Mitarbeiter-Entlastung und hybride Teams Maschinelle Fertigung im Technologie-Steckbrief: Lohnen sich Roboter im Handwerk?

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Im Technologie-Steckbrief „Robotik“ zeigt das Heinz-Piest-Instituts für Handwerkstechnik (HPI) Anwendungsgebiete, Hemmnisse und Potentiale der Anwendung von Robotertechnologien im Handwerk auf.

Roboter und Mensch kollaborieren immer häufiger.
Roboter und Mensch arbeiten immer besser und häufiger zusammen. – © dimdimich – stock.adobe.com

Roboter stehen Menschen zunehmend mehr zur Seite und unterstützen sie in diversen Bereichen: Waren sie bisher nur mit großen technischen Hürden und mit eingeschränkter Produktivität in der Lage, vollkommen freizügig zu kollaborieren und zusammenzuarbeiten, gibt es nun vielversprechende Ansätze – auch für das Handwerk. Durch die konsequente Weiterentwicklung der Roboter, insbesondere im Bereich der Mechanik, Sensorik/Aktorik, Modellierung, Steuerungstechnik und Informatik, wird heute ein breiteres Technologieportfolio zu poteneziellen Einsatzszenarien erschlossen. Moderne Robotersteuerungen und die aktuelle Hardware ermöglichen nun auch das Abfahren komplexer Bahnen am Endeffektor des Roboters, die zuvor nicht möglich waren, heißt es Technologie-Steckbrief „Robotik“ des Heinz-Piest-Instituts für Handwerkstechnik (HPI), der in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU entstanden ist.

Zunehmend sind Roboter nun auch für Applikationen wie Bahnschweißen, Kleben, Fräsen, Entgraten, Schleifen und Prüfen geeignet. Diese Arbeiten erfolgen teils unter Verwendung von CNC-Technik. Daneben gibt es die sogenannten Cobots, ein Begriff, sich aus „Collaboration“ und „Robot“ zusammensetzt. Die technischen Fähigkeiten zum Teilen von Arbeitsräumen zwischen Mensch und Roboter wird als Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) bezeichnet.

Hybride Teams im Handwerk

Seit 2008 erobern Cobots stetig Marktanteile und technische Lösungen zur Kollaboration werden durch Integration von Sensoren, Modellen und intelligenten Steuerungslösungen sowie Algorithmen immer ausgereifter. Beispielsweise werden stetig Funktionen entwickelt, die eine schnelles Programmieren und in Betrieb nehmen von Industrierobotern fu ̈r komplexe Prozesse und kleine Losgrößen ermöglichen. Daraus eröffnen sich zahlreiche Optionen im Handwerk. Konkret bedeutet dies, dass Roboter künftig keine bloßen Automatisierungskinematiken sein werden, sondern sie werden die Produktion nachhaltig verändern.

Beispiele hierfür sind Entwicklungen hin zu einer nahtlosen Kollaboration zwischen Mensch und Roboter im Sinne hybrider Teams sowie die Aufteilung komplexer Arbeitsaufgaben in kleine, handhabbare Prozessschritte und deren Realisierung im Schwarm von Robotern. Befähigt werden diese Entwicklungen durch modulare Steuerungen, standardisierte Datenaustauschformate und schnelle Kommunikationsformen wie beispielsweise 5G. Ferninbetriebnahmen und -wartung werden so zukünftig ebenso möglich und weit verbreitet sein wie Gestensteuerung und intuitive Programmierung.

Vielfältig und komplex: Handwerk stellt andere Anforderungen


Bei handwerklichen Tätigkeiten werden im Vergleich zur industriellen Massenproduktion unterschiedliche Materialien verarbeitet, komplexere Prozesse müssen vollführt werden und die Roboter müssen schneller in den Einsatz gebracht werden. Lösungen, die von Roboterexperten in den Bereich des Handwerks überführt werden können, sind beispielsweise erweiterte Sensorik, intelligente, weil adaptive Steuerungen und intuitive Mensch-Maschine-Interfaces.

Die Tätigkeitsbereiche der Roboter im Handwerk lassen sich in drei Kategorien clustern :
1. Auslagerung von monotonen/wiederkehrenden Tätigkeiten
2. Automatisierung von Standard-Produktbewegungen
3. Zusammenarbeit mit dem Menschen

Zu erster Kategorie zählen insbesondere Fräs-, Schweiß- und Lackier- aber auch Verlege-, Streich- und Schleifarbeiten. Im Bereich der Produktbewegung stehen die Handhabung von schweren Lasten und das Palettieren im Vordergrund. Unterstützend greifen Roboter in der Bearbeitung von Werkstücken bzw. Materialien durch Hebe- und Halteunterstützung ein. Weitere Anwendungsbeispiele betreffen die Qualitätsüberwachung im Fertigungsprozess, den 3D-Betondruck oder die Fenstermontage .

MRK: Noch im Entwicklungsstadium

Forschungsbedarf existiert hingegen aktuell noch in der Zusammenarbeit von Robotern mit dem Menschen. Insbesondere Soft-Roboter, Cobots und Methoden sowie Einrichtungen zur sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration sind derzeit Gegenstand der industriellen Forschung, unter anderem auch bei Fraunhofer. Als mögliche Hemmnisse für die professionelle Verwendung von Robotik im Handwerk werden über das Antwortverhalten vier zentrale Bereiche deutlich:

1. Investitionskosten und die Deckung von laufenden Kosten
2. unzureichenedes Wissen und mangelnde Programmierkenntnis
3. fehlende Akzeptanz der Technologie und
4. Komplexität der Prozesse

Neben der Höhe der Investitionskosten, die für spezielle Robotiklösungen insbesondere für enge Nutzungsszenarien oder Kleinstbetriebe verhältnismäßig hohe Aufwände bedeuten, stellen nach der Beschaffung, die Amortisation und der Unterhalt des Roboters zusätzliche Hürden dar. Trotz möglicher Investitionssubventionierung wird aufgrund von mangelndem Wissen über Einsatzszenarien und Chancen keine Investition getätigt. Hierbei spielen auch Folgeinvestitionskosten wie die Schulung von Mitarbeitern oder die spezifische Programmierung und Ausrichtung der Technik eine zentrale Rolle.

Mitarbeiter mit ins Boot holen

Die Individualität von benötigten Robotiklösungen ist zudem für den Standardisierungsgrad von Tätigkeiten, die durch Roboter übernommen werden können, gewerkespezifisch begrenzt. Abhängig von Werkstoff und Tätigkeit kann so die Übernahme von Tätigkeiten durch Menschen effizienter ausfallen. Letztlich birgt die Einbindung von Robotern in Betriebs- und Produktionsabläufe zudem die Frage der Technologieakzeptanz durch die Mitarbeiter. Die Sorge vom Wegfall des eigenen Arbeitsplatzes durch den Einsatz neuer Technik überschattet dabei mögliche positive Auswirkungen der neuen Anwendungsmöglichkeiten. Dies kann durch eine fehlende systematische und frühzeitige Einbindung und Mitnahme der Mitarbeiter im Sinne eines aktiven Change-Managements verstärkt werden.

Die Auseinandersetzung mit organisationalen Abläufen beinhaltet auch Fragen nach der Ausrichtung der Wertschöpfungsprozesse von Handwerksbetrieben. Entgegen industrieller Einsätze stehen hier kleine Losgrößen und individuelle sowie erschwert standardisierbare Produktionsprozesse im Zentrum der täglichen Arbeit. Wiederkehrende Tätigkeiten sind damit genau abzugrenzen und zu identifizieren.

Ist eine Automatisierung erfolgt und liegen zyklisch wiederholte Tätigkeiten vor, ist die Deckung von laufenden Kosten von untergeordneter Bedeutung. Müssen regelmäßig Umkonfigurationen vorgenommen werden, schlagen Aufwände für die Programmierung und Wiederinbetriebnahme zu Buche. Oftmals ist das Wissen und die Programmierkenntnis für Roboter nicht in den anwendenden Unternehmen vorhanden, weswegen Automatisierungsdienstleister hinzugezogen werden. Die Vereinfachung des Teach- und Programmiervorgangs der Roboter ist somit ein weiteres, wichtiges Forschungsthema, an dem auch einige Fraunhofer-Institute arbeiten.

Mit Robotern Fachkräftemangel ausgleichen und Freiheiten schaffen

Neben den zahlreichen Herausforderungen, die der Einsatz einer neuen Technologie mit sich ziehen kann und den Hemmnissen, die sich speziell im Hinblick auf die Einführung von Robotik ergeben können, weist diese Technologie insbesondere bei der Bewältigung des Fachkräftemangels im Handwerk einige Potenziale auf.

Der Einsatz von Robotik kann den Menschen in verschiedenen Bereichen unterstützen und entlasten. So können zum einen gefährliche oder schwere sowie besonders belastende Tätigkeiten von Robotern durchgeführt werden. Speziell in Bereichen, in denen vielederartige Tätigkeiten anfallen, könnte der Einsatz von Robotik das vorhandene Personal entlasten und fehlendes Personal kompensieren. Durch die Reduzierung schwerer Arbeiten oder die vollständige Übernahme dieser Tätigkeiten durch Robotersysteme werden Mitarbeitende zum anderen so weit geschont, dass sie bestimmte Tätigkeiten bis ins Rentenalter ausüben können und älteren Mitarbeitenden Tätigkeiten abgenommen werden, die sie selbst nicht mehr ausführen können.

Durch die bertragung repetitiver, manueller Tätigkeiten auf Roboter werden Freiräume für das Fachpersonal geschaffen. Insbesondere vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels, der ein großes Problem für nahezu alle Handwerksbetriebe darstellt, ist dies ein großer Vorteil, der mit dem Einsatz dieser Technologie einhergehen kann. Neben geschaffenen Freiräumen, die die Fachkräfte im Betrieb für nicht-automatisierbare Tätigkeiten nutzen können, werden darüber hinaus Berufe durch die Reduzierung risikobehafteter, belastender oder monotoner Tätigkeiten auch für potenzielle Nachwuchskräfte attraktiver. Auch der Einsatz neuer Technologien im Allgemeinen sorgt für ein moderneres Image des Handwerks sowie seiner Berufe und bietet somit ein enormes Potenzial zur Reduzierung des Fachkräftemangels.

Positive Effekte auf die Produktivität

Neben den Potenzialen, die der Einsatz von Robotik im Bereich Personal bieten kann, ermöglicht die Technologie auch positive Effekte auf Produktivität, Effizienz und Qualität. So können durch den Einsatz von Robotik, Prozesse effizienter, präziser und mit höher Geschwindigkeit abgebildet werden, wobei eine immer konstant bleibende Qualität sichergestellt ist. Ein positiver Nebeneffekt kann sich darüber hinaus aus der generellen Auseinandersetzung mit den internen Unternehmensprozessen ergeben, die jeder Einführung neuer Technologien vorausgehen sollte. Hierdurch können bisher bewährte Prozesse überdacht und optimiert werden. Ähnlich verhält es sich auch mit dem eigenen Geschäftsmodell und bisherigen Geschäftsfeldern. Der Einsatz von Robotik kann in verschiedenen Gewerken die Herstellung bestimmter Produkte, etwa besonders komplexer Formen im Holz-, Metall- oder Werkzeugbau, vereinfachen und sich so positiv auf die mögliche Preisgestaltung auswirken.

Ob der Einsatz von Robotik im eigenen Betrieb Vorteile bieten kann, hängt wie bei allen Technologien stark von den individuellen Rahmenbedingungen ab, als auch von den gewerkespezifischen Anforderungen. Im Folgenden soll daher ein erster Einblick in den Durchdringungsgrad der Technologie Robotik in den einzelnen Gewerbegruppen gegeben werden.

Durchdringungsgrad der Technologie


Im Bereich des Bauhaupt- und Ausbaugewerbes fällt die Relevanz des Themas Robotik höher als der durch die Befragten eingeschätzte Umsetzungsgrad aus. Hohe Relevanz gibt es auch in den Handwerken für den gewerblichen Bedarf. Der Einsatz von Robotik weicht in beiden Gewerbegruppen von der Relevanz nach unten ab. Diese Diskrepanz macht deutlich, dass Entwicklungspotenziale in diesen Gewerbegruppen gesehen werden, um eine Technologieintegration weiter voranzutreiben.

Das Fraunhofer IWU erarbeitet aktuell unter anderem in Kooperation mit der Handwerkskammer Dresden und der Industrie- und Handelskammer Chemnitz Angebote, die Handwerksbetrieben Robotertechnologien näherbringen. Inhalte sind beispielsweise Anwendungsgebiete von Robotern, verfügbare Hersteller, Programmiermetho- den und Ansätze der Mensch-Roboter-Kollaboration .

Den vollständigen Technologie-Steckbrief können Sie hier abrufen.