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Aug 22, 2023

Automatisierung: Heute und darüber hinaus

Es ist an der Zeit, die Fertigung und die Rolle, die unsere Arbeitskräfte (oder deren Fehlen) für ihren Erfolg spielen, zu überdenken. Jahrzehntelanges Offshoring gepaart mit einer gesellschaftlichen „Handels-sind-dreckig“-Denkweise haben die Vereinigten Staaten verlassen

Es ist an der Zeit, die Fertigung und die Rolle, die unsere Arbeitskräfte (oder deren Fehlen) für ihren Erfolg spielen, zu überdenken

Jahrzehntelanges Offshoring gepaart mit der gesellschaftlichen Einstellung „Handel ist schmutzig“ haben dazu geführt, dass die verarbeitende Industrie der Vereinigten Staaten fest zwischen einem Felsen und der sprichwörtlichen Härte steht. Maschinenwerkstätten, Formenbauer, Blechverarbeiter und Kunststoffspritzgießer teilen alle die gleiche traurige Geschichte: Wir können keine Arbeitskräfte finden, und wenn wir sie finden, wollen sie A) viel Geld, B) sind ungelernt und C) nicht bleiben Sie lange dabei, oder D) alle oben genannten.

Es wird nicht besser werden. Laut einer Studie von Deloitte und der National Association of Manufacturers (NAM) aus dem Jahr 2021 könnte der Mangel an Fertigungskompetenzen in den USA bis zum Ende des Jahrzehnts zu 2,1 Millionen unbesetzten Arbeitsplätzen führen, was die Wirtschaft allein im Jahr 2030 möglicherweise 1 Billion US-Dollar kosten könnte.

Die Lösung? Ethan Karp, Präsident und CEO des Manufacturing Advocacy and Growth Network (MAGNET), einer gemeinnützigen Beratungsgruppe, erklärte in einem Forbes-Artikel, was viele in der Branche bereits gelernt haben: „Automatisierung kann Herstellern dabei helfen, menschliche Arbeitskräfte zu verstärken und sie zu entlasten.“ um uns auf wichtigere Aufgaben zu konzentrieren und so ein neues Produktivitätsniveau zu erreichen.“

Zu sagen, dass der Erfolg in der Fertigung heute ein „Automate or Die“-Vorschlag ist, mag übertrieben sein – aber nur geringfügig.

FANUC America Corp. aus Rochester Hills, Michigan, hat zu diesem Thema viel zu sagen, und wie John Tuohy, Executive Director of Global Accounts, schnell erklärt, gibt es viele tief hängende Früchte. „Von den Millionen CNC-Werkzeugmaschinen in Nordamerika haben weniger als 5 % einen Roboter an der Spitze“, sagte er.

FANUC möchte diese unglückliche Statistik ändern, indem es die Implementierung von Robotern schneller und einfacher macht, zumindest für diejenigen, die eine der Maschinensteuerungen des Unternehmens besitzen. Vor etwa einem Jahr führte der bekannte CNC- und Fabrikautomatisierungsanbieter Quick & Simple Startup of Robotization (QSSR) ein, wodurch der Installationsprozess laut Greg Buell, einem Cobot-Experten und Mitarbeitern, von einem Tag oder mehr auf einige Stunden verkürzt wird Ingenieur für das Materialtransportsegment von FANUC.

Buell fügte seiner Aussage zwei Vorbehalte hinzu. Sowohl der Roboter als auch die Maschinensteuerung müssen über ein FANUC-Logo verfügen und eine Ethernet-Verbindung ist erforderlich. Aber wenn man bedenkt, dass in den letzten 20 Jahren jede FANUC-Steuerung entweder über Ethernet verfügt oder die Möglichkeit hat, es zu installieren, ist die Erfüllung dieser Anforderungen für einen Großteil der Zerspanungsbranche ein Knaller.

„Angesichts des anhaltenden Arbeitskräftemangels wird es immer schwieriger, Leute zu finden, die selbst grundlegende Aufgaben wie die Maschinenbedienung übernehmen“, erklärte Buell. „Deshalb brauchen Geschäfte die Möglichkeit, ihre Maschinen schnell zu automatisieren, damit sie Chips schneiden und Geld verdienen können. Wir haben dies erreicht, indem wir die Notwendigkeit einer SPS (speicherprogrammierbaren Steuerung) und anderer herkömmlicher Maschinenschnittstellen überflüssig gemacht haben. Stattdessen kann der Roboter eine Ethernet-Verbindung und das FOCAS2-Protokoll von FANUC verwenden, um Makrovariablen innerhalb der CNC zu lesen und zu schreiben.“

Das dürfte für viele CNC-Besitzer eine willkommene Neuigkeit sein, aber die Maschinenbedienung ist nur eine der Aufgaben, die Roboter – ob FANUC oder nicht – in den kommenden Jahren übernehmen müssen. In der Fertigung umfassen diese Tätigkeiten das Waschen und Entgraten von Teilen, Montage und Inspektion sowie Lackieren und Verpacken. Aber als Werkzeugmaschinen-Integrationsprogramm kann eine Gesellschaft damit rechnen, Roboter als Teil unseres Alltags zu sehen – und zwar früher, als jeder von uns erwartet.

Viele Fast-Food-Unternehmen suchen beispielsweise intensiv nach Robotern von Miso Robotics Inc., um Küchen zu automatisieren. Das in Pasadena, Kalifornien, ansässige Robotikunternehmen nimmt derzeit Reservierungen für sein Frittiersystem Flippy2 entgegen und präsentiert mit 3.000 US-Dollar pro Monat ein ROI-Modell, das mit der Bezahlung eines Mitarbeiters von 15 US-Dollar pro Stunde konkurriert. Wenn wir automatisierte Verkäufer, Lagerarbeiter, Mechaniker und Karosseriewerkstatttechniker sowie selbstfahrende Lastwagen und Lieferfahrzeuge haben – ganz zu schweigen von der Möglichkeit von KI-gestützten Ärzten, Anwälten und hoffentlich auch Politikern –, wirft das eine beunruhigende Frage auf: Welche Arbeitsplätze bleiben für uns Menschen übrig?

Joe Campbell kann nicht über die Zukunft der Menschheit sprechen, aber er nennt zwei Beispiele aus der Bauindustrie, in der Roboter ihre Spuren hinterlassen. Der Senior Manager für strategisches Marketing und Anwendungsentwicklung bei Universal Robots (UR) USA Inc. in Ann Arbor, Michigan, Campbell verweist auf Canvas SF mit Sitz in San Francisco, ein Partnerunternehmen, das eine mit UR ausgestattete „digitale Trockenbaulösung“ entwickelt hat. namens Basil. „Sie nahmen unseren kollaborativen Roboter und montierten ihn auf einer mobilen Plattform. Es scannt die Wand, sprüht den Schlamm nach genauen Profilspezifikationen und kann die Oberfläche auf ein Finish der Stufe 5 (Premium) schleifen.“

Dann ist da noch Hilti North America, ein Hersteller von Baumaschinen, der UR-Maschinen eine erbärmliche Aufgabe auferlegt hat: den ganzen Tag einen Bohrhammer über den Kopf zu halten. „Der Hilti Jaibot lädt Anweisungen aus der Cloud herunter, orientiert sich mithilfe eines Laserscanners am Raum und macht sich an die Arbeit, die Befestigungslöcher für Wasserrohre und Kabelkanäle zu stanzen“, sagte Campbell.

Laut Campbell ist das anhaltende Wachstum der Automatisierung eher auf den Rückgang der verfügbaren Arbeitskräfte als auf steigende Arbeitskosten zurückzuführen. „Baustellenleiter und Anlagenbesitzer wollen kein Geld sparen. Sie müssen Kundenaufträge erfüllen, sonst stehen ihnen Werkzeugmaschinen im Wert von einer halben Million Dollar still“, sagte er. „Automatisierung ist die einzige Lösung. Und während ich ständig predige, wird die Situation nicht verschwinden. Die Boomer gehen alle in den Ruhestand und die jüngere Generation hat einfach kein Interesse an den Berufen.“

Für die Millennials, die Generation Z und die aufstrebende Generation Alpha (gemeinsam geboren von Anfang der 1980er bis Mitte der 2020er Jahre), die sich für eine beruflich-technische Karriere entscheiden, verspricht die Automatisierung, ihren Alltag interessanter und angenehmer zu gestalten. Roboterhersteller erzählen uns seit Jahrzehnten, dass ihre Produkte für die Bewältigung langweiliger, schmutziger und gefährlicher Aufgaben konzipiert sind – und je leistungsfähiger diese kleinen Droiden werden, desto länger wird die Liste geeigneter Aufgaben.

Eine erfahrene Schweißerin kann nun ihre Schicht mit den anspruchsvollen „Onesie-twosie“-Aufgaben verbringen, während der Roboter die „Großserienarbeiten an Halterungen“ übernimmt, sagte Campbell und fügte hinzu, dass CNC-Maschinisten die Rolle von Roboter-Herdenmeistern übernehmen, anstatt Teile zu laden und zu entladen den ganzen Tag. Wenn es nach Hilti und Canvas geht, werden Bauarbeiter bald ähnliche Aufgaben tragen, ebenso wie diejenigen im Fast-Food-Geschäft, wo Flippy dafür sorgen wird, dass Verbrennungen in der Fritteuse – eine schmerzhafte und allzu häufige Erfahrung für menschliche Arbeiter – der Vergangenheit angehören. „Unternehmen aller Art werden es auch viel einfacher haben, Mitarbeiter zu halten, wenn ihnen eine interessante und erfüllende Arbeit angeboten wird“, sagte Campbell.

Während selbst ein blinder Roboter eine Mutter finden kann, findet er Muttern (und Schrauben) schneller und genauer, wenn er sie „sehen“ kann. Eric Petz lacht vielleicht nicht über diese Analogie, aber er würde ihr mit ziemlicher Sicherheit zustimmen. Petz ist Marketingleiter bei Apera AI, einem in Vancouver ansässigen Startup, dessen Apera Vue-Software Roboter mit „menschenähnlicher“ Geschwindigkeit, Sicht und Wahrnehmung ausstattet.

„Wir entwickeln Software, die Robotern die Möglichkeit gibt, autonom den besten Weg in, durch und aus einer Arbeitsumgebung zu planen und dabei Kollisionen zu vermeiden“, sagte Petz. „Darüber hinaus statten wir den Roboter mit Greifintelligenz aus, sodass er weiß, wann er einen Gegenstand aufgenommen hat, und ihn dann entsprechend der gegebenen Aufgabe richtig ausrichten kann.

„Dies kann so einfach sein wie das Herausziehen eines Artikels aus einem unstrukturierten Behälter und das Platzieren auf einem Förderband oder in einer CNC-Maschine, aber es könnte sich auch um eine komplexere Tätigkeit handeln, wie das Ausrichten einer Reihe von Schlitzen während eines Montagevorgangs“, sagt er Fortsetzung. „Darüber hinaus kann das Teil durchscheinend, reflektierend oder untexturiert sein und es ist keine spezielle Beleuchtung wie bei vielen Bildverarbeitungssystemen erforderlich. Es ist sehr verzeihend.“

Solche fortschrittlichen Fähigkeiten waren lange Zeit der Heilige Gral vieler Roboteranwendungen, waren aber bis vor Kurzem unerreichbar. Wie bei Gesichtserkennungssoftware, Chatbots mit großen Sprachmodellen und digitalen Sprachassistenten nutzt Apera AI künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen, um seine Ziele zu erreichen. Außerdem kommen handelsübliche Kameras zum Einsatz, die „wie ein Paar menschlicher Augen funktionieren“ und paarweise größere Bereiche abdecken können.

Das Einlernen des Systems beginnt mit einem CAD-Modell oder 3D-Scan des Werkstücks. Aber, erklärte Petz, die Intelligenz werde durch „synthetische Daten“ gesteigert – künstlich erzeugte Bilder, die in ein neuronales Netzwerk eingespeist werden. „Es ist nicht ungewöhnlich, dass wir eine Million Simulationen durchführen, bevor wir die gewünschte Zuverlässigkeit erreichen“, sagte Petz.

„Allerdings kann das gesamte Training offline durchgeführt werden, und nach Abschluss kann das Roboterprogramm auf dem Computer einer Zelle installiert und in etwa einer halben Stunde in Betrieb genommen werden.“

Selbst wenn Roboter über Sehkraft und Intelligenz verfügen, können sie ohne End-of-Arm-Werkzeug kaum mehr tun, als „Hallo“ zu winken. Leider kann die Entscheidung zwischen den vielen Optionen eine verwirrende Aufgabe sein, insbesondere da Roboter über zusätzliche Fähigkeiten verfügen.

„Für Greifer gibt es sicherlich kein Einheitssystem, das für alle passt“, bemerkte Kristian Hulgard, General Manager der US-Zentrale von OnRobot Americas mit Sitz in Dänemark in Irving, Texas.

Bei der Auswahl eines Greifers, fügte er hinzu, besteht der erste Schritt darin, herauszufinden, welche Art von Werkstück man festhalten möchte, sei es ein Zylinder, ein Würfel oder eine eher zufällige Form wie ein Gussstück. Es sollten genügend Finger vorhanden sein, um die Teile sicher und sicher zu greifen, ohne sie zu beschädigen, und das System sollte einfach einzurichten sein, um Ausfallzeiten zu minimieren.

„Ist es ein schwerer Stahlblock oder ein filigranes, präzisionsbearbeitetes Aluminiumwerkstück? Offensichtlich hat jeder unterschiedliche Anforderungen an die Greifkraft, und die Entscheidung muss zwischen elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Betätigung getroffen werden“, fuhr Hulgard fort. „Aber für Nutzlasten von 50 Pfund (22,7 kg) oder weniger ist der Elektroantrieb oft die beste Option, vor allem weil er softwaregesteuert ist und man sich keine Gedanken über Ventile und Schläuche machen muss. Man schließt es einfach an den Roboter an und los geht’s … wenn ein neues Teil hinzukommt, ändert man einfach die Softwareeinstellung.“

Diese Gleichung ändert sich dramatisch, wenn der Roboter mit dem Schleifen, Schweißen, Zusammenbauen und, ja, dem Hamburger-Wenden beginnt. Aus diesem Grund hat OnRobot D:PLOY entwickelt, eine Softwareplattform, die eine einheitliche Schnittstelle für Roboter, Sensoren, End-of-Arm-Tools und sogar CNC-Maschinen bietet, wobei alle Peripheriegeräte über die D:PLOY-Schnittstelle gesteuert werden. „Alles wird in unsere Software eingebunden und wir erstellen dann die Bewegungslogik, Greifparameter und alles, was sonst noch benötigt wird, um die gesamte Roboteranwendungszelle zu steuern und zu betreiben“, sagte Hulgard.

Vereinfachte Programmierung und Benutzerfreundlichkeit sind für die breite zukünftige Akzeptanz der Automatisierung von entscheidender Bedeutung. Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass nicht jede Automatisierung robotergesteuert ist. Bob Baldizzi ist regionaler Vertriebsleiter für die Ostküstenregion bei Fastems LLC USA in West Chester, Ohio, einem Unternehmen, das für seine großformatigen Palettenhandhabungssysteme im Containerstil bekannt ist. Er wird Ihnen jedoch sagen, dass das Angebot des Automatisierungsanbieters aufgrund der Branchennachfrage stark erweitert wurde.

Baldizzi erklärte, Fastems sei auf Teilehandhabungs- und Schneidwerkzeugautomatisierungssysteme sowie auf roboterbasierte Fertigungszellen umgestiegen, die Anweisungen von einer zentralisierten Fertigungsmanagement-Softwareplattform (MMS) entgegennehmen. „Die Nachfrage ist exponentiell gestiegen, insbesondere seit COVID“, sagte er. „Bei jeder Show, jedem Kundenbesuch oder jedem Telefonat sind die Fragen immer die gleichen: Wir können keine Leute finden, was können Sie tun, um uns zu helfen, und wie schnell können wir es bekommen?“

Infolgedessen haben sich die beruflichen Verantwortlichkeiten des Fastems-Teams weiterentwickelt und übernehmen eher Beratungsfunktionen als Vertriebsfunktionen, da sie „den Leuten helfen, zu verstehen, wie man automatisiert“, sagte Baldizzi. Aber wie er und jeder, der es versucht hat, erklären werden, steckt viel mehr dahinter als Hardware und Software. „Man kann nicht einfach einen gelben Roboter vor eine Maschine stellen und ihn als gut bezeichnen“, witzelte er. „In einer typischen Fertigungsumgebung muss sich viel ändern, und Sie sollten sich darüber im Klaren sein, wenn Sie mit einem Automatisierungsprojekt beginnen, egal in welcher Form.“

Ganz oben auf dieser Liste stehen stabile, vorhersehbare Prozesse, gefolgt von alltäglicheren, aber oft übersehenen Überlegungen – hydraulische oder pneumatische Werkstückspannung, Span- und Kühlmittelkontrolle, Werkzeugstandzeitmanagement, Inline-Messsysteme sowie nachgelagerte Entgratungs- und Teilewaschvorgänge. Ohne robuste Lösungen in jedem dieser Bereiche wird die Automatisierung nicht die gewünschten Ergebnisse liefern.

In gewisser Weise wird der Mensch mit zunehmender Automatisierung, wenn auch in geringerer Zahl, relevanter denn je. Dies gilt auch für Software, einschließlich der Programmiertools und des oben genannten MMS. In diesen und unzähligen anderen Beispielen müssen menschliche Arbeiter nicht nur neue Technologien erlernen, sondern auch eine neue Mentalität entwickeln: Wie kann ich einen Roboter oder ein anderes automatisiertes System dazu bringen, diese Aufgabe zu übernehmen, damit ich etwas Wichtigeres tun kann?“

Courtney Ortner, Chief Marketing Officer von Absolute Machine Tools Inc., Lorain, Ohio, stimmt dem zu. Ihr Unternehmen bietet eine Reihe von Automatisierungssystemen an – von den „wirklich lehrbaren“ Cobots von Productive Robotics bis hin zu den LoadMate Plus-Maschinenbedienzellen von Mitsubishi Electric. Absolute hat außerdem das A+ Automation Team gegründet, eine Gruppe von Anwendungsingenieuren und Integrationsspezialisten, die sich auf dieses schnell wachsende Unternehmen konzentrieren.

Trotz zahlreicher Automatisierungsangebote und der damit einhergehenden Unterstützung ist Ortner jedoch immer noch der Meinung, dass viel zu viele Geschäfte zögern, auf den Roboterzug aufzusteigen. „Vor allem die kleineren Unternehmen sind begeistert, bis sie das Preisschild sehen. Selbst wenn man ihnen den ROI zeigt, fühlen sie sich einfach nicht wohl dabei, einen ihrer Meinung nach großen Geldbündel für ein Gerät auszugeben, mit dem A) ihre Mitarbeiter nicht vertraut sind und B) das unsichere Ergebnisse liefert.“

„Das ist eine absolute Schande“, beklagte sie. Wer den Schritt gewagt hat, profitiert von sofortigen Produktivitätsvorteilen. Und sobald die anfängliche Beklommenheit überwunden ist, beginnen die Mitarbeiter, sich Möglichkeiten auszudenken, wie sie Robotern die Eselsarbeit überlassen können, damit sie etwas Interessanteres tun können. Darüber hinaus öffnen Betriebe, die die Automatisierung beherrschen, die Tür zum Hauptgewinn der Fertigung: dem Betrieb ohne Unterbrechung, der eine Verdoppelung oder sogar Verdreifachung der Produktion ohne zusätzliche Werkzeugmaschinen, Stellfläche oder qualifizierte Mitarbeiter verspricht, die ohnehin niemand finden kann.

Dennoch versteht Ortner die Zurückhaltung, weshalb sie jedem, der sich in Sachen Automatisierung noch nicht sicher ist, diesen einfachen Ratschlag gibt: Fangen Sie klein an. „Machen Sie den ersten Schritt und investieren Sie in einen Cobot“, sagte sie. „Sie sind kostengünstig, lassen sich in weniger als einem Tag implementieren und können für zahlreiche Aufgaben in der Werkstatt eingesetzt werden. ... Wir haben mittlerweile eine ganze Reihe von Kunden, die ohne großen Aufwand eine Schicht unbeaufsichtigten Betriebs übernommen haben“, sagte Ortner.

„Ich kann Ihnen auch sagen, dass sich noch nie jemand mit der Bitte um eine Rückerstattung bei uns gemeldet hat und die meisten wegen eines zweiten oder dritten Cobots zurückkommen oder nach anderen Möglichkeiten zur Automatisierung suchen. Dies ist ein Fall, in dem jeder, der diesen Vertrauensvorschuss wagt, eine Erfolgsgeschichte ist.“

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