Möglichkeiten der Gestaltung individualisierbarer Montagearbeitsplätze vor dem Hintergrund aktueller technologischer Entwicklungen

Die Schwerpunkte ergonomiegerechter Gestaltung von Montagearbeitsplätzen haben sich in den letzten Jahren gewandelt. Die konventionelle Auslegung von Arbeitsplätzen für möglichst viele MitarbeiterInnen, Belastungsreduzierung und die Gestaltung von Mensch-Maschine-Schnittstellen haben flächendeckend Eingang in den betrieblichen Gestaltungsrahmen gefunden. Arbeitsplätze in Europa sind heute weitgehend schädigungslos, zumutbar und ausführbar (Luczak et al. 1989). Für noch bestehende ergonomisch ungünstige Arbeitsplätze werden zunehmend Assistenzsysteme (Cobots, Exoskelette, Fähigkeitsverstärker) getestet und implementiert (Schembera-Kneifel & Keil 2016; Müller et al. 2016; Bornmann et al. 2016). Im Bereich der Montage sind dies heute z. B. Arbeitsplätze mit Überkopfarbeit, eng getakteten Arbeitsinhalten (z. B. Fließlinien der Motoren- und Fahrzeugfertigung) und repetitiven, kurzzyklischen Tätigkeiten.

Neben der Senkung auftretender Belastungen an diesen Arbeitsplätzen verlagert sich der Forschungsfokus auf die Nutzung neuer Technologien und die intelligent vernetzte Automatisierung und Digitalisierung. High-Speed-Kamerasysteme, mobile Endgeräte für Augmented und Virtual Reality-Anwendungen, Projektionssysteme sowie kollaborationsfähige und mobile Roboter werden für die breite industrielle Anwendung in Assistenzsystemen in der Produktion nutzbar und erschwinglich.

Durch Nutzung heute einsetzbarer Technologien zur Ergonomieverbesserung werden die arbeitswissenschaftlichen Gestaltungsziele höherer Ordnung – Persönlichkeitsförderlichkeit und Sozialverträglichkeit (Luczak et al. 1989) – auf einer neuen Stufe aufgegriffen. Gleichzeitig bietet die Berücksichtigung individueller Dimensionen die Möglichkeit, das Dilemma der Gestaltung von Arbeitsplätzen nach dem Prinzip „one-sizefits-all“ aufzulösen und tatsächlich optimale Beanspruchungskonstellationen für alle NutzerInnen eines Arbeitssystems zu schaffen. Parallel dazu entsteht aktuell eine große Aufgeschlossenheit für technologisch unterstützte Assistenzsysteme in der Produktion. Vor dem Hintergrund des demographischen Wandels und einem zunehmenden Fachkräftemangel ist die Gestaltung attraktiver Arbeitsplätze in der Montage ein Mittel zur Attraktivitätssteigerung produzierender Unternehmen im härter werdenden Kampf um qualifizierte, motivierte und loyale Fachkräfte (Spath 2013).

Die Bewertung und Auswahl von Individualisierungsdimensionen ist abhängig von den Einsatzbedingungen des Anwendungsfalls, den Anforderungen des jeweiligen Arbeitssystems und dem finanziellen und organisatorischen Aufwand der Lösungsumsetzung. Aktuell entstehen Teillösungen der Arbeitsplatzgestaltung mit individualisierbar anpassbaren Parametern, die ohne manuelle Eingriffe der NutzerInnen automatisch eingestellt werden. Diese beschränken sich jedoch auf einzelne Parameter wie die Arbeitshöhe (Reinhart et al. 2010), die Materialanreichung (Goldhahn et al. 2017), die Farbanteile und Intensität der Beleuchtung (Bauer et al. 2015), sowie individuelle Berechtigungen und Informationsrepräsentation (Gerlach 2010; Spath et al. 2012).

Die Frage, welche Individualisierungdimensionen und untergeordnete Parameter in welchem Umfang und durch welche technische Realisierung umgesetzt werden, beeinflusst maßgeblich eine unternehmerische Auswahlentscheidung. Gleichzeitig bergen Faktorkombinationen das Potenzial für Aufwandsreduzierungen in Planung und Umsetzung, bspw. die Nutzung der gleichen IT-Infrastruktur für die Steuerung der individualisierbaren Höhe des Arbeitsplatzes, einer Materialanreichung per Cobot und der individualisierbaren Einstellung von Beleuchtungsintensität und -stärke.

Zentrale Frage der Arbeit ist deshalb, in einem ersten Schritt zu klären, wie und in welchen Aspekten Montagearbeitsplätze überhaupt an spezifische Nutzercharakteristika angepasst werden können. Eine gesammelte Darstellung der Individualisierbarkeitsmöglichkeiten stellt die Grundlage für die technische Realisierung mithilfe digitaler Vernetzung und/oder physischer Assistenzsysteme dar und erlaubt in weiterer Folge vergleichbare Aussagen zur Belastungsreduzierung sowie den Auswirkungen auf die unternehmerischen Zielgrößen Effektivität, Effizienz und Qualität.

Montagearbeitsplätze dienen dem Zusammenbau von Teilen, Baugruppen zu Erzeugnissen oder höherer Erzeugnisebenen und werden typisch als Einzelarbeitsplätze, Fließlinien oder Baustellenmontagen ausgeführt (Lotter & Wiendahl 2012). Nutzer sind MitarbeiterInnen, die permanent oder temporär Tätigkeiten an diesen Arbeitsplätzen durchführen. Spezifische Charakteristika sind physiologische oder psychologische Merkmale der NutzerInnen, welche individuell unterschiedlich optimale Einstellungen der Arbeitsplatzgestaltung bedingen. Im Ergebnis werden Dimensionen als Grundlage für individualisierbare Montagearbeitsplätze gesucht, um Arbeitstätigkeiten in der Montage hinsichtlich ihrer Effizienz und ihrer Beanspruchung für jeden Nutzer zu optimieren. Dazu wird nachfolgend eine Sammlung einsetzbarer Individualisierungsdimensionen von Montagesystemen vorgestellt. Diese stellt den ersten Schritt einer systematischen Entwicklung individualisierbarer Montagearbeitsplätze dar (siehe Abb. 1).

Auf Basis dieser Sammlung werden unterschiedliche Individualisierbarkeitskonstellationen experimentell gestaltet und die Auswirkungen auf Produktivität, Ergonomie und Nutzerakzeptanz bewertet. Ergebnis sollen allgemeingültig anwendbare Gestaltungsregeln und Merkmalskombinationen für individualisierbare Montagesysteme sein. Die Sammlung einsetzbarer Individualisierungsdimensionen wird anhand eines Pilotarbeitsplatzes für die Baustellenmontage für variantenreiche Einzel- und Kleinserien abgebildet. In weiterführenden Arbeiten werden die Umsetzungspotenziale durch Möglichkeiten physischer Assistenz und digitaler Vernetzung experimentell erprobt und Auswirkungen auf die zentralen Zielgrößen arbeitswissenschaftlicher Gestaltung ebenso untersucht, wie die Einbettung individualisierbarer Arbeitsplatzgestaltung in Arbeitsorganisation und Konzepte des arbeitsplatznahen Lernens.

Speziell zur Integration unterschiedlicher Individualisierungsdimensionen und -parameter sowie zur individualisierbaren, rollenspezifischen Interaktionsgestaltung und Handhabung von Assistenzsystemen besteht noch Forschungsbedarf (BMWi 2016). Eine systematische Aufstellung zu berücksichtigender Individualisierungsdimensionen findet sich aktuell weder in der Standardliteratur zur Ergonomie und Montagegestaltung noch in den isolierten Umsetzungsansätzen individualisierter Werkerassistenz.

Aktuelle Arbeiten fokussieren auf individualisierte, digitale Mensch- und Designmodelle für Montagearbeitsplätze (Deuse et al. 2015; Thomas et al. 2016), individualisierbare Profildatenmodelle (Galaske & Anderl 2016) sowie Assistenzsystemen zur Überwachung von Ergonomieparametern (Nguyen et al. 2016; Brandl et al. 2016). Eine Bewertung des Lösungsraums der Individualisierungsdimensionen und -parameter hinsichtlich unternehmerischer Effektivitäts- und Effizienzzielen sowie ergonomischer, arbeitsorganisatorischer und Nutzerakzeptanzkriterien wird aktuell von keiner der bekannten Arbeiten durchgeführt. Forschungsbedarf besteht deshalb in der systematischen Bewertung und Auswahl von Individualisierungsdimensionen und -parametern vor dem Hintergrund aktueller technologischer Entwicklungen.

Industrielle Produktion und insbesondere die Bereiche der Montage sind in den letzten Jahren verstärkt einem Trend der Produktindividualisierung und Anpassung an kundenspezifische Anforderungen unterworfen. Dies hat eine hohe Anzahl an Modellen und Produktvarianten zur Folge, welche über meist hoch standardisierte Prozesse gefertigt werden. Nicht zuletzt durch die Forderung des Lean-Managements nach Standardisierung wurden oftmals hochwertige Standard-Arbeitsplätze entwickelt, welche sich an den anthropometrischen Maßen der jeweiligen Nutzerkohorte orientieren. Die Ausgestaltung der Arbeitsplätze,ihrer Gestaltungsdimensionen und -parameter folgt dabei der „Perzentillogik“, einer Berücksichtigung anthropometrischer Körpermaße im Bereich zwischen dem 5. und dem 95. Perzentil (meist zwischen dem 5. Perzentil für Frauen und dem 95. Perzentil für Männer). Eine Einstellung der Arbeitsplätze auf die tatsächlichen Maße der einzelnen NutzerInnen findet somit nicht statt. Zudem wird in Kauf genommen, dass bis zu zehn Prozent der NutzerInnen nur ergonomisch ungünstig an den so gestalteten Arbeitsplätzen arbeiten können. Hinzu kommt, dass neben den anthropometrischen Unterschieden, auch individuelle Präferenzen unberücksichtigt bleiben (z. B. Händigkeit, Werkzeug- und Informationsbereitstellung).

Im Rahmen der Gestaltungskonzepte „altersgerechter“ bzw. „demografierobuster“ Arbeitsgestaltung (Lotter & Wiendahl 2012; Matt et al. 2016) wird verstärkt versucht, auf den demographischen Wandel unserer Gesellschaft zu reagieren. Durch spezifische Anpassungsmöglichkeiten der Arbeitsplätze nach den Grundsätzen ergonomischer Gestaltung sowie den Einsatz spezieller fähigkeitsverstärkender Hilfsmittel wie Hebehilfen wird verstärkt auf die Bedürfnisse einer älterwerdenden Belegschaft eingegangen (Latos et al. 2018). Der Ansatz individualisierbarer Arbeitssystemgestaltung basiert auf der Grundidee, dass ein individuell anpassbarer Arbeitsplatz nicht nur ältere MitarbeiterInnen unterstützt, sondern jegliche persönlichen Unterschiede berücksichtigt. Damit geht der Ansatz über die traditionelle Gestaltung altersgerechter Arbeitsplätze hinaus und erweitert diesen vor der Grundannahme, dass Unterschiedlichkeit nicht nur eine Dimension des Alters, sondern vieler weiterer Dimensionen (bspw. Körpermaße, Geschlecht, Händigkeit, psychisch/kognitive Konstitution) darstellt und sich zudem dynamisch über den Zeitverlauf, bspw. einer Erwerbsbiografie, entwickelt.

Das Forschungsfeld individualisierbarer Arbeitsplatzgestaltung wird durch technologische Entwicklungen digitaler und physischer Assistenzsysteme angetrieben. Des Weiteren gibt es verstärktes Interesse an der Digitalisierung industrieller Wertschöpfung mit dem Ziel einer echtzeitfähigen, intelligenten Vernetzung von Menschen, Maschinen und Objekten unter dem Überbegriff „Industrie 4.0“ (Heng 2014; acatech 2012). Dadurch ergeben sich vielfältige neue Möglichkeiten der Anpassung an physiologische Eigenschaften, individuelle Bedürfnisse und Fähigkeiten sowie persönlichen Vorlieben der NutzerInnen. Es gilt diese unter Berücksichtigung arbeitswissenschaftlicher und ergonomischer Erkenntnisse zu nutzen um die Defizite des „one-size-fits all“ Ansatzes der Arbeitsplatzgestaltung zu überwinden.

Einsatzmöglichkeiten für die Individualisierungsdimensionen werden anhand eines Pilotarbeitsplatzes für die variantenreiche Einzel- und Kleinserienmontage untersucht und konzipiert. Im konkreten Beispiel wird ein Produkt nach dem Prinzip einer Baustellenmontage stationär montiert. Konkret wird ein Werkzeug für die Herstellung von Flugzeugkomponenten, mit der Abmessung 5500 × 2000 × 1000 mm und einem Gewicht von ca. 800 kg, dargestellt (1). Im Montageprozess werden Materialkomponenten in Form von mehreren Lagen von CFK-Matten (2) auf das Werkzeug aufgelegt und fixiert. Die Arbeitspläne stehen zentral an einem Terminal-PC zur Verfügung. Das Werkzeug ist momentan fix platziert und kann nicht in Höhe und Winkel verändert werden. Die heutigen Herausforderungen bestehen darin, dass die MitarbeiterInnen für die Montage teils gebeugte Haltungen einnehmen, fallweise auf das Werkzeug steigen und mitunter auf diesem liegen müssen. Zudem ist es nötig einzelne Arbeitsschritte an einem stationären Terminal-PC zu quittieren. Material und zusätzliche Spezialwerkzeuge werden zentral gelagert, was lange Weg- und Suchzeiten entstehen lässt. Ein Konzept für die Optimierung des Prozesses bei gleichzeitiger Umsetzung ausgewählter Individualisierungsdimensionen ist in Abb. 2 exemplarisch dargestellt.

Das Werkzeug wird auf Rollen und höhenverstellbaren Hydraulikzylindern (1) gelagert, welche eine individuelle Einstellung des Bauteils in Höhe und Aufstellwinkel gestatten. Dies ermöglicht die Reduktion unergonomischer Positionen und Bewegungen und hilft schwer zugängliche Stellen besser zu erreichen. Dazu kann die individuell gewünschte Arbeitshöhe und der Arbeitsflächenwinkel frei über die Steuerung der Zylinder eingestellt werden. Über dem Bauteil sind drei 3D-Kameras (3) angebracht, die Translationen, Höhendifferenzen sowie optische Merkmale erfassen. Die Informationen werden softwaretechnisch analysiert und an Assistenzsysteme zur weiteren Steuerung der Individualisierung weitergegeben. Es ist vorgesehen, die Höhendaten dazu zu verwenden, um die Ausrichtung des Bauteils in Bezug auf individuelle Merkmale der Mitarbeiter vorzunehmen. Um benötigte Informationen direkt am Verbauort anzuzeigen, wurde ein Projektor (4) über dem Werkzeug platziert, welcher direkt auf das Werkzeug projiziert. Der Projektor ist mit den 3D-Kameras gekoppelt, um die Informationen mitarbeiternah und auf dessen Blickbereich abgestimmt anzuzeigen. In der Abbildung wird die Kontur einer CFK-Matte inklusive kritischer Merkmale (2) dargestellt. Um das Problem der weit entfernten Lagerung von Materialien und Anbauteilen zu lösen, ist ein „Fahrerloses Transportsystem“ (FTS) mit aufgebautem Roboterarm (5) geplant, um Bauteilkomponenten ergonomisch anzureichen und persönliche Präferenzen, wie Händigkeit, Greiforte, etc. zu berücksichtigen. Durch die automatische Anreichung werden sowohl unnötige Wegzeiten als auch Fehler durch Aufnahme und Verbau falscher Komponenten vermieden. Weiters bietet die Rückkopplung über die 3D-Kameras das Potenzial zur automatischen Fortschrittsüberwachung und Qualitätskontrolle.

Mit einer gesammelten Darstellung einzelner Individualisierungsdimensionen eines Montagearbeitsplatzes führt der Beitrag bestehende Teilaspekte der Gestaltung individualisierbarer Arbeitsplätze zusammen. Er bietet dadurch eine Grundlage für die umfassende Gestaltung von Montagearbeitsplätzen, die sich an individuelle physische und psychische Merkmale und Bedürfnisse ihrer NutzerInnen anpassen. Die präsentierte Synopsis einsetzbarer Individualisierungsdimensionen stellt einen Optionenkatalog für die Gestaltung individualisierbarer Arbeitsplätze dar und wird anhand eines Pilotarbeitsplatzes für die Baustellenmontage variantenreicher Einzel- und Kleinserien in der Umsetzung konzeptionell dargestellt. In weiteren Arbeiten werden die Umsetzungspotenziale durch Möglichkeiten physischer Assistenz und digitaler Vernetzung experimentell erprobt und Auswirkungen auf zentrale Zielgrößen arbeitswissenschaftlicher Gestaltung (Produktivität, Ergonomie, Nutzerakzeptanz) sowie die Einbettung individualisierbarer Arbeitsplatzgestaltung in Arbeitsorganisation und Konzepte des arbeitsplatznahen Lernens untersucht.

Die durch ein Assistenzsystem gesteuerte individualisierte Einstellbarkeit des Montagearbeitsplatzes ermöglicht ein doppeltes Nutzenpotenzial für die praktische Anwendung. Der Hauptvorteil liegt in einer automatischen Einstellung der Arbeitsplatzdimensionen und untergeordneter Parameter auf die individuellen Merkmale jeder einzelnen MitarbeiterIn. Durch die individuell angepasste Einstellung der Dimensionen Arbeitshöhe, Greifbereich und die Greifwege lassen sich sowohl Gesamtmontagezeit als auch die ergonomische Belastung der MitarbeiterInnen verringern. Eine Individualisierung der Dimension Informationsbereitstellung stellt zudem die Verringerung der kognitiven Rüstzeitanteile sowie eine Reduzierung der Fehlerrate in Aussicht. Indirekt ermöglicht die individualisierbare Arbeitsplatzgestaltung eine direkte Anpassung an persönliche Präferenzen, passt somit den Arbeitsplatz an jeden Einzelnen an und hat somit einen positiven (Teil‑)Einfluss auf Gesundheit, Motivation und Wohlbefinden.

Aktuelle Schwierigkeiten der Umsetzung betreffen vor allem fehlende Aussagen und Erfahrungen zu den tatsächlichen Effekten individualisierbarer Arbeitsplatzgestaltung, insbesondere zu deren wirtschaftlicher Umsetzung und Nutzung. Die Risiken liegen hierbei vielfach nicht auf der heute verfügbaren Hardware in den Bereichen der Sensorik, Bildverarbeitung und Aktorik, sondern vor allem in der teuren Integration und fehlenden Interoperatibilität der Hard- und Software (Rodriguez et al., 2015). Der daraus resultierende weitere Forschungsbedarf betrifft vor allem die Berücksichtigung von Individualisierung bei der Schaffung übergreifender Standards, Basismodellen und Plattformen zur Gestaltung von Werkerassistenzsystemen sowie den Aufbau bewerteter und skalierbarer Umsetzungslösungen für die dominierenden Arbeitsplätze und Arbeitstätigkeiten.

Weiters basiert die individualisierbare Einstellbarkeit von Arbeitsplätzen auf der Nutzung personenbezogener Daten der MitarbeiterInnen (Strang et al. 2016). Dies stellt heute eine Umsetzungsschwierigkeit und eine mögliche Akzeptanzbarriere dar. Mit zunehmender Integration von digitalen Assistenzsystemen in unseren Alltag, der Orientierung an allgemein akzeptierten Mitarbeiterdatenschutzmodellen (bspw. APPsist 2016) und der Einbindung der MitarbeiterInnen besteht jedoch die Chance auf eine beteiligungsorientierte Einführung. Diese bedingt jedoch die Schaffung neuer Vertrauensgrenzen für die betriebliche Nutzung personenbezogener Daten sowie die Übersetzung in allgemeingültig anwendbare Gestaltungsregeln.

Obwohl in den letzten Jahren in Bezug auf die ergonomische Gestaltung der Produktionsarbeitsplätze viel geleistet wurde, sind in Bezug auf mitarbeiterspezifische Anpassungsmöglichkeiten hohe Verbesserungspotenziale festzustellen. Die verstärkte Berücksichtigung des Faktors „Individualisierbarkeit“ in der Arbeitsplatzgestaltung stellt einen nötigen und wertvollen Schritt zur Humanisierung und Attraktivierung von Produktionsarbeit dar und bedarf einer intensiven wissenschaftlichen Aufarbeitung und industriellen Umsetzung.