Materialversorgung effizient automatisieren

Motivation

Um wettbewerbsfähig bleiben zu können, müssen Unternehmen ihre Produktivität signifikant steigern und sich nachhaltig orientieren [1]. Allerdings kann die Einführung eines komplett neuen Produktionssystems für Unternehmen mitunter ein teures Hindernis darstellen. Daher ist es erforderlich, die einzelnen Prozesse innerhalb der Produktion einer Prüfung zu unterziehen, um festzustellen, welche überarbeitet und weiterentwickelt werden müssen. Ein Beispiel ist die Versorgung der Montagezellen durch Materialien in Behältern.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine effiziente automatisierte Versorgung der Arbeitsplätze in einer Montagezelle mit Materialien in Kleinladungsträgern zu ermitteln. Abhängig von den verwendeten Materialien, den genutzten Behältern und den verfügbaren bzw. investierbaren Systemen und dem Personal kann die Versorgung der Montagezelle manuell oder automatisiert gestaltet werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der komplett manuellen und der komplett automatisierten Versorgung. Eine halbautomatisierte Versorgung wird hier nicht betrachtet.

Das erste Szenario stellt die komplett manuelle Versorgung der Montagezelle dar. Im zweiten Szenario wird das erste Szenario 1:1 komplett automatisiert. Zusätzlich wird ein drittes Szenario betrachtet, bei dem die automatisierte Versorgung radikal neu gedacht wird.

Zur Beantwortung der Fragestellung werden die drei Szenarien real in der Musterfabrik nachgestellt und auf Kosten, Effizienz und Aufwand analysiert.

Bisherige Untersuchungen zur automatisierten Versorgung in der Wissenschaft

Im Folgenden werden ausgewählte wissenschaftliche Artikel vorgestellt, in denen zu den Themen Versorgung einer Montagezelle, Vergleich der Systeme und Automatisierung geforscht wurde.

Battini et al. [2] entwickeln eine Entscheidungsmatrix zur Auswahl eines automatisierten Transportsystems in Abhängigkeit zur Anzahl an Teilvarianten und Teilkapazitäten sowie in Abhängigkeit des Tagesverbrauchs der Teile. Sie erwähnen, dass ein automatisierter Routenzug eine höhere Transportkapazität im Vergleich zu einem automatisierten Gabelstapler hat. Jedoch ist er nicht in der Lage, komplett automatisiert zu agieren, da er selbst die Behälter nicht be- und entladen kann.

Samaniego et al. [3] automatisieren direkt den Routenzug, der dann im Raum frei navigieren kann. Allerdings ist das System ebenfalls nicht in der Lage, selbst Behälter zu be- und entladen.

Wurll et al. [4] analysieren eine Versorgung von dezentralen Pufferlagern bzw. Supermärkten mit einem mobilen Cobot, der den Routenzug ersetzt. Der Nachschub wird automatisch durch die RFID-Tags des leeren Behälters ausgelöst, welcher durch den Werker an Orten für leere Behälter im Supermarkt platziert wird. Die Versorgung des Arbeitsplatzes selbst erfolgt manuell.

Kousi et al. [5] entwickeln einen Ansatz zur Planung der Versorgung, der sich an der Verfügbarkeit, Fahrzeit und Kapazität der mobilen Roboter orientiert. Dieser Ansatz erfordert mehrere Transportroboter und unterschiedliche Transportregale zur Übergabe der Behälter, der die Versorgung ineffizienter gestaltet und nicht Ziel dieser Arbeit ist.

Sand et al. [6] evaluieren verschiedene logistische Strategien für interne Materialflussprozesse. Sie untersuchen und modellieren das interne Versorgungssystem und testen verschiedene Transportsysteme zur Versorgung der Montagesysteme, darunter auch fahrerlose Transportfahrzeuge. Die Untersuchung hat ergeben, dass fahrerlose Transportsysteme ineffizienter arbeiten als ein geführter Gabelstapler. Allerdings beschränkt sich die Untersuchung auf den Transport großer Güter.

Schuhmacher und Hummel [7] untersuchen das Potential der Automatisierung und der Mensch-Maschine-Kollaboration bei Routenzugsystemen in veränderbaren Fabrikumgebungen. Im Szenario setzen sie automatisierte Routenzüge mit einem Armroboter ein. Der Fokus dieser Arbeit liegt jedoch auf der Analyse der Austauschbarkeit und Flexibilität der Systeme. Ein Vergleich der manuellen und automatisierten Szenarien ist nicht gegeben.

Seha et al. [8] versuchen, simulativ den produzierten Output zu erhöhen, indem Arbeitsplätze statt mit einem Logistiker mit Routenzug mit einem mobilen Roboter versorgt sowie Pick-to-Light-Systeme eingesetzt werden und die Lieferroute angepasst wird. Das Ergebnis der Studie ist, dass ein Einsatz von mobilen Robotern den Output der Fertigprodukte um 157 Prozent und eine zusätzliche Änderung des Layouts den Output wiederum um 31 Prozent (insgesamt 235 %) steigerte. Eine reale Umsetzung war nicht gegeben.

Aus der Literaturrecherche ist abzuleiten, dass sich bis heute keine Arbeit sowohl mit dem realen Vergleich der komplett manuellen und der komplett automatisierten Versorgung, die auch das Be- und Entladen berücksichtigen, als auch mit der Analyse der Effizienz, des Aufwands und der Kosten einer komplett automatisierten Versorgung auseinandergesetzt hat.

Beschreibung und Rahmen der Szenarien

Die Vergleichsgrundlage bildet das Planspiel „Montage von Bodenrollern“ in der Musterfabrik am Technologiezentrum für Produktions- und Logistiksysteme (TZ PULS). In der Montagezelle, bestehend aus sieben Arbeitsplätzen, werden in zwei Schichten (8 Stunden pro Schicht) insgesamt 768 Bodenroller im Fließprinzip montiert. Dabei werden fünf Arbeitsplätze (AP 2-6) mit Behältern mit Rollen, Schrauben, Muttern und weiteren Komponenten versorgt.

Zur Deckung des Schichtbedarfs werden über die Schicht verteilt 362 Behälter geliefert. Die Verteilung der Menge auf den Arbeitsplätzen ist in Tabelle 1 ersichtlich.

In allen Szenarien erfolgt die Nachschubausgabe in der erforderlichen Reihenfolge an einem festen Ausgabepunkt, der sich im Lager befindet. Der Nachschub wird von dem im Szenario gewählten Transportmittel abgeholt und zu den Arbeitsplätzen transportiert.

Die genannten Bedingungen definieren den Rahmen der Szenarien. Die Berechnung des Lieferzyklus erfolgt in Abhängigkeit von der Transportkapazität. Die Vergleichszeiten der Szenarien werden während der realen Nachstellung in der Musterfabrik gemessen.

Szenario 1: Manuelle Versorgung der Montagezelle durch Logistiker mit Routenzug

Die steigende Produktvielfalt setzt eine effiziente und flexible Versorgung voraus. Um die richtigen Behälter zum richtigen Zeitpunkt zu liefern, werden u. a. Routenzüge und logische Lieferpläne eingesetzt. Diese manuelle Versorgung ist oft Standard in Produktionen [9].

Die Arbeitsplätze einer u-förmigen Montagezelle (U-Zelle) werden von einem Logistiker mit einem Routenzug versorgt. Der Routenzug hat zwei Anhänger mit Regalen, auf dem die Behälter für die Arbeitsplätze transportiert werden. Der Logistiker holt den Nachschub und liefert die Behälter zu den Arbeitsplätzen.

Durch die Verteilung des Bedarfs ergibt sich ein Lieferzyklus von einer Stunde und einer Bereitstellungskapazität von elf Behältern pro Stunde pro Arbeitsplatz. Die Lieferroute ist in Bild 1 links dargestellt.

Bild 1

Lieferroute Szenario 1 mit Routenzug

Szenario 2: Automatisierte Versorgung der Montagezelle durch einen mobilen Cobot

Ein Trend, der innerhalb der Industrie 4.0 beobachtet werden kann, ist die Automatisierung von Prozessen [10]. Gründe können steigende Lohnkosten und Fachkräftemangel sein. Der einfache Weg, den viele Unternehmen erwägen, ist eine 1 : 1-Automatisierung. Dies hat zur Folge, dass die Struktur der Montagezelle und die Peripherie nur geringfügig verändert werden müssen.

Als Transportmittel wird ein mobiler Cobot, der aus einer Transportplattform und einem Roboterarm besteht (Bild 2), eingesetzt. Der mobile Cobot übernimmt die Funktion des Logistikers und versorgt die einzelnen Arbeitsplätze der u-förmigen Montagezelle. Der Ablauf ist identisch mit dem des ersten Szenarios.

Bild 2

Lieferroute Szenario 2 mit mobilem Cobot

Aufgrund der begrenzten Transportfläche ist die Anzahl der Behälter, die ein mobiler Cobot gleichzeitig transportieren kann, limitiert. Das Transportvolumen entspricht demnach elf Behälter pro Stunde für einen Arbeitsplatz. Das bedeutet, dass der mobile Cobot die Arbeitsplätze einzeln, also bis zu sechs Mal pro Stunde, anfahren muss.

Szenario 3: Automatisierte Versorgung der Montagezelle durch einen Armroboter und einen Transportroboter sowie Änderung der Montagezellenstruktur

In diesem Szenario wird die automatisierte Versorgung radikal neu gedacht. Die grundlegenden Strukturen werden so geändert, dass sie zur effizienten Automatisierung geeignet sind.

Der mobile Cobot wird in einen kollaborativen Armroboter und eine Transportplattform getrennt. Die Aufteilung des mobilen Cobots ermöglicht, dass beide Roboter nun voneinander unabhängig arbeiten und die beiden Systeme sinnvoll ausgelastet werden können. Der Armroboter verbleibt bei den Arbeitsplätzen und hat die Aufgabe, die Behälter in die Arbeitsplätze zu stellen. Die Anordnung der Arbeitsplätze erfolgt in der zum Patent angemeldeten O-Form (O-Zelle) [11], sodass der Roboter in der Mitte positioniert ist und alle Arbeitsplätze von innen erreichen kann. Die Mitarbeiter sind bei der O-Zelle außen positioniert [12].

Dies hat den Vorteil, dass der Armroboter von den Menschen getrennt ist und schneller arbeiten kann. Für den Transportroboter existiert lediglich einen einzigen Übergabepunkt, was die Automatisierung der Versorgung vereinfacht (Bild 3). Der Transportroboter bringt den Nachschub vom Ausgabepunkt im Lager zum Übergabepunkt der O-Zelle. Das sogenannte Shooter-Prinzip beschleunigt den Behälteraustausch, indem der Transportroboter das Regal auf der Transportfläche an das Regal am Ausgabepunkt im Lager bzw. am Übergabepunkt der O-Zelle andockt und die Vollgut- und Leergut-Behälter über die verbundenen, geneigten Rollenbahnen ausgetauscht werden können. Auf diese Weise ist eine komplett automatisierte Versorgung möglich.

Bild 3

Lieferroute Szenario 3 mit Transportroboter und Armroboter in der O-Zelle

Der Bedarf an Behältern wird auf die Kapazität des Shooter-Transportregals verteilt. Daraus ergibt sich ein Lieferzyklus von 38 Minuten. Innerhalb einer Fahrt werden bis zu 29 Behälter zur O-Zelle geliefert und durch den Armroboter auf die Arbeitsplätze verteilt.

Kosten der einzelnen Szenarien

Zum Vergleich der Kosten der Szenarien werden die Personalkosten, Anschaffungskosten und mögliche Nebenkosten, wie z. B. Inbetriebnahme und jährliche Wartungskosten der involvierten Systeme, in Tabelle 3 aufgelistet. Zu den Inbetriebnahmekosten zählen zum Beispiel der Aufbau der Ladestation, die Sicherheitsabnahme, Schulungen, die Programmierung der Geräte usw. Unter die jährlichen Wartungskosten fallen Kosten für Personal, Reparaturen, Ersatzteile usw. Diese Kostenangaben beruhen auf eigenen Erfahrungen, Angaben im Internet und in Broschüren sowie Anfragen an Hersteller.

Für Szenario 1 werden jährliche Kosten zweier Logistiker für je eine Schicht berücksichtigt. Es sind nicht nur die reinen Lohnkosten, sondern auch die Kosten, die auf der Unternehmerseite entstehen, einkalkuliert. Als Transportmittel wird ein Routenzug mit zwei Anhängern eingesetzt. Dessen Anschaffungskosten, Inbetriebnahmekosten und jährliche Wartungskosten werden berücksichtigt.

Für Szenario 2 sind die Anschaffungskosten, die Inbetriebnahmekosten und die jährlichen Wartungskosten eines mobilen Cobots einkalkuliert. Die Nebenkosten sind wesentlich höher als die Nebenkosten von Szenario 1, da für einen mobilen Cobot ein hoher Programmieraufwand entsteht und wiederholt Optimierungsprogrammierungen erforderlich sind.

Für Szenario 3 werden die jeweiligen Anschaffungskosten, Inbetriebnahmekosten und jährlichen Wartunkosten für den Transportroboter und den Armroboter berücksichtigt. Die Summe der Inbetriebnahmekosten sind höher als die in Szenario 2, da es sich um zwei verschiedene Geräte handelt. Beide Systeme erfordern jeweils den Aufbau, die Programmierung und die Sicherheitsabnahme der Geräte sowie eine Schulung des involvierten Personals. Es gilt die Faustregel [13, 14], dass die Anschaffungskosten eines Armroboters 30 Prozent der Gesamtkosten betragen. Für Transportroboter (FTS) gelten überwiegend fixe Kosten, die sich im angegebenen Bereich bewegen [15].

Bei den jährlichen Kosten wird eine Inflationsrate von 3 Prozent pro Jahr mit einbezogen.

Den Summen der Szenarien in Tabelle 3 ist zu entnehmen, dass eine Automatisierung der Versorgung höhere Investitionskosten bedeutet. Allerdings besteht bei allen Szenarien die Annahme, dass das Personal und die Systeme nicht zu 100 Prozent ausgelastet sind und die Restkapazität anderweitig sinnvoll genutzt werden kann. Aus diesem Grund muss für jedes Szenario die zeitliche Auslastung ermittelt werden.

Ermittlung der zeitlichen Auslastung

Als Indikator zum Vergleich der Szenarien wird der zeitliche Auslastungsgrad genutzt [16]. Die zeitliche Auslastung errechnet sich aus dem Verhältnis der tatsächlichen Arbeitszeit zur verfügbaren Arbeitszeit, d. h. der Lieferzykluszeit (vgl. Gl. (1)). Daraus ist ersichtlich, zu wie viel Prozent die Systeme für die Aufgabe ausgelastet sind.

Die tatsächliche Arbeitszeit des Logistikers bzw. der Systeme werden aus der realen Nachstellung in der Musterfabrik am TZ PULS ermittelt.

Kostenvergleichsrechnung der Szenarien

Bei der Kostenvergleichsrechnung (Bild 4) werden die jeweiligen zeitlichen Auslastungen berücksichtigt.

Bild 4

Darstellung der Gesamtkosten der einzelnen Szenarien über die Jahre

Wenn der Armroboter in Szenario 3 anderen Tätigkeiten (zeitliche Auslastung = 39 %) nachgehen kann, wird der Ausgleich, wie in Bild 4 dargestellt, nach 2,2 Jahren erreicht. Im Fall, dass der Armroboter keine weiteren Tätigkeiten ausführen kann (zeitliche Auslastung = 100 %), wird der Ausgleich nach fünf Jahren erreicht.

Der Ausgleich zwischen Szenario 1 und 2 wird erst nach 50 Jahren erreicht. Wenn der Kaufpreis und die Inbetriebnahmekosten um die Hälfte reduziert werden, wird er nach 30 Jahren erreicht.

Zusammenfassung und Ausblick

Die drei Versorgungsszenarien werden in der Musterfabrik des TZ PULS in realer Umgebung nachgestellt, um den Aufwand, die Kosten und die Effizienz der Szenarien zu ermitteln.

Das Ergebnis des ersten Szenarios ist, dass der Logistiker mit seinem Routenzug eine hohe Flexibilität und Effizienz aufweist. Der Aufwand ist als gering zu bewerten.

Im zweiten Szenario wird die Versorgung 1 : 1 automatisiert. Allerdings zeigt die Realisierung des zweiten Szenarios, dass eine solche Automatisierung sehr ineffizient ist sowie der Aufwand und die entstehenden Kosten hoch sind, da 1,5 mobile Cobots notwendig sind. Eine 1 : 1-Automatisierung der Versorgung ist keine effiziente Lösung.

Eine effiziente Automatisierung der Versorgung wird durch eine Modifikation der Montagezellenstruktur sowie eine Trennung des mobilen Cobots in einen Transportroboter und einen Armroboter erreicht [11]. Der Armroboter versorgt in der O-Zelle die Arbeitsplätze, während der Transportroboter den Nachschub vom Lager zur O-Zelle bringt. Die Trennung führt zu einer unabhängigen und damit einer effizienten Nutzung der Roboter. Die zeitlichen Auslastungen sind gering, sodass die Systeme noch Puffer haben, um weitere Tätigkeiten während des Lieferzyklus auszuüben und die anteiligen Kosten geringer als beim zweiten Szenario ausfallen. Ein Kostenausgleich gegenüber dem ersten Szenario wird, abhängig von der Auslastung des Armroboters, bereits nach 2,2 bis 5 Jahren erreicht.

Dieses Szenario erfordert jedoch die Digitalisierung der Montagezelle. Die Vernetzung der Systeme mit einem einheitlichen Kommunikationsprotokoll, die Anbindung der Systeme an das Netzwerk sowie die systemübergreifende Steuerung sind unabdingbar.

Des Weiteren ist es wichtig, dass die Systeme in einer Industrie-4.0-Umgebung eine hohe Flexibilität aufweisen, um auf unvorhergesehene Ereignisse zeitnah und effizient reagieren zu können [10, 17]. Dies setzt interoperable Schnittstellen und somit die Notwendigkeit eines einheitlichen digitalen Datenabbilds der Systeme voraus, welches den Zugriff auf das Wissen der einzelnen Systeme erlaubt. Ein Lösungsansatz ist die Verwaltungsschale (englisch: Asset Administration Shell), die ein einheitliches Datenabbild aller Systeme durch Standardisierung sowie Interoperabilität und Flexibilität ermöglicht [18].

Durch Anwendung dieses Ansatzes können die Inbetriebnahmekosten und Wartungskosten des dritten Szenarios weiter reduziert werden, sodass ein Kostenausgleich schneller erreicht wird. Diese Thematik wird Gegenstand weiterer Forschungsarbeiten sein.