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Im „Future Work Lab“ wird das Miteinander von Mensch und Maschine untersucht

Schöne neue (Arbeits-)Welt

Die Digitalisierung und Vernetzung der Produktion bezeichnen Fachleute als vierte industrielle Revolution, daher der Begriff Industrie 4.0. Die modernen Technologien werden das Arbeitsumfeld der Unternehmen drastisch verändern. Wie kann das Miteinander von Mensch und Maschine gelingen?
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Die Digitalisierung und Vernetzung der Produktion bezeichnen Fachleute als vierte industrielle Revolution – nach Dampfmaschine, Fließband und Einführung der EDV. Daraus leitet sich der Begriff Industrie 4.0 ab, der für intelligente Lösungen steht, mit denen massenhaft Daten bearbeitet und ausgewertet werden können. Dank dieser modernen Technologien wird sich das Arbeitsumfeld der Unternehmen drastisch verändern. Beschäftigte müssen künftig flexibler werden – können aber auch mehr Verantwortung übernehmen.

 

Die Ingenieure stehen im Labor und diskutieren, wie sie den neuen Roboter konstruieren wollen. Wo soll der Schwenkarm hin? Wo die Achsen? Welche Bewegungen soll er ausführen? Mit Worten ist das schwer zu erklären – und technische Zeichnungen sind aufwendig. Also setzen die Ingenieure Brillen auf, die auf den ersten Blick wie moderne Ski-Brillen aussehen. Doch diese Geräte sind keine Sportartikel, sondern Mixed-Reality-Brillen. Wer sie trägt, kann mit kleinen Gesten dreidimensionale Projektionen steuern, worauf sich das dargestellte Bild verändert. Die anderen Beteiligten verfolgen die Szene in ihren eigenen Brillen, die mit kleinen, durchsichtigen Bildschirmen versehen sind. Sie sehen, wie die Achsen des abgebildeten Roboters wandern und der Greifarm in verschiedene Positionen schwenkt. Wie in einem interaktiven Videospiel kann jedes Mitglied der Gruppe immer wieder das dargestellte Bild verändern.

Szenen wie diese sind noch Fiktion. Doch bald könnten sie den Alltag in Unternehmen des Anlagen- und Maschinenbaus bestimmen. Nicht nur in deren Entwicklungsabteilungen. Auch Beschäftigte, die ungeübt im räumlichen Denken sind, hätten auf diese Weise die Möglichkeit, sich an der Planung von Arbeitsabläufen zu beteiligen. Der richtige Platz für eine Maschine? Die optimale Arbeitsweise von Werkzeugen? Solche Fragen ließen sich ohne viele Worte beantworten.

Das Beispiel der Mixed-Reality-Brille zeigt, welche Vorzüge der geschickte Einsatz moderner Technik in der Arbeitswelt von morgen haben könnte. „Fachgespräche würden effizienter geführt, Ideen ließen sich einfacher präsentieren und umsetzen“, sagt Thilo Zimmermann, Projektleiter am „Future Work Lab“. In diesem Innovationslabor für Arbeit, Mensch und Technik bündeln mehrere Institute der Universität Stuttgart mit den Fraunhofer-Instituten für Arbeitswirtschaft und Organisation(IAO) und für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) ihre Kompetenzen rund um die vernetzte Produktion. Vorteile und Risiken der digitalen Arbeitswelt Teil des Campus der Universität Stuttgart ist die Forschungshalle der ARENA2036. Sie ist groß wie ein Fußballfeld und steht als flexible Forschungsfabrik für die Entwicklung von Produkt und Produktion für die Fabrik 4.0. Die Wände sind frisch verputzt, darüber polierte Metallrohre. Das Tageslicht fällt durch ein Glasdach in den Innenraum. Eine Fabrik, so hell und glänzend, als hätte sie der Designer des iPad entworfen.

Um alle Möglichkeiten der Digitalisierung auszuschöpfen, braucht es Instrumente und Software, die auch Menschen nutzen können, die keine IT-Fachleute sind. Zum Beispiel in Form von Smartphones, Tablets oder Smartwatches. (c) Universität Stuttgart / Max Kovalenko
Um alle Möglichkeiten der Digitalisierung auszuschöpfen, braucht es Instrumente und Software, die auch Menschen nutzen können, die keine IT-Fachleute sind. Zum Beispiel in Form von Smartphones, Tablets oder Smartwatches.

Auf einer Galerie im ersten Stock sitzen die Forscherinnen und Forscher in ihren Büros. Sie kommen aus den Ingenieurwissenschaften, aber auch aus der Betriebswirtschaftslehre und den Sozialwissenschaften. Gemeinsam arbeiten sie an Projekten, die zeigen sollen, wie die tägliche Arbeit im digitalisierten Unternehmen aussehen könnte, welche Vorteile sie hat und wo welche Risiken lauern. Im „Future Work Lab“ haben sie mehr als ein Dutzend Ideen als Demonstrationsobjekte aufgebaut. „Sie sollen einen konkreten Eindruck vermitteln, wie die Arbeitswelt in Zukunft aussehen könnte“, sagt Zimmermann und zeigt auf einen orange lackierten Roboter.

Bislang durfte so eine Maschine nur hinter einem Schutzzaun arbeiten, denn der Stoß ihres Stahlarms kann lebensgefährlich sein. Das Ausstellungsstück in der Forschungsfabrik demonstriert hingegen eine sichere Lösung: Der Roboter arbeitet nicht automatisch, sondern lässt sich mit Hilfe eines Lenkrads steuern – ähnlich einem Pferd, das man am Zügel führt. Die Kraft, die der Bediener anlegt, regelt die Stärke, mit der sich der Roboter bewegt. Es handelt sich also nicht um eine vollautomatische Produktion, in der Menschen nichts mehr zu suchen haben. Im Gegenteil: „Der Roboter wird zum Kollegen“, sagt Zimmermann. „Die Fingerfertigkeit des Menschen verbindet sich mit der Kraft des Roboters.“

Keine menschenleeren Fabriken

Im Maschinen- und Anlagenbau machen sich Entwicklungsabteilungen seit jeher Gedanken darüber, wie sie Abläufe effizienter gestalten können. In den 1980er-Jahren arbeiteten Produktionsplaner an radikalen Konzepten. „Computer Integrated Manufacturing“ hieß die Devise. Das Ziel war, eine menschenleere Fabrik zu schaffen, in der Produkte vollautomatisch gefertigt werden. Controller fanden die Idee interessant – für die Gewerkschaften war sie der blanke Horror. Für Thomas Bauernhansl steht heute fest, dass es dazu nicht kommen wird. Der Professor ist Leiter des Instituts für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart und beschäftigt sich seit vielen Jahren mit Themen rund um die Wandlungsfähigkeit der Produktion. Er ist gleichwohl überzeugt, dass sich die Arbeit im Industriebetrieb stark verändern wird.

Den klassischen Industriearbeiter des 19. und 20. Jahrhunderts werde es bald nicht mehr geben – also die Person, die am Fließband steht und die immer wieder denselben Handgriff ausführt. Mit zunehmender Digitalisierung würden aber die Tätigkeiten anspruchsvoller. Das heißt, wer bislang an einer Maschine stand und sich um einen einzigen Prozessschritt kümmerte, muss künftig elektronisch gesteuerte Anlagen kontrollieren und selbst Wege finden, wie er die Produktion effizienter gestalten kann. „Einfache Tätigkeiten wird es immer weniger geben“, sagt Bauernhansl: „Die Mitarbeiter werden zu Dirigenten der Wertschöpfung.“

Im Management setzt sich die Einsicht durch, dass der Arbeiter an der Basis oft am besten weiß, wie Abläufe organisiert werden müssen. Schließlich befindet er sich oft seit Jahrzehnten auf demselben Posten und kennt jedes Detail in seinem Umfeld. Trotzdem war er bislang oft nur Befehlsempfänger. Um die Produkt ionsplanung kümmerte sich das Management, das die Vorgaben auf klassischem Weg von oben nach unten durchsetzte. Mit den entsprechenden Folgen: Wer an der Werkbank stand, fühlte sich übergangen, was zu Frustration und sinkender Motivation führte. In der Arbeitswelt von morgen könnten auch Arbeiter an Planungsaufgaben teilhaben.

Durch Minimotoren verstärkt das Exoskelett Bewegungen und entlastet bei schweren Tätigkeiten. (c) Max Kovalenko
Durch Minimotoren verstärkt das Exoskelett Bewegungen und entlastet bei schweren Tätigkeiten.

Die Fabrik von morgen soll sich dank digitaler Technik quasi selbst organisieren. Wie das in der Praxis aussehen kann, darüber denkt Michael Reutter nach. Der Jungunternehmer hat an der Universität Stuttgart Maschinenbau studiert und später am Fraunhofer-IAO gearbeitet. Vor gut einem Jahr gründete er mit einem Freund ein eigenes Unternehmen namens Aucobo. „Wir wollen dem einfachen Arbeiter Instrumente an die Hand geben, mit denen er von der Digitalisierung profitieren kann.“ Reutter berichtet, dass es in modernen Fabriken noch immer die Tendenz gäbe, Beschäftigte weder zu fördern noch zu fordern. Diese würden organisiert, ohne dass sie ihr oft über Jahrzehnte gesammeltes Wissen einbringen könnten. „Doch so lassen sich nicht alle Möglichkeiten der Digitalisierung nutzen“, sagt er. Heute ließe sich industrielle Software so gestalten, dass auch Menschen sie nutzen könnten, die keine IT-Fachleute sind. Schließlich kann auch jeder ein Smartphone oder ein Tablet bedienen, ohne dafür ausgebildet zu sein. Grundlage seines Programms ist eine handelsübliche Smartwatch, die unabhängig arbeitet – also ohne ein extra Smartphone.

Fachkräftemangel vermeiden

Mit ihrer Hilfe kann sich der Arbeiter eine eigene App zusammenstellen. „Das ist vergleichbar mit den digitalen Werkzeugkästen, die man zum Bau einer Website verwendet“, sagt der 29-Jährige. Früher war es ziemlich schwierig, einen eigenen Internetauftritt herzustellen. „Heute kann das praktisch jeder“, meint Reutter.Auf dieselbe Weise programmierte Reutter mit seinem Partner eine mobile Maschinensteuerung, die sich intuitiv per App bedienen lässt. Sie ist etwa in Fabriken einsetzbar, in denen ein Arbeiter für mehrere Prozessschritte verantwortlich ist, wie zum Beispiel Pressen, Klemmen, Kleben.

Bislang hat der Arbeiter auf alle drei Maschinen gleichzeitig aufgepasst. Er musste zum richtigen Zeitpunkt Material einlegen, das Bauteil hinzufügen und die fertigen Werkstücke wieder herausnehmen. Mit Routine klappte das, hatte aber einen Nachteil: Die Maschinen standen still, wenn der Arbeiter gerade an anderer Stelle beschäftigt war. Die Smartwatch kann ihn nun mit Hilfe eines Alarms an eine Aufgabe erinnern, die schnell erledigt werden muss – wenn also etwa eine Maschine neu zu bestücken ist. Auch in einer anderen Halle bemerkt er den Summer und kann sofort zurückkehren oder über Knopfdruck einen Kollegen verständigen, damit der diese Aufgabe für ihn übernimmt. Damit wird die Kommunikation nicht nur zwischen Mensch und Maschine effektiver. Auch die Absprache und Dokumentation unter Mitarbeitern vereinfacht sich. „Über ähnliche elektronische Lösungen könnten sich künftig Informationen über einzelne Maschinen speichern lassen“, sagt Reutter. Pflegt die Technik ihre Eigenarten, hinterlässt der Werker Hinweise, die zentral gespeichert werden. So geht kein wertvolles Wissen verloren, wenn der Mitarbeiter aus dem Unternehmen ausscheidet. Bei der auf Steuerungs- und Automatisierungstechnik spezialisierten Firma Festo aus Esslingen war die Smartwatch von Aucobo bereits im Einsatz. Der Pilotversuch lief in der Ventilfertigung mit sieben freiwilligen Teilnehmern. „Das Feedback war durchweg positiv“, erzählt Reutter. Vorbehalte habe es nicht gegeben. Im Gegenteil. „Arbeiter erfuhren von dem Pilotversuch, sahen die Smartwatch am Arm ihrer Kollegen und wollten auch eine haben.“ Doch nicht allein das charmante Design weckte das Interesse und die Begeisterung der Nutzer.

Beobachter wie Bauernhansl halten es für entscheidend, Beschäftigte für den technischen Wandel zu begeistern. „Alle Entwicklungen werden letztlich von Menschen gestaltet.“ Je mehr Lust sie darauf hätten, desto positiver wirke es sich auf das Ergebnis aus. Eine der wichtigsten Aufgaben ist es deshalb, gering qualifizierte Beschäftigte weiterzubilden, damit sie in Zukunft anspruchsvollere Jobs übernehmen können. Sonst droht der Arbeitskräftemangel: „Wir würden nicht genug Fachkräfte zur Verfügung haben, um unsere Fabriken optimal zu betreiben.“ Wie viele Beschäftigte in den vernetzten Fabriken noch gebraucht werden, darüber liegen die Ansichten weit auseinander. Vor vier Jahren löste eine wissenschaftliche Studie ein kleines Beben in der Arbeitswelt aus. Carl Benedikt Frey, Professor an der Universität Oxford, hatte mit seinem Kollegen Michael Osborne ausgerechnet, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass bestimmte Berufe in den kommenden 20 Jahren durch technische Lösungen ausgeübt werden. Allein in Deutschland waren demnach 59 Prozent der Arbeitsplätze bedroht. Das Zentrum für Europäische Wirtschaftsforschung (ZEW) kam jedoch zu einem anderen Ergebnis. Die Experten dort errechneten, dass nur zwölf Prozent der Arbeitsplätze in Deutschland mit vergleichsweise hoher Wahrscheinlichkeit automatisiert werden können.

Per Smartwatch erhält der Maschinenbetreuer rechtzeitig die Nachricht, ob ein Bauteil eingelegt oder ein fertiges Werkstück entnommen werden muss. (c) Universität Stuttgart/Max Kovalenko
Per Smartwatch erhält der Maschinenbetreuer rechtzeitig die Nachricht, ob ein Bauteil eingelegt oder ein fertiges Werkstück entnommen werden muss.

Mensch und Maschine arbeiten als Einheit

Für Bauernhansl steht fest, dass die digitale Produktion im Zeitalter von Industrie 4.0 mit weniger Menschen auskommt und damit auch den erheblichen Mangel an Fachkräften teilweise entschärfen wird. Aber nicht nur das. „Durch die zunehmende Interaktion werden intelligente Maschinen und Mitarbeiter zu einem integrierten Produktionssystem verschmelzen.“ Das sei schon heute bei sehr einfachen Arbeiten zu erkennen. Beispiel: Beim Omnibusbau müssen schwere Kabelbäume über Kopf in die Fahrzeuge eingebaut werden. Eine harte Arbeit, die bislang eher junge, körperlich fitte Männer erledigen.

In Zukunft könnten auch andere Beschäftigte dafür infrage kommen, etwa auch ältere Arbeitnehmer. Und es wäre ihre Entscheidung, ob sie den Job mit oder ohne Hilfsmittel erledigen möchten. Fühlen sie sich zu schwach, steht ihnen womöglich ein Exoskelett zur Verfügung, wie es im „Future Work Lab“ ausgestellt ist. Dieses zehn Kilo schwere Korsett verstärkt durch akkubetriebene Minimotoren kleine Bewegungen und entlastet damit Menschen, die schwere Tätigkeiten in ungewöhnlicher Position ausführen müssen. Maschinen haben künftig also auch die Aufgabe, den Mitarbeiter unmittelbar bei seiner Tätigkeit zu unterstützen. Das betrifft auch die Phase des Anlernens. „Klassische Präsenzausbildung wird ersetzt durch Ad-hoc-Ausbildung am Arbeitsplatz“, sagt Bauernhansl. Das kann über Bedien-Displays geschehen mit präziser und verständlicher Benutzerführung – ergänzt durch Lernvideos. Wie Maschinen ihre Bediener konkret anlernen, das lässt sich an einer Station des „Future Work Lab“ erahnen.

Der Arbeiter bekommt Sensoren am Körper befestigt, die seine Haltung aufzeichnen. Nach einer Analyse schlägt die Maschine vor, wie man die Arbeit schonender verrichten könnte: mehr in die Knie gehen, Nacken strecken oder Wirbelsäule gerade halten. Möglicherweise lässt sich diese Technik in Zukunft sogar noch vereinfachen und beispielsweise in ein T-Shirt integrieren. Dem Beschäftigten selbst zu überlassen, wie er sich mit elektronischen Hilfsmitteln organisieren will, das wird künftig auch im Büro möglich sein. Wie ein Schreibtisch der Zukunft aussehen könnte, ist ebenfalls in der Forschungsfabrik zu sehen. Wer davor sitzt, berührt mit seinen Händen einen Touchscreen, der fast die gesamte Tischplatte einnimmt. Die darauf ausgebreiteten virtuellen Pläne lassen sich mit Wischbewegungen aufschlagen und immer neu anordnen, so wie man es mit echtem Papier machen würde. Nebeneinander, stapelweise oder gefächert.

Man kann die elektronischen Pläne falten, umdrehen und zur Seite legen. Die Unordnung auf dem Schreibtisch lässt sich per Klick blitzschnell aufräumen und logisch ablegen. Wer in der neuen digitalen Arbeitswelt erfolgreich sein will, sollte sich nicht durch faszinierende Technik blenden lassen. Bauernhansl rät zu einem systematischen Vorgehen. „Zuerst braucht man eine Idee, die beschreibt, wie das Geschäftsmodell aussehen soll“, sagt der Professor. Die Technologie sollte in einem zweiten Schritt konzipiert werden. Und zwar dann, wenn klar ist, wozu sie benötigt wird. Anschließend müssten Kunden und Markt parallel zur Technologie entwickelt werden. „Zu guter Letzt muss man die eigene Organisation mitnehmen.“ Das gelte für die Unternehmenskultur genauso wie für die Fähigkeiten der Beschäftigten. Wenn der Vertrieb zum Beispiel jahrelang Maschinenkomponenten verkauft hat, muss er erst in die Lage versetzt werden, dem Kunden künftig plattformbasierte Dienste zu vermitteln. Digitalisierung ist also kein Selbstzweck, sondern muss der geschäftlichen Logik folgen. Das gilt für lenkbare Roboter und smarte Armbanduhren genauso wie für Mixed-Reality-Brillen. Heimo Fischer

Bei der Herstellung der beiden Schaumstofftypen stieß das Forscherteam auf eine Überraschung: Bei den geschlossenzelligen Schaumstoffen fanden sie extrem dicke Porenwände. „Die Beobachtung, dass sich dichtgepackte, flüssige Kugeln während der Verfestigung in Polyederstrukturen verformen, deren Porenwände eine homogene Dicke besitzen, war mit klassischen Argumenten erst einmal nicht erklärbar“, erklärt Stubenrauch. „Daher haben wir nach analogen Systemen gesucht, bei denen solche Phänomene auftreten und sind auf die Bienenwaben gestoßen.“

Interessant für Leichtbau und Akustik

Bedeutsam ist die Entdeckung für ganz unterschiedliche Anwendungsbereiche. So könnte man im Leichtbau sehr feste Schaumstoffe mit sehr geringer Dichte herstellen, denn Schaumstoffe mit dicken Membranen sind bei gleicher Dichte um das 10- bis 100-fache fester. Auch als Schallisolierung in der Akustik könnten die Schaumstoffe nützlich sein, da sie aufgrund der regelmäßigen Membranen bestimmte Frequenzbereiche nicht durchlassen. Und „last but not least“ lässt sich das Team inspirieren, wie man den Mechanismus auf andere Materialien und Prozesse übertragen kann.

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas Bauernhansl, Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF), Tel.: +49 711/ 970-1101, E-Mail

Thilo Zimmermann, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Tel.: +49 711 970-1240, E-Mail

Michael Reutter, www.aucobo.de

 

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Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin; Forschungspublikationen