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Industrie 5.0: Der Mensch kehrt zurück

| Autor / Redakteur: Lee Hibbert * / Margit Kuther

Industrie 5.0 erfordert immer intelligentere Fertigungsumgebungen und stärkt so das kollaborative Miteinander von Mensch und Maschine.

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Industrie 5.0: Cobots, kollaborative Roboter, interagieren direkt mit dem Menschen.
Industrie 5.0: Cobots, kollaborative Roboter, interagieren direkt mit dem Menschen.
(Bild: Mouser )

Der technologische Fortschritt steht niemals still – das gilt in der hochmodernen Welt der Fertigung genauso wie in jedem anderen Sektor. Nehmen wir Industrie 4.0 als Beispiel: Hier bestand die Idee darin, hochautomatisierte Fabrikumgebungen zu schaffen, in denen Technologien wie Sensoren, Datenverarbeitung, Konnektivität und Cloud-Computing im Dienste der Produktivität kombiniert werden.

Nun steht mit Industrie 5.0 der nächste Schritt an, der den Menschen wieder in den Kreislauf einführt. Industrie 5.0 verspricht völlig neue Arbeitsumgebungen, die von der Kooperation zwischen Robotern und Menschen geprägt sind und so die Umsetzung neuer Konzepte wie Mass Customization ermöglichen. Was bedeutet das? Wird Industrie 5.0 wirklich die Art und Weise verändern, wie wir die smarten Produkte der Zukunft entwerfen und fertigen?

Industrie 4.0 entließ den Menschen aus der Fertigung

Lassen Sie uns zunächst einen Schritt zurückgehen, indem wir uns ansehen, wie Industrie 4.0 die Fertigung in zahlreichen Bereichen verändert hat. Ausgangspunkt für einen Großteil dieser Veränderung war die Entstehung des Internet der Dinge (IoT), das auf bedeutenden Fortschritten in der Sensortechnologie basiert und kleinere, kostengünstigere und leistungsfähigere Geräte mit sich gebracht hat. Mit der Verbesserung der Sensorleistung wurden diese Geräte im gesamten Fertigungsbereich eingesetzt. Dadurch wurde die Erfassung von Daten von einem breiteren Spektrum industrieller Fertigungsanlagen möglich.

Dank der allgegenwärtigen Konnektivität können diese Daten schnell in die Cloud geschickt werden, wo sie verarbeitet und analysiert werden. Hierbei kommen zunehmend Technologien wie Maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz zum Einsatz, die wichtige Erkenntnisse in Echtzeit liefern können. Dieser IoT-basierte Prozess ist ein zentraler Grundsatz von Industrie 4.0. Der weit verbreitete Einsatz von Automatisierung und die Erfassung von Daten können tatsächlich profitabel sein.

Doch es gibt in diesem Szenario ein Problem, denn solche hochautomatisierten Umgebungen funktionieren nur bis zu einem bestimmten Grad wirklich gut. In der Fertigung kann der Einsatz von Robotern beispielsweise ein enormes Maß an Konsistenz und Wiederholgenauigkeit bieten, indem die Roboter eine Reihe sich wiederholender Funktionen im Rahmen eines vordefinierten Satzes von Produktionsprozessen ausführen.

Das ist in Ordnung, solange Produkte weitgehend gleich aussehen und sich gleich anfühlen sollen. Aber was ist, wenn der Kunde etwas anderes wünscht? Was ist, wenn der Wunsch nach Verschönerung oder Personalisierung des hergestellten Produkts besteht? In einer Welt, in der die Erwartungen der Verbraucher immer anspruchsvoller und auch individueller werden, wird dieser Wunsch immer wahrscheinlicher.

Industrie 5.0 holt den Menschen in die Fertigung zurück

An diesem Punkt kommt Industrie 5.0 ins Spiel: Unter dieser neuen Bezeichnung wird der Mensch wieder in den Kreislauf einbezogen und seine Zusammenarbeit mit intelligenten Maschinen intensiviert – sogar bis hin zum direkten Nebeneinander im Fertigungsbereich. Es heißt, Industrie 5.0 wird das Beste aus beiden Welten bieten: Die weithin anerkannten Vorteile der Robotik werden mit den einzigartigen kognitiven Fähigkeiten des Menschen in Bereichen wie kritischem Denken zusammengeführt.

In dieser facettenreicheren Umgebung können Produktionslinien „intelligenter“ werden, während der Mensch in der Lage ist, einen viel höheren Grad an Produktanpassung zu überwachen. Das ist ein aufregender Gedanke in so unterschiedlichen Bereichen wie Automotive, Unterhaltungselektronik und Schmuck – oder sogar bei Produkten wie Craft Beer, wo beispielsweise individuelle Besonderheiten bei der Etikettierung eine höhere Attraktivität für den Verbraucher bedeuten können.

Industrie 5.0 setzt auf Mensch/Maschine

Das ist also das Konzept, aber wie sieht es mit der Realität aus? Wie lässt sich Industrie 5.0 konkret umsetzen, um die Effizienz und Vielseitigkeit der Fabriken der Zukunft zu verbessern? Einer der wichtigsten Aspekte ist die physische Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Historisch gesehen wurden Roboterarme in Sicherheitskäfige gebaut, um den Mensch vor Schaden und Verletzungen zu bewahren. In der neuen Produktionswelt muss es jedoch ein viel engeres Miteinander geben – im wörtlichen wie auch im übertragenen Sinne.

Durch die Entwicklung so genannter Cobots wird dies offenbar möglich. Hierbei handelt es sich um eine neue Generation leichter kollaborativer Roboter, die mit zahlreichen Ortungs- und Erkennungssensoren ausgestattet sind und dadurch in Sekundenbruchteilen auf die Anwesenheit eines Menschen in ihrem Erfassungsbereich reagieren können. Die Einführung dieser kleineren, schnelleren und flexibleren Cobots ist für den Fortschritt von Industrie 5.0 von grundlegender Bedeutung, da der Mensch aufgrund dieser fortschrittlichen Cobot-Sicherheitsmerkmale bei einem breiteren Spektrum von Produktionsprozessen im Mittelpunkt stehen wird.

Diese Entwicklung ist in der Welt der Automatisierung nicht unbemerkt geblieben. Die weltweiten Hersteller von Industrierobotern wie ABB, Fanuc, Siemens und Kuka orientieren sich bei der Entwicklung und Einführung neuer Cobot-Produktreihen stärker an spezialisierten Unternehmen wie der dänischen Firma Universal Robots. Nach den Ergebnissen einer aktuellen Studie von BIS Research wird der weltweite Markt für Cobots voraussichtlich von 580 Mio. US-Dollar im Jahr 2018 auf unglaubliche 9 Mrd. US-Dollar im Jahr 2024 anwachsen.

Die Entwicklung von kollaborativen Robotern

Da immer mehr Akteure auf den Markt drängen, haben sich Cobots bereits rapide entwickelt. Die ersten Modelle waren klein und für leichte Montageaufgaben an der Seite des Menschen ausgelegt. Diese „Pioniere“ auf der Werkbank wogen normalerweise etwa zehn Kilogramm und hatten eine Nutzlast von drei Kilogramm. Aufgrund ihrer Größe und Leistungsfähigkeit waren sie ideal für automatisierte Werkbankaktivitäten geeignet, etwa für Schraubaufgaben.

Im Laufe der Zeit sind die Cobots jedoch größer und leistungsfähiger geworden, wobei die neuesten Arme eine bis zu fünfmal höhere Nutzlastkapazität haben als die ersten Modelle. Die größere Leistungsfähigkeit und ein umfangreicheres Angebot an Greifern und Werkzeugen sowie eine intuitivere Programmierung hat den Cobots ein breiteres Anwendungsspektrum eröffnet, das von der Bestückung schwerer Maschinen über Materialhandhabung, Verpackung bis zum Verschrauben von Schrauben und Muttern reicht. Diese Roboterarme können sogar in der Nähe von Mitarbeitern in der Produk­tionslinie eingesetzt werden, da sie mit umfassenden Näherungs-, Abstands- und Positionssensoren ausgestattet sind.

Anwendungen für Industrie 5.0 finden

Cobot-Entwicklung: die ersten Modelle wogen nur 10 kg
Cobot-Entwicklung: die ersten Modelle wogen nur 10 kg
(Bild: Mouser )

Mit der Leistungssteigerung der Cobots hat sich auch die Akzeptanz dieser Roboterarme in der Industrie erhöht, wobei sich eine Reihe von interessanten Anwendungsbereichen abzeichnet. Im Automobilsektor gehört beispielsweise die PSA-Gruppe mit ihren Marken Peugeot, Citroën, Opel und Vauxhall zu den Early Adoptern. PSA setzt Cobots für Schraubanwendungen an den Rohkarosserie-Montagelinien ein. Dabei ziehen die Mitarbeiter einen Cobot in Position, um Schrauben auf beiden Seiten der Fahrzeuge zu befestigen, die sich gleichzeitig entlang der Fertigungsstraße bewegen. Sobald der Cobot seinen Arbeitsschritt abgeschlossen hat, dreht er um und kehrt selbst in eine Ausgangsposition zurück, bevor er für das nächste Fahrzeug wieder herangezogen wird. Laut PSA hat diese Anwendung sowohl zu Kosteneinsparungen als auch zu verbesserten geometrischen Toleranzen geführt.

Andere Automobilhersteller haben beim Einsatz von Cobots in ihren Fertigungsanlagen ebenfalls proaktiv gehandelt. BMW setzt Cobots für Nietaufgaben bei Crash-Can-Baugruppen ein, die in der Vergangenheit noch manuell ausgeführt wurden. Die Mitarbeiter sind bei diesem Arbeitsprozess mit anderen Montageaufgaben beschäftigt, während die Cobots gleichzeitig die entsprechenden Nietaufgaben durchführen. Der Cobot-Einsatz hat dramatische Auswirkungen auf die Taktzeiten, die von 64 Sekunden auf 52 Sekunden reduziert werden konnten.

Auch die Automobilzulieferer setzen bereits Cobots ein, beispielsweise bei kritischen Prüfaufgaben am Ende der Produktionslinie von Komponenten. In der Automobilbranche werden fast täglich neue Anwendungen gefunden, wobei ein kürzlich veröffentlichter Bericht von Kenneth Research vorhersagt, dass Absatz und Umsatz durch Cobots in der Automobilindustrie bis 2022 jährlich um etwa 43% oder mehr steigen werden.

In anderen Bereichen werden Cobots für sehr unterschiedliche Aufgaben eingesetzt. In der Metallindustrie kommen sie beispielsweise bei normalerweise sehr arbeitsintensiven Polier- und Entgratungsaufgaben zum Einsatz. Einem Bericht des Automatisierungsspezialisten WiredWorkers zufolge polieren Cobots nachweislich sowohl flache als auch unebene Oberflächen mit wiederholbarer und gleichbleibender Qualität. Dabei ist die Kraftkontrolle einfach zu programmieren und es besteht die Möglichkeit, die Einstellungen für neue Produkte schnell zu ändern. Cobots werden auch zunehmend für das Be- und Entladen von CNC-Maschinen eingesetzt, was für Mitarbeiter im Metallsektor körperlich anstrengend und manchmal auch gefährlich sein kann.

Sogar auf dem Herstellermarkt finden Cobots eine neue Rolle: Startups in der additiven Fertigung beginnen Cobots für die Personalisierung von 3D-gedruckten Teilen einzusetzen. Hier können Cobots bei der Herstellung verschiedener Oberflächen und Gravuren helfen. Diese maßgeschneiderte Produktindividualisierung könnte beispielsweise ein attraktives Produktmerkmal für Geräte in der Unterhaltungselektronik sein. Im Schmucksektor untersuchen Kunsthandwerker, wie Cobots zur Unterstützung bei der Auswahl, Platzierung und Verschönerung von Edelsteinen eingesetzt werden könnten.

Die Einstellung zur Automatisierung ändern

Es ist offensichtlich, dass Cobots in zahlreichen Branchen ein Potenzial besitzen. Aber während Umfang und Ausmaß ihres Einsatzes sich je nach Branche sehr deutlich unterscheiden, gibt es eine Konstante, die immer berücksichtigt werden muss: Es ist ein kultureller Wandel in der Einstellung gegenüber der Automatisierung notwendig. Die Geschichte der Automatisierung basiert auf festgesetzten Parametern: Roboter mussten ihre Rollen meist hinter abgezäunten Bereichen erfüllen.

Die neue Welt von Industrie 5.0 betrachtet Roboter und Menschen jedoch als Mitarbeiter und nicht als Konkurrenten. Sie arbeiten gemeinsam und müssen daher eine neue Art von Beziehung aufbauen, die ein völliges Umdenken voraussetzt.

Das ist auch Teil einer breiteren Debatte über das Spannungsfeld zwischen Automatisierung und der Forderung nach menschlichem Input. Das vorherrschende Denken war bislang, dass der Vormarsch der Maschinen letztendlich zu weitreichenden Arbeitsplatzverlusten in allen Industriesektoren führen würde. Industrie 5.0 verändert diese Debatte und führt den Menschen wieder in einer Weise in die Produktionsprozesse ein, dass er mehr wertschöpfende Funktionen übernimmt.

Dies spiegelt sich auch in den Ergebnissen eines großen Berichts des Weltwirtschaftsforums wider, in dem die sich verändernden globalen Qualifikationsanforderungen bis 2022 bewertet werden. Da die Automatisierung immer durchdachter und effizienter wird und in den Schlüsselsektoren immer häufiger zum Einsatz kommt, werden einige traditionelle Rollen zweifellos aussterben. Diese werden jedoch unweigerlich durch andere aufstrebende Disziplinen ersetzt werden, die sich auf Bereiche wie Big-Data-Analysen, Künstliche Intelligenz, Software und Anwendungen sowie digitale Transformation konzentrieren. Diese neuen Rollen fügen sich nahtlos in die Welt von Industrie 5.0 ein und untermauern die neue und stark kooperativ geprägte Beziehung zwischen Mensch und Maschine. Laut dem Bericht wird diese Verlagerung wahrscheinlich zu 133 Millionen neuen Rollen führen und gleichzeitig etwa 75 Millionen Arbeitsplätze kosten. Das deutet darauf hin, dass eine verstärkte Automatisierung insgesamt einen Nettogewinn bringen wird.

Auf dem Weg zu intelligenteren Produktionssystemen

Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass der technologische Fortschritt im Industriesektor rasant voranschreitet. Industrie 4.0 und Industrie 5.0 mögen vielleicht nur Schlagworte sein, die die Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Industrie 4.0 und 5.0 verkörpern aber gleichzeitig einen echten Wandel in der Art und Weise, wie wir Produkte in hochautomatisierten Umgebungen entwerfen, bauen und pflegen. Diese Verschiebung wird in zunehmendem Maße zu einer symbiotischen Beziehung zwischen Maschinen und dem menschlichen Verstand führen. Und in dieser Verflechtung von Fähigkeiten liegt das Potenzial, die „intelligenteren“ und effizienteren Fabriken der Zukunft zu schaffen.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 10/2020 (Download PDF)

* Lee Hibbert schreibt Fachbeiträge für Mouser Electronics

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