Whitepaper Virtuelle Techniken in der Fabrikplanung

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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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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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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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Umfeld Fabrikplanung: Ziele

14.08.2015 4

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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Phase 1 - Zielfestlegung

14.08.2015 5

Arbeitspunkte:

Bestimmung von Unternehmens- und Projektzielen

Aufstellung Bewertungskriterien

Festlegung Arbeitspakete

=> Keine sinnvolle VR-Verwendung

Zielfestlegung

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Phase 2 - Grundlagenermittlung

14.08.2015 6

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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Phase 3 - Konzeptplanung

14.08.2015 7

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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Phase 3 - Konzeptplanung

14.08.2015 8

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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Phase 3 - Konzeptplanung

14.08.2015 9

Virtual Walkthrough: Fabrikplanung in CAVE Bild: Virtalis

Konzept- planung

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Phase 3 - Konzeptplanung

14.08.2015 10

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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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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Phase 4 - Detailplanung

14.08.2015 12

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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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

14.08.2015 14

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

14.08.2015 16

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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Phase 4 - Detailplanung

14.08.2015 17

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

14.08.2015 18

Fabrikplanung vor Powerwall Bild: Virtalis

Detail- planung

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Phase 5 - Realisierungsvorbereitung

14.08.2015 19

Arbeitspunkte

Angebotsbeschaffung

Vergabe und Überwachung Ausführungsplanung

=> keine sinnvolle VR-Verwendung

Realisierungs- vorbereitung

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Phase 6 - Realisierungsüberwachung

14.08.2015 20

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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Phase 6 - Realisierungsüberwachung

14.08.2015 21

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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Phase 7 - Hochlaufbetreuung

14.08.2015 22

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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Phase 7 - Hochlaufbetreuung

14.08.2015 23

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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Phase 7 - Hochlaufbetreuung

14.08.2015 24

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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Phase 8 - Projektabschluss

14.08.2015 25

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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14.08.2015 26

Fazit

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Umfeld Fabrikplanung Fazit

Zusammenfassung

14.08.2015 27

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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Zusammenfassung: Literatur

14.08.2015 28

Aggteleky, Béla: Fabrikplanung. Werksentwicklung und

Betriebsrationalisierung. Carl Hanser Verlag, München Wien,

1987

Bracht, U.; Fahlbusch, M.: Fabrikplanung mit Virtual Reality. In:

ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 96 (2001),

Nr. 1-2, S. 20-26

Bracht, U.; Masurat, T.: Integration von Virtual Reality und

Materialflusssimulation zum Digitalen Prozessmuster.

Logistische und fertigungstechnische Gedankenspiele für die

Digitale Fabrik. In: wt Werkstattstechnik online 93 (2003), Nr.

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Bracht, U.; Masurat, T.: VR-Großprojektion für die Digitale

Fabrik- und Anlagenplanung. In: Biethahn, J. (Hrsg.):

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Doil, F.; Schreiber, W.; Alt, T.; Patron, C.: Augmented Reality

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Group on Graphics SIGGRAPH: Immersive Projection

Technology and Virtual Environments 2003. Proceedings:

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23. Mai 2003, Zürich/Schweiz. New York/USA: ACM Press,

2003, S. 71-76

Fazit

Loos, Manuel Norbert: Daten- und termingesteuerte

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Berücksichtigung der Produktentstehung.

Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT),

Karlsruhe, 2013

• Reinhart, G.; Zäh, M.F.; Patron, C.; Doil, F.; Alt, T.;

Meier, P.: Augmented Reality in der

Produktionsplanung. In: wt Werkstattstechnik online

93 (2003), Nr. 9, S. 651-653

• Schmigalla, H.: Fabrikplanung; Begriffe und

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• VDC-Whitepaper „Virtual Reality in

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fellbach.de/downloads/whitepaper (Werkzeug- und

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• VDI 5200 Blatt 1: Fabrikplanung. Planungsvorgehen

• Westkämper, E.: Kontinuierliche und partizipative

Fabrikplanung. In: wt Werkstattstechnik online 90

(2000), Nr. 3, S. 92-95

• Wiendahl, Hans-Peter; Nofen, Dirk; Klußmann, Jan

Hinrich; Breitenbach, Frank: Planung modularer

Fabriken. Vorgehen und Beispiele aus der Praxis. Carl

Hanser Verlag, München, 2005

• Wiendahl, H.-P.; Fiebig, C.; Harms, T.: Digitale Fabrik.

Mehrwert in der Fabrikplanung durch den Einsatz von

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Fabrik – Mit Virtual Reality und Simulationstechnik zur

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Doil, F.; Schreiber, W.; Alt, T.; Patron, C.: Augmented Reality

gestützte Fabrik- und Anlagenplanung. In: Gausemeier, J.;

Grafe, M. (Hrsg.): 2. Paderborner Workshop Augmented &

Virtual Reality in der Produktentstehung (HNI-

Verlagsschriftenreihe Bd. 123), Paderborn, 2003, S. 117-

127Bracht, U.; Fahlbusch, M.: Fabrikplanung mit Virtual

Reality. In: ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb

96 (2001), Nr. 1-2, S. 20-26

Fahlbusch, M.: Einführung und erste Einsätze von Virtual-

Reality-Systemen in der Fabrikplanung. Aachen: Shaker,

2001 (Innovationen der Fabrikplanung und -organisation;

Band 4), Clausthal, Techn. Univ., Diss., 2000

Flaig, T.; Grefen, K.: Einsatz und Potentiale von Virtueller

Realität in Planung und Betrieb von Fabriken. In:

Westkämper, E.; Schraft, R.D. (Hrsg.); Fraunhofer-Institut für

Produktionstechnik und Automatisierung: Hochintegriert und

hochintelligent: Fabriken der neuen Generation: 5.

Stuttgarter Innovationsforum, 2. und 4. Juni 1997, Stuttgart.

Stuttgart: FpF - Verein zur Förderung produktionstechnischer

Forschung, 1997, S. 311-324

Gausemeier, J.; Grafe, M.; Ebbesmeyer, P.: Nutzenpotenziale

von Virtual Reality in der Fabrik- und Anlagenplanung.

Überblick und Fallbeispiele. In: wt Werkstattstechnik online

90 (2000), Nr. 7/8, S. 282-286

Harms, T.; Fiebig, C.; Wiendahl, H.-P.: Kooperative

Fabrikplanung. Mit Hilfe des kontextsensitiven Einsatzes von

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

14.08.2015 29

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