ein lauffähiger Prototyp vor, dessen Funktionsumfang und Passgenauigkeit zum Ausbildungsszenario mit zunehmender Projektzeit ansteigt.


Ansprechpersonen

Kontaktieren Sie uns gerne, wenn Sie Interesse an der VR-Lackierwerkstatt haben und diese schon vor Projektende im Einsatz erleben möchten.

Ansprechpartnerin für den Einsatz in Betrieben bzw. Institutionen:

Technischer Ansprechpartner:

Dr. Raphael Zender

Universität Potsdam

Institut für Informatik und Computational Science

raphael.zender@uni-potsdam.de

Projektbeschreibung


Das BMBF-Vorhaben verfolgt die Forschungsfrage, welchen Beitrag Technologien der „Virtual Reality” leisten können, um handlungsorientiertes Lernen in der Berufsausbildung zu ermöglichen bzw. wie diese Technologien didaktisiert werden können, um entsprechende Lernerfolge sicherzustellen.

Projekt

Lehr- und Lernkonzept


Im Projekt werden die Möglichkeiten und Potentiale verschiedener didaktischer Ansätze für VR-Lernanwendungen erforscht. Der aktuelle Stand des didaktischen Konzepts kann hier eingesehen werden.

Lehr- und Lernkonzept

Evaluierung und Transferkonzept


Zentral für das Projekt ist die Einsatzfähigkeit und Nachhaltigkeit der VR-Lernanwendung. Im Zuge dessen werden in regelmäßigen Abständen Evaluierungen des Prototyps durchgeführt. Darüber hinaus werden die Projektergebnisse in die Praxis übertragen sowie auf weitere Einsatzmöglichkeiten geprüft.

Evaluierung und Transferkonzept

Veranstaltungen


Online-Workshop: AR/VR als Lerntechnologie – institutionelle Treiber und Hindernisse

In Vorbereitung auf den Transfer der Projektergebnisse in die Praxis lädt die ZWH e. V. am 30. Juni 2021 zu einem virtuellen Workshop zum Thema „institutionelle Treiber und Hindernisse bei der Einbindung in die berufliche Bildung“ ein. Im Zentrum des zweistündigen Workshops steht die Frage, mit welchen Befähigungs- und Unterstützungskonzepten Hindernisse und Hürden bei der Integration von AR/VR-Technologien in der beruflichen Aus- und Weiterbildung aufgelöst werden können. Die Veranstaltung richtet sich an Lehrkräfte und Bildungsverantwortliche der Handwerkskammern.

Online-Workshop: Kompetenzrahmen für den Einsatz von VR-Technologien in der beruflichen Aus- und Weiterbildung

Zur Ermittlung der für den Einsatz von VR-Lernszenarien in der beruflichen Aus- und Weiterbildung erforderlichen Kompetenzen bei Lehrenden und Lernenden führt das Projektteam von HandLeVR am 01. Dezember 2020 einen virtuellen Workshop durch.

Webinar: didaktisches Konzept der VR-Lackierwerkstatt

Die Partnerinnen und Partner vom Learning Lab der Universität Duisburg-Essen bieten am 03. März 2020 um 11 Uhr ein Webinar zum didaktischen Konzept der VR-Lackierwerkstatt an. In der Online-Veranstaltung werden die Grundlagen für die didaktische Aufbereitung der VR-Anwendung vorgestellt.

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