CamP: Computer-assistierte manuelle Produktion

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Qualitäts- und kostenorientierte Produktion

Produzierende Unternehmen sind gefordert, ihre Produkte mit hohen Qualitäts- und Kostenanforderungen zu fertigen. Der zeitgemäße Qualitätsbegriff wird von sechs Eigenschaften geprägt: nicht nur die technischen Eigenschaften (1) sind maßgebend, sondern auch die konditionalen Eigenschaften (2), für die der Einsatzort vorbereitet sein muss, die betrieblichen Eigenschaften (3), die den Gebrauch festlegen, die sozialen Eigenschaften (5), die sich auf Gesellschaft und Umwelt auswirken, die ästhetischen Eigenschaften (4), die das Anmutungsempfinden des Menschen berühren. Somit gibt der Qualitätsbegriff das Vermögen der technischen Produkte wieder, die Erwartungen des einzelnen Kunden zu erfüllen. Dazu verhelfen neben den technischen Eigenschaften (1), die auf der ganzen Welt gleich sind, die lokalen Eigenschaften (2-6). Diese lokalen Eigenschaften müssen an die Standortbedingungen des jeweiligen Kunden angepasst sein. Die technischen Produkte werden variiert, um an ihren Einsatzorten optimal den dortigen Bedingungen zu genügen.

Der Qualitätsbegriff begünstigt die Variabilität gleichartiger technischer Produkte, indem er die persönlichen Bedürfnisse der Kunden in den Vordergrund stellt. Die verschiedenartigen Erwartungen der Kunden an das technische Produkt führen zu vielfältigen Produktvarianten, die sich in der Produktion von Einzelstücken sowie kleinen und mittleren Serien wiederfinden.

Der Qualitätsbegriff nach ISO 9000 ff. fordert von den Mitarbeitern eines Industriebetriebs in allen Unternehmensfunktionen qualitätsbewusstes Handeln im Sinne der Kundenerwartung an das Produkt. Der Freiheit in allen Unternehmensbereichen, die durch personengebundene Qualifikation verheißen ist, steht die Forderung gegenüber, Qualität durch Organisation zu erzielen. Das funktionierende Miteinander der Glieder in einer produzierenden Organisation ist Gegenstand der Managementbetrachtung.

Abhängigkeit der Herstellkosten von der Seriengröße
Bild 1
Von den sechs Eigenschaftsklassen technischer Produkte haben sich die kommerziellen Eigenschaften durchgesetzt, die ihren Ausdruck im Preis eines Produktes finden. Die Kostenorientierung hat die automatisierte Produktion gefördert, die in der Großserienfertigung ihre Vorteile zu entfalten vermag: hohe Wiederholgenauigkeit, Fehlerfreiheit ihrer Erzeugnisse und niedrige Herstellkosten. Bild 1 veranschaulicht die Abhängigkeit der Herstellkosten von der Seriengröße.

Eine Produktvielfalt steht einer automatisierten Produktion entgegen. Die Produktion von Einzelstücken sowie von kleinen und mittleren Serien ist auf die manuelle Mitwirkung des Menschen angewiesen. Handarbeit im herkömmlichen Sinne verursacht jedoch eine höhere Ausschussrate und mehr Nacharbeit als die automatisierte Produktion.

Die klassischen Qualitätsinteressen der Hersteller – wenige, genormte Produkte in hoher Stückzahl und in engen technischen Toleranzgrenzen – und die Bedürfnisse der Kunden technischer Produkte decken sich immer seltener. Die Industrie findet sich vor eine ungelöste Qualitäts- und Kostenfrage gestellt.

Aktuelle Konzepte der Arbeitsorganisation

Viele Produktionsunternehmen – insbesondere jene der Automobilindustrie – haben in den vergangenen Jahren arbeitsorganisatorische Modelle verwirklicht, die vom Toyota-Produktionssystem abgeleitet wurden. Dieser Dynamik konnten sich die international vernetzten Unternehmen mit ihren Zulieferern schwerlich entziehen. Anspruch derartiger Produktionssysteme ist es, die Teilelemente der Produktion kohärent aufeinander zu beziehen. Dabei folgen sie drei Prinzipien:

  • Selektion: Einheitlich definierte Prinzipien und Konzepte werden ausgewählt und festgelegt, alternative Herangehensweisen damit ausgeschlossen.
  • Einheitlichkeit: Über Personen, Funktionen und Werke hinweg sollen einheitliche Regelungen und Prinzipien verankert werden.
  • Ganzheitlichkeit: Die Komplementarität zwischen Systemelementen soll gesichert werden, wenn in einem Bereich Veränderungen vorgenommen werden.

Produktionssysteme sind durch eine hohe Standardisierung von Arbeitsverrichtungen mit Arbeitstakten von wenigen Minuten geprägt. Auf diese Weise können Produktionsschritte präzise geplant, stetig optimiert und untereinander abgestimmt werden. Dort, wo eine hohe Produktvariabilität die Automatisierung bestimmter Arbeitsschritte als zu aufwändig erscheinen lässt, vollziehen die arbeitenden Menschen immer wiederkehrende Verrichtungen in kurzen Taktzeiten. Die Vorgabe von Handlungszielen, die Auswahl von Arbeitsmethoden und -werkzeugen, Umfang und Genauigkeit der Leistungserbringung und die Kontrolle des Arbeitsergebnisses sind der Entscheidung der einzelnen Arbeitsperson entzogen und werden durch das System vorgegeben. Die externen Leistungsvorgaben ermöglichen kaum Spielräume für eigene Entscheidungen.

Derartig rationalisierte Arbeitsformen bestehen seit Beginn der Industrialisierung. Geändert hat sich jedoch das organisatorische Umfeld der Arbeit: Während früher Mischarbeit und persönliche Kontakte mit Vorgesetzten und Kollegen dafür sorgten, dass Arbeitsdisziplin und Leistungsbereitschaft während der ermüdenden Routinearbeit nicht nachließen, weicht der persönliche Bezug heute vermehrt einer kennzahlenorientierten Leistungskontrolle. Indem Leistungsniveaus an Benchmarks gebunden werden, verschieben sich Zumutbarkeitsgrenzen in Bezug auf Erhol- und Arbeitszeiten. Begleitet werden derart arbeitsorganisatorische Modelle durch eine Tendenz zur De-Technisierung, bei der die technische Komplexität der Produktionsanlagen reduziert wird.

Qualifikationsanforderungen

Die skizzierten Entwicklungen der Arbeitsorganisation führen zu einer heterogenen Entwicklung der Qualifikationsanforderungen in modernen Produktionssystemen:

Das Spektrum der Qualifikationsanforderungen im Kern der produktiven Arbeitstätigkeit engt sich tendenziell ein. Standardisierte, kurztaktige Arbeitssysteme erfordern die Fähigkeit, die jeweilige Tätigkeit gleichmäßig mit hoher Präzision und Fingerfertigkeit immer wieder ohne größere Aufmerksamkeitsschwankungen zu wiederholen. Gefordert sind vor allem Durchhaltevermögen und die Bereitschaft, über längere Zeiträume hinweg Routinetätigkeiten auszuführen. Ausgebildete Facharbeiter, die ihre Kompetenz durch anspruchsvolle Tätigkeiten weiterentwickeln wollen, können sich an diesen Arbeitsplätzen frustriert und unterfordert fühlen; zudem droht ihnen eine schleichende Dequalifizierung.

Tätigkeitsbereiche werden vor allem im Bereich der Komplementäraufgaben (z. B. Arbeitsplanung, Qualitätssicherung, Koordination mit benachbarten Prozessbereichen) erweitert. Diese zusätzlichen Arbeitsaufgaben werden mehr und mehr Bestandteil sämtlicher Arbeitssysteme in allen Produktionsbereichen. Derartige Aufgaben können neue Anforderungen an den Einzelnen beinhalten: Dazu gehören etwa Aufgaben im Bereich der Fehlersuche und -vermeidung, Absprachen in der Arbeitsgruppe über Ab- und Anwesenheiten, Qualitätsverbesserung, Arbeitsplanung und -koordination.

Für viele Arbeitspersonen besteht die Schwierigkeit in rationalisierten Produktionssystemen darin, dass bei der zeitlich überwiegenden Kerntätigkeit überwiegend monotone und subjektiv sinnbefreite Arbeiten anfallen – in anderen Situationen jedoch Kompetenzen erwartet werden, die über die Erledigung von Routinearbeit weit hinausgehen. Arbeitspersonen, die einen Großteil ihrer Zeit mit repetitiven Routinetätigkeiten verbringen, werden durch Komplementäraufgaben tendenziell überfordert sein. Die Anforderungen an einfache Arbeit in modernen Produktionssystemen werden also komplexer, ohne dass die Arbeitstätigkeiten in ihrem Kern selbst anspruchsvoller wären.

Anforderungen an technische Assistenzsysteme

Die Industrie steht vor der Herausforderung, die Variabilität in der Produktion zu steigern und dennoch zu den Kostenbedingungen der Massenproduktion fertigen zu können. Zur Erfüllung dieser zuweilen widersprüchlichen Anforderungen an die Produktion gilt es, technisch-organisatorische und humane Aspekte (z. B. Zumutbarkeit, Qualifikation) in der industriellen Leistungserstellung zweckmäßig zu verbinden: Einerseits beeinflussen die menschlichen Leistungsvoraussetzungen – d. h. Initiative, Erfahrung, praktisches Können, flexible Reaktion – maßgeblich den wirtschaftlichen Erfolg der betrieblichen Leistungserstellung. Andererseits finden sich zuweilen hohe Ausschusszahlen und kostspielige Nacharbeiten in der manuellen Produktion, was u. a. auf einen Mangel an, Geschicklichkeit, zeitlicher Belastbarkeit, persönlicher Integrität oder gar Fachwissen der Werker zurückzuführen ist. Demnach ist die manuelle, personenbezogene Arbeit mit unvorhersehbaren Risiken behaftet. Zur Begrenzung dieser qualitäts- und kostenrelevanten Risiken können technisch-organisatorische Systeme eingesetzt werden, die den arbeitenden Menschen bei der Tätigkeitsausführung unterstützen.

Es war gerade die den Menschen unterstützende Technik, die seit Beginn der Industrialisierung zu erheblichen Produktivitätssteigerungen der Betriebe und zum breiten Wohlstand in den Volkswirtschaften beigetragen hat. Auch in Zukunft wird der wirtschaftliche Erfolg eines Unternehmens wesentlich vom ausgeglichenen Zusammenspiel von Mensch und Technik abhängen. Angesichts der vorab genannten Entwicklungen reichen herkömmliche Strategien der Arbeitsgestaltung jedoch nicht aus, um die Wettbewerbsfähigkeit der hierzulande produzierenden Unternehmen hinsichtlich ihres Kosten- und Qualitätsniveaus zu sichern. Zukunftsfähige Produktionssysteme sollen vielmehr drei Anforderungen genügen:

  • Sie werden zur rationellen Fertigung und Montage anspruchsvoller Produkte eingesetzt und verfügen daher über angemessene Eigenschaften für Präzision, Schnelligkeit und Produktionsflexibilität. Grundsätzlich tragen sie zur Steigerung von Qualität, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz des Produktionsvorgangs bei. Hierzu unterstützen sie den arbeitenden Menschen in tätigkeitsbezogenen Wahrnehmungs- und Entscheidungsprozessen.
  • Sie unterstützen ferner den in seiner körperlichen Leistungsfähigkeit eingeschränkten Menschen bei der Tätigkeitsausführung hinsichtlich seiner Motorik und seiner Kraftausbringung; durch eine Übernahme repetitiver Tätigkeiten vermeiden sie einseitige Belastungssituationen und wirken so dem vorzeitigen Verschleiß der menschlichen Körperkraft entgegen. Hierzu sind sie nutzerfreundlich und fehlerrobust gestaltet.
  • Die Arbeitsmaschinen verfügen über eine Sensorik zur Detektion von Arbeitsvollzügen und einen Informationsspeicher zur systematischen Unterstützung von Arbeitsroutinen, was erst die Realisierung der vorab genannten Eigenschaften ermöglicht.

Derart hybride Produktionssysteme werden vor allem in Anwendungsfeldern eingesetzt, in denen eine umfassende Automatisierung aus wirtschaftlichen Gründen nicht vertretbar ist. Sie integrieren die spezifischen Potenziale von Mensch und Technik und tragen zu einer hohen Qualität der Arbeitsergebnisse bei wettbewerbsfähigen Kosten bei.

»Computerassistierte manuelle Produktion« - camP®

Die Strategie der »computerassistierten manuellen Produktion (camP®)« greift das Konzept der hybriden Produktionssysteme auf und entwickelt es weiter.

camP® verbindet manuelle Arbeit und technische Einrichtungen. Ein technisches Unterstützungssystem detektiert Arbeitsschritte z. B. bei Montagetätigkeiten des Menschen mittels Sensorik, gleicht den Tätigkeitsvollzug mit vordefinierten, betriebs- und montagetechnisch optimierten Arbeitsroutinen ab (d. h. Soll-Ist-Vergleich), informiert den Werker bei Handlungsentscheidungen über den idealen Produktionsablauf, und vermeidet menschliche Handlungsfehler bei Abweichungen vom Idealablauf mittels optischer, akustischer oder haptischer Meldungen. Um Fehlhandlungen und Schäden abzuwenden, wird der Prozess bei Bedarf unterbrochen.

Das camP®-Konzept beruht auf den drei Komponenten Sensorik, Didaktik und Navigation:

  • Die Sensorik erfasst die Bewegungsabläufe der relevanten Körperglieder des Werkers (z. B. Hände) bei manueller Arbeit. Die sensorisch erfassten Daten werden rechnertechnisch mit dem zuvor hinterlegten Soll-Produktionsprozess verglichen. Durch einen Soll-Ist-Abgleich unterstützt das System den Werker bei der Ausübung seiner Tätigkeit.
  • Die Didaktik beruht auf einem informatorischen Abbild des Fertigungsablaufs; sie leitet den Werker durch den Produktionsvorgang und ergänzt dabei dessen Fach-, Produkt- und Prozesswissen. Sie unterstützt die Aufmerksamkeit des Werkers und sein Erinnerungsvermögen während des Produktionsprozesses. Dadurch sollen Leistungsschwankungen des Werkers bei der Tätigkeitsausübung kompensiert werden.
  • Die Navigation stellt dem Werker aufgabenbezogene Fachinformationen in Echtzeit zur Verfügung. Eine visuelle, akustische bzw. haptische Signalisierung unterstützt den Werker zu einer angemessenen Arbeitsweise entsprechend den Produktionsvorgaben. Die Informationsausgabe richtet sich nach dem Verständnis des Werkers, seiner Erfahrungen sowie nach Art und Umfang der Produktionsaufgabe.

Aufbau des camP-Produktionssystems
Bild 2
Bild 2 zeigt den Aufbau des camP-Produktionssystems und das Zusammenwirken seiner Komponenten.

Das camP-Konzept betrachtet die manuelle Arbeit als Referenz. camP-unterstützt den arbeitenden Menschen auf physischem oder informatorischem Wege:

  • Eine informatorische Unterstützung bezieht sich bevorzugt auf die Gedächtnisleistung und die Unterstützung von Anlernprozessen.
  • Physische Unterstützungsleistungen beziehen sich vor allem auf repetitive Positionieraufgaben mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen (d. h. Wiederholgenauigkeit), wobei systembedingte Zwangshaltungen des Menschen zuverlässig ausgeschlossen werden.

Die Qualität der mit camP® hergestellten Produkte kann durch Unterstützungsangebote gesteigert werden. Durch Ressourcenschonung sowie eine weitgehende Vermeidung von Ausschuss und Nacharbeit werden die Herstellkosten niedrig gehalten. Eine günstige Kostenstruktur sichert Marktvorteile: Ein Produkt ist am Markt gerade dann von besonders hoher Qualität, wenn es ressourcenschonend erzeugt wurde und über einen angemessenen Preis zu kaufen ist.

Die Vorteile der camP®-Methodik werden zusammengefasst:

  • Erhöhung des Qualitätsniveaus von Produkten,
  • Erweiterung von Arbeitsinhalten (d. h. Erhöhung des Anspruchsniveaus der Tätigkeit) durch informatorische bzw. physische Unterstützung des arbeitenden Menschen,
  • Stärkung der Wirtschaftlichkeit von Produktionsprozessen – insbesondere bei kleinen und mittleren Serien – durch Senkung der Produktions- und Qualitätskosten bei verringertem Anlagevermögen,
  • Erhalt der Arbeitsfähigkeit der Werker auch bei möglichen Leistungseinschränkungen, ohne Risiko der De-Qualifizierung,
  • Flexibilisierung der Produktion durch zweckmäßige Integration von menschlichem Erfahrungswissen und aufgabenspezifischer Problemlösekompetenz.

Kontakt

Dr. Martin BraunDr. Martin Braun
Fraunhofer IAO
martin.braun@iao.fraunhofer.de