Mensch und Maschine arbeiten Hand in Hand


Titelthema a:lot 23 - Sommer 2017

Bei kollaborierenden Industrierobotern handelt es sich um komplexe Maschinen, die in der Lage sind, perfekt mit menschlichen Arbeitskräften zu kooperieren. Weil beide im Arbeitsprozess eng zusammenarbeiten müssen, können die menschlichen Arbeitskräfte durch kollaborierende Roboter wesentlich entlastet werden. Während in vielen Industriebereichen kollaborierende Roboter längst Standard sind, hat die Elektronikindustrie noch Nachholbedarf.

Bei dieser Art von Zusammenarbeit kooperieren Mensch und Roboter auch in großer räumlicher Nähe, wobei ein direkter Kontakt, etwa zum Roboterarm, nicht ausgeschlossen ist. Damit gleichen Industrieroboter Servicerobotern, die im privaten und öffentlichen Umfeld sowie in der Arbeitswelt zunehmend eingesetzt werden, um mit Menschen unmittelbar zusammenzuarbeiten. In gewisser Weise bedeutet das in der Entwicklung von Industrierobotern einen Quantensprung. Denn: In der Vergangenheit war es notwendig, dass der Arbeitsbereich von Menschen und Robotern getrennt und durch verschiedene Schutzeinrichtungen abgesichert war. Das hatte den Hintergrund, dass der Mensch vor mechanischen Einwirkungen von Roboterteilen geschützt werden sollte, weil dies eine große Verletzungsgefahr barg.
Doch nachdem die Normen, die für Industrieroboter relevant sind, neu geordnet und überarbeitet wurden, führte der Gesetzgeber zugleich ein neues Anwendungsfeld, nämlich das der kollaborierenden Roboter, ein. Welche sicherheitstechnischen Anforderungen beim Einsatz von kollaborierenden Robotern erfüllt werden müssen, ist in den Teilen eins und zwei der überarbeiteten Norm EN ISO 10218 sowie in der Spezifikation ISO/TS 15066, die 2010 ins Leben gerufen wurde, geregelt. Ein gewisses Restrisiko, dass Mensch und Roboter miteinander kollidieren können, bleibt zwar, doch dieses muss der Hersteller unter Berücksichtigung des jeweiligen Arbeitsplatzes bewerten und minimieren.

Kollaborierende Roboter motorisieren den Automatisierungsmarkt

Kollaborierende Roboter, die kompakt und benutzerfreundlich sind, treiben nach dem „World Robotics Report 2016“, der Anfang Oktober 2016 von der International Federation of Robotics publiziert wurde, den Automatisierungsmarkt massiv voran. So geht der Internationale Verband der Robotik-Industrie davon aus, dass allein in den Jahren von 2017 bis 2019 die weltweiten Verkäufe von Industrierobotern im Schnitt jährlich um 13 Prozent wachsen werden. Ferner rechnet der Verband damit, dass Maschine und Mensch künftig sicher gemeinsam arbeiten können, ohne dass Schutzumhausungen notwendig sind. Ein sehr willkommener Nebeneffekt bestehe darin, dass in der Produktion sowohl die Effizienz als auch die Qualität gesteigert werden könnten.
Das Unternehmen Universal Robots, das als Marktführer im Segment der kollaborierenden Roboter gilt, teilt diese Einschätzung. Denn durch die jüngsten Entwicklungen sei eine Automatisierung auch in jenen Bereichen möglich, in denen es vor wenigen Jahren noch unrentabel erschien oder die Aufgaben zu komplex waren. „Die installierte Basis von mehr als 10.000 unserer kollaborierenden Roboter weltweit macht deutlich, wie dramatisch das Wachstumspotenzial dieser wegweisenden Automationstechnologie ist.
Wir ermöglichen es kleinen und mittelständischen Unternehmen, ihre Wettbewerbsfähigkeit auf der Weltmarktbühne zu optimieren, da unsere Roboter im Schnitt eine Amortisationsperiode von gerade einmal 195 Tagen haben“, sagt dazu Daniel Friis, seines Zeichens Chief Commercial Officer des Roboter-Herstellers. Das heißt: Unternehmen, die in einen kollaborierenden Roboter investieren, haben diese Kosten durch eine höhere Produktivität in rund sechseinhalb Monaten wieder erwirtschaftet.

Automatica 2018 in München

Wenn Sie sich über die neuesten Trends bei Industrierobotern informieren wollen, haben Sie auf der Messe Automatica auf der Messe München die beste Gelegenheit dazu. Diese Fachmesse für Automation findet vom 19. bis 22. Juni statt. Neben den Herstellern von Industrie-robotern können sich die interessierten Besucher zudem über Montage- und Handhabungstechnik, professionelle Servicerobotik und industrielle Bildverarbeitung informieren. Damit wird auf dieser Messe in der bayerischen Landeshauptstadt die vollständige Wertschöpfungskette in der industriellen Produktion dargestellt.


Menschen von monotonen Arbeiten befreien

Dass die Branche mit einem derartigen Wachstum rechnen kann, ist den Märkten in Amerika und vor allem in China zu verdanken. Denn die Volksrepublik verfolgt ehrgeizige Pläne im Hinblick auf die Automatisierung: Dort sollen bis zum Jahr 2019 etwa 40 Prozent aller installierten Roboter konzentriert sein. Mit Hilfe der Roboter wollen die Chinesen einerseits die Qualität ihrer Produkte steigern - andererseits sollen die kollaborierenden Roboter auch in jenen Bereichen eingesetzt werden, in denen es schwierig ist, menschliche Arbeitskräfte zu finden.
Weil die Nachfrage nach Verbrauchsgütern weltweit ungebrochen groß ist, sehen sich die Hersteller dazu gezwungen, innovative und qualitativ hochwertige Produkte schneller und nachhaltiger zu produzieren und auf den Markt zu bringen. Und gerade bei Produkten, die in großen Stückzahlen hergestellt werden, spielen kollaborierende Roboter ihren großen Vorteil aus: Sie arbeiten mit einer äußerst großen Wiederholgenauigkeit, weshalb menschliche Arbeitskräfte von monotonen Aufgaben befreit werden können. Diese können ihr Potenzial stattdessen nutzen, um besser auf die Anforderungen der Kunden reagieren zu können.

Wann lohnt sich der Einsatz von Robotern?

Wie verschiedene Studien belegen, wird die Robotik künftig in der Wirtschaft eine sehr viel größere Rolle spielen als es bislang der Fall ist. Das liegt nicht zuletzt daran, dass immer mehr Hersteller den attraktiven Markt für sich entdecken und individuelle Lösungen für verschiedene Branchen und Betriebe herstellen. Darüber hinaus gehen die großen Hersteller mit medienwirk-samen Experimenten verstärkt an die Öffentlichkeit und demonstrieren potenziellen Kunden und Verbrauchern, was sich mit Robotern alles machen lässt.
Allerdings haben Roboter im alltäglichen Einsatz noch ein Manko, das sich wohl auch erst in ferner Zukunft lösen wird, schätzt der Hersteller Siemens. Eine hochflexible Automatisierung hält der bayerische Technologiekonzern aktuell noch für Zukunftsmusik. Deshalb lohne sich die Automatisierung insbesondere bei Massenprodukten, die lange Produktlebenszyklen aufweisen. Der Grund: Es ist ein immenser Energieaufwand erforderlich, um Änderungen am Produkt oder am Volumen der Produktion vorzunehmen. Eine möglichst große Flexibilität sei nur durch menschliche Arbeit zu erreichen – sofern ausreichend Fachkräfte zur Verfügung stehen. Allerdings seien die Voraussetzungen dafür, autonome Systeme an diese neuen Anforderungen anzupassen, bereits gegeben. Beispielsweise sei künstliche Intelligenz so weit ausgereift, dass sie in ersten Anwendungen unter realen Bedingungen getestet werden könne.

Hat die Elektronikindustrie noch Nachholbedarf?

Wie Roboter und menschliche Arbeitskräfte optimal Hand in Hand arbeiten können, zeigt der Online-Versand Amazon in seinen Logistikzentren. Um die Automatisation zu optimieren und den Kunden die schnellstmögliche Lieferung der bestellten Produkte garantieren zu können, hatte Amazon im Jahr 2012 den Hersteller Kiva Robotics übernommen, aus dem schließlich Amazon Robotics wurde. Seitdem sind in den USA in 13 Logistik-zentren Tausende von Robotern im Einsatz. Nachdem sich diese Innovation auf dem Heimatmarkt bewährt hatte, wurden Roboter ab Oktober 2015 schließlich auch im polnischen Amazon-Logistikzentrum eingesetzt.
Nachholbedarf gibt es jedoch scheinbar im Bereich der Elektronikindustrie. Um diese Lücke zu schließen, hat der Hersteller Kuka das Modell K3 Agilus bis zur Marktreife entwickelt. Bei diesem Modell handelt es sich um einen Kleinroboter, der besonders kleinteilig schrauben, löten, kleben und fügen kann. Denn der Bedarf, den Grad der Automatisierung zu erhöhen, ist in der Elektronikindustrie besonders hoch. Der Grund: Produktneuheiten werden immer schneller und in immer größerer Zahl entwickelt. Zudem werden die Produkte aus dieser Branche immer kurzlebiger. Das bedeutet: Die Produzenten müssen immer flexibler werden und schneller auf die Wünsche der Kunden reagieren können.
Ein großes Potenzial für kollaborierende Roboter sehen die Hersteller in dieser Branche deshalb in neuen und maßgeschneiderten Lösungen, die voll und ganz auf den Bedarf der Elektronikindustrie zugeschnitten sind.

Auch China setzt auf Kollege Roboter

Dass in der Elektronikindustrie noch ein großer Nachholbedarf besteht, belegen die Zahlen aus dem IFR Report 2014. Demnach kamen in der Automobilindustrie bis dahin auf je 10.000 Arbeiter 1.100 Roboter. In der sogenannten „General Industrie“, zu der auch die Elektronikindustrie gerechnet wird, waren es hingegen lediglich 147 Roboter je 10.000 Arbeiter. Während 2013 insgesamt 9.373 Roboter an die Elektronikindustrie verkauft wurden, konnten an die Automobilindustrie etwa 60.000 Roboter verkauft werden.
Obwohl diese Branche noch in einer Art Dornröschenschlaf verharrt, rechnen Experten mittelfristig mit einer drastischen Änderung der Situation. So erwartet beispielsweise die Großbank Morgan Stanley, dass allein in China der Einsatz von Robotern pro Jahr um über zehn Prozent steigen dürfte. Der Grund: In allen Produktionsländern steigen die Lohnkosten ebenso wie die Ansprüche an die Qualität der Produkte.

Welche Aufgaben können Roboter in der Elektronikindustrie übernehmen?

Für die Elektronikindustrie ist vor allem ein Blick auf die Total Cost of Ownership ein entscheidendes Kriterium für die Frage, ob Roboter zum Einsatz kommen sollen oder nicht. Hierbei werden auch Faktoren wie die Kosten für die Wartung, Wartungsintervalle, der Energieverbrauch und der Schulungsaufwand eingerechnet. Des Weiteren stellen sich die Investoren oft die Frage, ob die Roboter auch für künftige Aufgaben eingesetzt werden können oder ob sie nach dem Ende des Lebenszyklus eines bestimmten Produktes verschrottet werden müssen.
Ein wichtiger Anspruch an die Roboter von morgen lautet: Sie dürfen keinesfalls fest an einem Standort montiert sein, wie es bisher der Fall ist. Vielmehr sollen sich Roboter auf mobilen Plattformen selbstständig bewegen können, um Werkstücke zu bearbeiten oder Waren zu transportieren – eine Technik, die bislang vor allem bei Logistikkonzernen im Einsatz ist. Schon heute ist es dank des Einsatzes modernster Navigations-Software möglich, dass sich die Roboter eigenständig durch Fabrikhallen bewegen können, ohne dass andere Hilfsmittel wie Magnete, Bodenmarkierungen oder Induktionsschleifen notwendig sind.
Ferner ist davon auszugehen, dass sowohl Komponenten als auch Endprodukte wie Laptops, Mobiltelefone, Navigationsgeräte oder MP3-Player künftig noch kleiner werden, da die Mikroelektronik weiter rasante Fortschritte macht. Dass die zunehmende Miniaturisierung rasch in der Massenproduktion umgesetzt werden kann, ist wiederum nur durch automatisierte und leistungs-fähige Fertigungslösungen möglich. Denn kein Mensch kann höchste Präzision bei hoher Geschwindigkeit so gut gewährleisten wie ein Roboter. Modelle wie der Leichtbauroboter LBR iiwa des Herstellers Kuka, der über eine integrierte Gelenksensorik verfügt, können den Menschen vor allem bei denjenigen Arbeitsschritten entlasten, bei denen es auf höchste Präzision und Wiederholgenauigkeit ankommt.

Allrounder sind gefragt

Die Produzenten aus dem Bereich der Elektronikfertigung müssen immer stärker darauf achten, eine wachsende Modellvarianz abzudecken und zugleich schwankende Losgrößen auszugleichen. Es lohnt sich für sie also nicht mehr, eine Automatisierungslösung einzusetzen, die nur auf einen Produkttyp zugeschnitten ist. Gefragt sind Lösungen, durch die Nebenzeiten mit anderen Aufgaben genutzt werden können. Beispielsweise Roboter, die nicht nur die Montage erledigen können, sondern auch Maschinen be- und entladen können oder das Material-Handling beherrschen. Ferner müssen die Roboter leicht zu programmieren sein, sodass auf Änderungen im Ablauf der Produktion und verschiedener Prozesse rasch und effektiv reagiert werden kann.
Um den Aufwand für die Produzenten so gering wie möglich zu halten, haben die Roboter-Hersteller inzwischen verschiedene Programmbausteine entwickelt, welche die Anwender lediglich auszuwählen brauchen, um die neue Programmierung rasch fertigzustellen. Das erleichtert natürlich auch die Bedienbarkeit der Roboter erheblich. Somit ist also die Produktion bestens auf die künftigen Entwicklungen vorbereitet. Die größtmögliche Flexibilität wird derzeit außerdem dadurch erreicht, dass einzelne Komponenten der Roboter auch für andere Anwendungen geeignet sind. Weil der Trend hin zu offenen Plattformen geht, können zahlreiche Robotersysteme mit geringem Aufwand rekonfiguriert werden, sodass sie auch die neuen Aufgaben in der Produktion mühelos bewältigen. Sofern für die neuen Aufgaben zusätzliche Technik oder Software notwendig sind, lässt sich beides mit geringem Aufwand nachrüsten.

Die besondere Herausforderung für Roboter-Hersteller

In der Elektronik-Industrie stehen die Hersteller von Robotern vor einer besonderen Herausforderung. Denn beispielsweise in der Automobilindustrie haben die einzelnen Produkte Lebenszyklen von mehreren Jahren oder – mit leichten Modifikationen – sogar von Jahrzehnten. Hier ist es also problemlos möglich, Roboter einzusetzen, weil sie nicht ständig an die Herstellung neuer Modelle angepasst werden müssen. In der Elektronikindustrie hingegen haben einzelne Produkte oftmals nur einen Lebenszyklus von wenigen Monaten. Deshalb ist in dieser Branche ein extrem hohes Maß an Flexibilität erforderlich. Nach der bisherigen Herangehensweise wird die Automatisierung vor diesem Hintergrund unprofitabel. Für die Roboter-Hersteller bedeutet das: Sie müssen einfache Produktionssysteme herstellen, die sich schnell für unterschiedliche Aufgaben einsetzen lassen. Insbesondere in der Elektronikindustrie ist der flexible Einsatz von Robotern erforderlich. Denn für die Produzenten ist der entscheidende Faktor, ob sie Geld in die Automatisierung investieren, wann sich die Investition rechnet. Eine mögliche Lösung besteht etwa darin, maßgeschneiderte Roboter für einzelne Projekte herzustellen, die zugleich in vielen Bereichen eingesetzt werden können.


Gibt es Hersteller, die sich auf die Elektronikindustrie spezialisiert haben?

Auf die Anforderungen, die in der Elektrotechnik gefordert sind, spezialisiert sich insbesondere das Augsburger Maschinenbauunternehmen Kuka AG. Der Geschäftsbereich Kuka Roboter, einer von insgesamt drei Sparten des Unternehmens, konzentriert sich voll und ganz auf Herstellung und Vertrieb von Industrierobotern. In den Branchen Automobil, Solar und Medizin sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie beansprucht das Unternehmen die europäische Marktführerschaft. Neue Modelle, die in den vergangenen Jahren präsentiert wurden, sind hingegen eher auf die Anforderungen der Elektrotechnik zugeschnitten.

Text: Stefan Strauss