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TU Darmstadt erforscht Potenzial von digitaler Assistenz in der Montage
"In vielen Bereichen wird die digitale Werkerassistenz die Zukunft der Montage sein"
Assistenzsysteme können nicht nur im Auto, sondern auch in der industriellen Montage Anwender sicher von A nach B leiten und dafür sorgen, dass alle Vorgaben eingehalten werden. In einer umfangreichen Studie ermittelt die TU Darmstadt derzeit den Einfluss digitaler Werker-Assistenzsysteme auf Produktivität und Qualität in der Montage. Ein erstes Ergebnis: Der Effekt der digitalen Assistenz steigt mit zunehmender Komplexität der Aufgabe und sinkender Kompetenz des Montierenden.
Maintal, Oktober 2020. Abstand halten ist an diesem Vormittag Anfang Juli kein Problem. Denn die Prozesslernfabrik am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt ist nicht nur hell und luftig, sondern bietet ihren Nutzern auch reichlich Platz für Studien, Versuche und Trainings rund um die industrielle Fertigung und Montage. Hier forschen Thimo Keller und sein Team zum Thema Werkerassistenz. Insgesamt drei vernetzte Montagestationen hat der wissenschaftliche Mitarbeiter dafür eingerichtet. Unterstützt durch den Schraubtechnikhersteller Desoutter, Maintal, der die Hard- und Software für die digitale Assistenz an den Arbeitsplätzen zur Verfügung stellte und Kellers Team bei der Einrichtung der Stationen zur Seite stand.
"Wir wollten besser verstehen, wie die digitale Werkerassistenz die Arbeitsleistung des Montagemitarbeiters und das Arbeitsergebnis beeinflusst", erläutert Thimo Keller die Zielsetzung seines Projekts. "Dazu untersuchen wir beispielsweise den Einfluss einzelner Komponenten der digitalen Assistenz, wie Kontext-Erkennung, Dokumentation oder Prozess-Initiierung. Außerdem wollten wir wissen, wie sich die Komplexität der Montageaufgabe und die Kompetenz der Mitarbeiter auf das Verbesserungspotenzial von digitalen Assistenzsystemen auswirken."
+++ Prozesslernfabrik nutzt Desoutters digitale Assistenztechnik
Fragen, die sich auch Desoutter als Entwickler und Anbieter von Werker-Assistenzsystemen stellte. Bereits im Frühjahr 2019 hatte das Unternehmen die TU Darmstadt um ein Fachgespräch zum Thema digitale Assistenz gebeten, da man zu diesem Zeitpunkt gerade dabei war, das entsprechende Software-Produkt PivotWare neu und noch praxisnäher zu gestalten. "Das sogenannte ‚Fachgespräch' ist ein Format, das wir der Industrie anbieten", erläutert Keller. "Das Treffen hat bei Desoutter vor Ort stattgefunden. Wir haben uns mit der Technik auseinandergesetzt und ziemlich schnell gemerkt, dass wir ein gemeinsames Interesse haben: Wir wollten besser verstehen, wie genau digitale Assistenz bei der Unterstützung einer Montageaufgabe wirkt."
So entstand die Idee, Desoutters Technik in der Prozesslernfabrik der TU einzusetzen und zu beforschen. "Wir haben die Idee intern besprochen und uns relativ schnell entschieden, dass wir das Projekt umsetzen wollen", erinnert sich Keller. "Positiven Einfluss auf die Entscheidungsfindung hatte damals die Tatsache, dass wir Desoutters System ohne großen Aufwand beherrschen, anpassen und flexibel ändern können. Denn das ist beispielsweise die Voraussetzung für die Weiterentwicklung des Themas zusammen mit unseren Studenten. Im November 2019 haben wir dann bereits mit den Versuchen begonnen."
Die Prozesslernfabrik bot dafür ideale Rahmenbedingungen. Denn hier wird bereits seit mehr als einem Jahrzehnt zum Management industrieller Prozesse und zum Thema Lean Production geforscht. "Und das tun wir mit einem sehr anwendungsnahen Ansatz", erläutert Prof. Dr.-Ing. Joachim Metternich, Institutsleiter am PTW. "Das bedeutet, dass wir uns einen eigenen Produktionsprozess auf den Campus gestellt haben. Wir stellen ein echtes Produkt in einem echten Prozess her, der so in einem mittelständischen Unternehmen stehen könnte und an dem wir die schlanke Produktion abbilden." Dabei gehe es nicht in erster Linie um die Fertigung selbst, sondern darum, aufzuzeigen, an welchen Stellen in Prozessen Ressourcen effizienter eingesetzt werden können.
+++ Studie 1: Pneumatikzylinder versus Getriebemotor in vier Szenarien
Der angestrebte Wissensgewinn in puncto Werkerassistenz war zunächst mit umfangreichen Planungsarbeiten verbunden. Es mussten das zu montierende Produkt ausgewählt und der Montageprozess entsprechend gestaltet werden. Außerdem galt es, die passenden Probanden für die Montagearbeiten zu finden, um die eingangs genannten Fragestellungen möglichst eindeutig beantworten zu können. "Für eine erste Studie haben wir zunächst einmal vier Szenarien definiert", beschreibt Keller die Vorgehensweise. "Wir haben zwischen zwei Produkten unterschieden - einem einfachen Pneumatikzylinder und einem relativ komplizierten Getriebemotor - und zwischen kompetenten und weniger kompetenten Probanden. So hatten wir am Ende vier Versuchsgruppen, zweifach unterschieden: nach Produkt und Kompetenz."
Sowohl die einfache als auch die komplexe Montageaufgabe erstreckten sich über drei Arbeitsstationen. Dabei standen den insgesamt 33 Studienteilnehmern alle Techniken einer digitalen Assistenz zur Verfügung. "Herzstück der einzelnen Arbeitsplätze sind die Prozessleitsysteme, welche als Werker-Assistenzsystem fungieren", erläutert André Pöppe, Produktmanager bei Desoutter. "PivotWare heißt unsere Produktlinie dazu. Wir haben zwei unserer hauseigenen Winkelschrauber und einen Stabschrauber in der Linie, der positionsgesteuert ist. Mit letzterem kann ich überwachen, ob die richtige Reihenfolge der Verschraubungen durchgeführt wird. Darüber hinaus sind eine Vielzahl von Sensoren eingebunden, beispielsweise die sogenannten Pick-to-Lights, die dem Werker per LED anzeigen, welches Werkstück er als nächstes greifen muss. Außerdem gehören Scanner, Bildschirme und Labeldrucker zu den einzelnen Stationen."
Über die Monitore erhielten die Versuchsteilnehmer detaillierte Informationen zum Montageprozess. Und durch den Einsatz einer sogenannten Linienüberwachung wurde parallel sichergestellt, dass das Produkt erst dann zur nächsten Station weitergegeben werden konnte, wenn an der vorhergehenden alle erforderlichen Arbeitsschritte abgeschlossen waren. Mit Hilfe der dokumentationsfähigen Schraubwerkzeuge wurde darüber hinaus die gewünschte Qualität sichergestellt und automatisch dokumentiert.
"Wir wollten ermitteln, in welcher Gruppe die Wirkung der digitalen Assistenz am deutlichsten ist, beziehungsweise unter welchen Voraussetzungen sich die Arbeitsproduktivität eines Mitarbeiters am stärksten steigern lässt", erklärt Keller. "Dafür haben wir den statistischen Effekt der vier Gruppen gegenüber einer Montage mit Papieranleitung ermittelt und die Gruppen untereinander verglichen."
Als Basis für die Arbeitsproduktivität ermittelte Kellers Team zunächst die sogenannte MTM-Zeit ("Methods-Time Measurement"), mit der die elementaren Montagetätigkeiten zeitlich erfasst und addiert werden. Diese beträgt für den Pneumatikzylinder 87 und für den Getriebemotor 297 Sekunden. Der Leistungsanteil der Arbeitsproduktivität errechnet sich dann aus dem Verhältnis der MTM-Zeit zur tatsächlich benötigten Montagezeit der Versuchsteilnehmer.
+++ Komplexität und Kompetenz haben Einfluss auf Mehrwert von Assistenzsystemen
"Unsere Untersuchung hat ergeben, dass der Effekt der digitalen Assistenz auf die Arbeitsproduktivität mit steigender Komplexität der Arbeitsaufgabe und sinkender Kompetenz des Montierenden stark zunimmt", berichtet Keller. "Beide - Komplexität und Kompetenz - beeinflussen sehr deutlich den Mehrwert von Assistenzsystemen. Das konnten wir auch statistisch signifikant nachweisen."
Flankiert wurde die erste Studie von einer Untersuchung durch Christopher Stockinger vom Institut für Arbeitswissenschaft an der TU Darmstadt, die das Nutzerempfinden ("Expirience of Use") der Probanden unter die Lupe nahm. "Eine Befragung der Studienteilnehmer direkt nach der Montage ergab, dass mit dem positiven Effekt auch die Zufriedenheit der Bediener zunimmt", erläutert Thimo Keller. "Die Probanden verbesserten mit dem System also nicht nur ihre Montageleistung, sondern erlebten die Montage auch positiver; das gilt insbesondere für unerfahrene Probanden und solche, die das komplexe Produkt fertigten."
+++ Studie 2: Arbeitsproduktivität steigt durch Bildschirme und Dokumentation
In der zweiten Studie lag der Fokus auf dem Mehrwert einzelner Funktionen der digitalen Assistenz, die in der ersten Versuchsreihe noch als Gesamtpaket betrachtet wurde. 95 Probanden, aufgeteilt in sechs Versuchsgruppen, montierten den Getriebemotor und nutzten dabei die digitale Assistenz gar nicht, teilweise oder in voller Ausstattung. "Einen besonders starken Effekt hatten die Dokumentationsfunktion und die Informationsausgabe über den Bildschirm", fasst Keller die Ergebnisse zusammen. "Der Einfluss dieser Funktionen ist signifikant, und zwar deutlich positiv. Darüber hinaus konnten wir sehen, dass der Mittelwert der Arbeitsproduktivität bei der Gruppe mit kompletter Assistenz deutlich höher lag als bei der Gruppe ohne digitale Unterstützung. Ich erreiche durch den Einsatz der Werkerassistenz eine relative Steigerung der Arbeitsproduktivität um fast 70 Prozent, wenn ich beide Versuchsgruppen direkt vergleiche."
+++ Besonders hohe Wirksamkeit bei häufig wechselnden Produkten und Aufgaben
Und wie lassen sich die Studienergebnisse nun in die Praxis übertragen? "Aus den Ergebnissen der ersten Studie folgern wir, dass die digitale Assistenz vor allem dann sinnvoll ist, wenn die Mitarbeiter in der Produktion häufig wechselnde Aufgaben übernehmen", analysiert Keller. "Ebenfalls interessant ist die Werkerassistenz für Einarbeitungsprozesse oder häufig wechselnde Produkte, auch wenn diese von erfahrenen Mitarbeitern montiert werden."
Auch aus der zweiten Studie leitet Keller Empfehlungen für die Praxis ab. So habe beispielsweise die Kontrollfunktion der digitalen Assistenz einen sehr starken positiven Effekt auf die Qualität der Endprodukte, während sich die Dokumentation äußerst positiv auf die Leistungsfähigkeit und Geschwindigkeit der Mitarbeiter auswirke. Derartige Schlussfolgerungen könne man nun für jede der Funktionen ziehen und entsprechend eine passgenaue Assistenz gestalten.
"Und dieses Wissen übernehmen wir wiederum, um es dann an unsere Kunden weiterzugeben", ergänzt André Pöppe. "Denn viele potenzielle Anwender kennen die Vorteile digitaler Assistenzsysteme noch nicht. Dabei könnte man mit ihrem Einsatz im Hochlohnland Deutschland den Menschen in der Wertschöpfung halten und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit sichern."
Auch Joachim Metternich bescheinigt der digitalen Assistenz einen hohen Stellenwert in künftigen Montagelinien. "In bestimmten Bereichen wird die digitale Werkerassistenz die Zukunft der Montage sein", prognostiziert der Institutsleiter. "Und zwar überall dort, wo eine Hochautomatisierung zu teuer und der Mensch flexibler ist." Gerade bei kleinen Stückzahlen und kurzen Produktlebenszyklen falle es häufig schwer, die Automatisierung erstens umzusetzen und zweitens die Investition wieder zu verdienen. "Und dann kommt erneut der Mensch ins Spiel", resümiert Metternich. "Aber wir brauchen dann Mitarbeiter, die wir so unterstützen können, dass sie in der Zusammenarbeit mit der Technologie beste Leistung bringen."
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Download: Versuchsaufbau zum Thema Werkerassistenz: Insgesamt drei Montagestationen haben Thimo Keller und sein Team zu diesem Thema konzipiert und eingerichtet - zusammen mit dem Schraubtechnikhersteller Desoutter, Maintal, der die Hard- und Software für die digitale Assistenz an den Arbeitsplätzen zur Verfügung stellte und bei der Einrichtung der Stationen unterstützte. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Prof. Dr.-Ing. Joachim Metternich, Institutsleiter am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt: "In bestimmten Bereichen wird die digitale Werkerassistenz die Zukunft der Montage sein. Und zwar überall dort, wo eine Hochautomatisierung zu teuer und der Mensch flexibler ist." (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Prof. Dr.-Ing. Joachim Metternich, Institutsleiter am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt: "In bestimmten Bereichen wird die digitale Werkerassistenz die Zukunft der Montage sein. Und zwar überall dort, wo eine Hochautomatisierung zu teuer und der Mensch flexibler ist." (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Thimo Keller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt: "Unsere Untersuchung hat ergeben, dass der Effekt der digitalen Assistenz auf die Arbeitsproduktivität mit steigender Komplexität der Arbeitsaufgabe und sinkender Kompetenz des Montierenden stark zunimmt. Beide - Komplexität und Kompetenz - beeinflussen sehr deutlich den Mehrwert von Assistenzsystemen." (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: André Pöppe, Produktmanager bei der Desoutter GmbH, Maintal: "Viele potenzielle Anwender kennen die Vorteile digitaler Assistenzsysteme noch nicht. Dabei könnte man mit ihrem Einsatz im Hochlohnland Deutschland den Menschen in der Wertschöpfung halten und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit sichern." (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: André Pöppe, Produktmanager bei der Desoutter GmbH, Maintal: "Viele potenzielle Anwender kennen die Vorteile digitaler Assistenzsysteme noch nicht. Dabei könnte man mit ihrem Einsatz im Hochlohnland Deutschland den Menschen in der Wertschöpfung halten und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit sichern." (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: André Pöppe (links), Produktmanager bei der Desoutter GmbH in Maintal, mit Thimo Keller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt. Vielfach sind die Problemstellungen, die sich in der industriellen Produktion ergeben, der Ausgangspunkt für die Forschungsaktivitäten am PTW. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Thimo Keller von der TU Darmstadt (links) mit André Pöppe von Desoutter. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Die sogenannten Pick-to-Lights signalisieren dem Werker per grüner LED, welches Werkstück er als nächstes greifen muss. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Die sogenannten Pick-to-Lights signalisieren dem Werker per grüner LED, welches Werkstück er als nächstes greifen muss. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Über die Monitore erhielten die Versuchsteilnehmer detaillierte Informationen zum Montageprozess. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Der Taster stellt eine einfache Möglichkeit zur Interaktion des Montierenden mit dem Assistenzsystem dar. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Mit dem positionsgesteuerten Stabschrauber lässt sich überwachen, ob die Verschraubungen in der richtigen Reihenfolge durchgeführt werden. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Der Pneumatikzylinder steht im Versuchsaufbau für ein vergleichsweise einfach zu montierendes Bauteil. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Der Getriebemotor steht in der Studie für ein Bauteil mit relativ komplexer Montage. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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Download: Gesprächsrunde in der Prozesslernfabrik an der TU Darmstadt. (Foto: Desoutter / Rüdiger J. Vogel) |
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