Digitale Produktionsplanung mittels Human-Simulation

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Die steigende Datenflut und Komplexität bei Produktionsplanung, Industrial Engineering und Fertigung sowie neue technische Lösungsmöglichkeiten der „Smart Factories“ und nicht zuletzt der demografische Wandel erfordern ein Umdenken in der Art und Weise der Durchführung planerischer Aufgaben. Dabei werden Softwarelösungen die Arbeit der Zukunft in Bezug auf die Mensch-Maschine-Schnittstelle nachhaltig beeinflussen.

Von Carsten Otto, Jens Trepte und Sascha Ullmann

Seit einigen Jahren finden im Bereich der Produktionsplanung weitreichende Entwicklungen statt, welche nachfolgend vorgestellt werden. Diese Entwicklungen können, korrekt angewendet und unternehmensspezifisch integriert, einen Quantensprung von der 2D-tabellarischen Planung zur 3D-Simulation und Optimierung darstellen. Hauptelement der digitalen Arbeitsplatz- und Prozessgestaltung bilden sogenannte „digitale Menschmodelle“ als effiziente Instrumente zur Visualisierung, Überprüfung und Sicherstellung schlanker Planungsprozesse. Gleichzeitig können diese genutzt werden, um bereits im Vorfeld Risiken schlechter ergonomischer Bedingungen zu erkennen und die gezielte Optimierung zu unterstützen.

Wunsch nach einer digitalen Abbildung des Menschen in der Produktionsplanung

Zur Prädiktion menschlicher Arbeitsabläufe ohne kostenaufwendige und zeitintensive Nutzung von Prototypen und Mock-ups entstand schon bald der Wunsch nach einer digitalen Abbildung des Menschen und seiner Arbeitsumgebung. In den letzten 40 Jahren sind eine Vielzahl verschiedener Menschmodelle unterschiedlicher Anwendungsgebiete entstanden.

Kieler Puppe

Geistige Vorgänger digitaler Menschmodelle waren insbesondere zur Produktgestaltung Körperumrissschablonen wie die „Kieler Puppe“. Diese ermöglichten bereits in der Planungsphase die Auslegung von Arbeitsplätzen auf Basis anthropometrischer Maße. Mit der manuellen Einstellung einzelner Körpersegmente konnten Greifräume und notwendige Körperfreiräume bestimmt werden. Neue digitale Menschmodelle und deren Softwaresysteme zur Human-Simulation ermöglichen heute abseits reiner Posenerstellung eine vollständig digitale Abbildung und Simulation von Arbeitsprozessen inklusive Ergonomie- und Zeitbewertungen.
Digital Engineering beschreibt heute einen ganzheitlichen Entwicklungs- und Planungsansatz unter Verwendung von Softwarelösungen, die nicht mehr als Stand-alone-Lösung Teilprozesse unterstützen, sondern sich vielmehr als integraler Bestandteil in die Softwarelandschaft der Unternehmen einordnen und idealerweise eine durchgängige Prozesskette beschreiben.

Erhöhung der Planungsqualität

Der Einsatz digitaler Planungswerkzeuge zielt auf die Erhöhung der Planungsqualität durch virtuelle Abbilder und Simulationen. Ausgangspunkt für die Planung sind die 3D-Produktdaten, welche in der Produktentwicklung erzeugt werden. In Verbindung mit weiteren Geometriedaten wie Fabrikstruktur, Betriebsmittel oder Fördertechnik werden Prozessdaten ergänzt und zu einem digitalen Planungsmodell zusammengefasst.

Ergonomische Gestaltung der Arbeitsumgebung

Das Ziel der ergonomischen Arbeits- und Produktgestaltung ist die menschzentrierte Sicherstellung schädigungsloser Arbeitsbedingungen. Die Vermeidung unnötiger Bewegungen und der Handhabung schwerer Lasten reduziert Fertigungszeiten und kann im Hinblick auf die Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit zur Gewährleistung wertschöpfender Prozesse und zum Motivationserhalt dienen. Ein entscheidender Vorteil der Übertragung ergonomischer Themenstellungen in die digitale Welt besteht in der Berücksichtigung der prospektiven und korrektiven Arbeitsgestaltung in nahezu allen Phasen des Produktentstehungsprozesses.

Ausführbarkeits- und Erträglichkeitsanalysen

Ausführbarkeits- und Erträglichkeitsanalysen können in der Planung, Realisierung und zur kontinuierlichen Verbesserung von Produkten, Prozessen und Arbeitssystemen eingesetzt werden.
So können mit Hilfe digitaler Menschmodelle die Machbarkeit von Arbeitsprozessen für unterschiedliche Mitarbeitergruppen auch in Engpassbetrachtungen (kleinste Frau/größter Mann) im Vorfeld einbezogen und validiert werden. Gleichzeitig stehen Methoden zur zielgerichteten fähigkeitsgerechten Arbeitsgestaltung zur Verfügung. Diese ermöglichen die Schaffung neuer oder die Optimierung bestehender Arbeitsprozesse hinsichtlich demografiefester Arbeitsplätze und ermöglichen zum Beispiel die (Re-)Integration leistungsgewandelter und älterer Mitarbeiter in wertschöpfende Produktionsbereiche.

Neue Herausforderungen in der Produktionsplanung

Einhergehend mit der zunehmenden Digitalisierung zeigen sich neue Herausforderungen bei der Integration in bestehende und neue Geschäftsprozesse. Hierzu sollte ein Umdenken von der „klassischen“ Planung mit Excel-Tabellen, PowerPoint-Präsentationen oder Handskizzen hin zu einem ganzheitlichen digitalen Planungsprozess stattfinden. Dies führt zur Notwendigkeit einer fachbereichs- und softwareübergreifenden Datendurchgängigkeit. Aktuelle Softwaresysteme besitzen bereits diverse Schnittstellen, welche erkannt und gegebenenfalls angepasst werden müssen, um auf die jeweiligen unternehmensspezifischen Anforderungen des Planungsprozesses zu passen.

Integration in den gesamten Prozess

Hierbei zeigt sich auch, dass der Digitalisierungsprozess ein mitunter langwieriger Prozess sein kann, der nicht nur aus der Beschaffung einzelner Softwarelösungen, sondern auch in der Integration dieser in den gesamten Prozess besteht. Hierzu gehören die Ausbildung des Personals sowie die Neueinstellung von qualifizierten Mitarbeitern zur Anwendung der Software. Zudem können neue Stellenbeschreibungen entstehen, wie zum Beispiel der „digitale Planer“. Dieser könnte sich von seinen klassischen Funktionen der Datenerstellung und -haltung lösen auf Kernaufgaben der Prozessgestaltung und -optimierung konzentrieren.

Rückfluss der Ergebnisse in weiterführende Systeme

Eine weitere Herausforderung besteht im Rückfluss der Ergebnisse aus der digitalen Prozesssimulation in weiterführende Systeme. Geplante Prozesse und Ressourcenanordnungen sollen zum Beispiel weiter zur Layoutplanung genutzt werden können. Dabei besteht hier auch großes Potential zur Effizienzsteigerung. Zum Beispiel ermöglichen Systeme der virtuellen Realität eine ortsunabhängige Kommunikation mit gleicher Visualisierungsplattform. Insbesondere in Produktionsplanungs-Workshops, Prozessdurchsprachen und Verbesserungsprozessen können diese Systeme zu Kosteneinsparungen führen.

Schlankere Arbeitsprozesse

Im Zusammenspiel der digitalen Produktionsplanung und virtueller Ergonomie können mit neuen Planprämissen, wie steigende Variantenvielfalt und neue Belegschaftsstrukturen, in der digitalen Welt effiziente und schlanke Arbeitsprozesse konzipiert und validiert werden. Die Übertragung in weitere Softwaresysteme hilft anschließend dabei, die geplanten Prozesse bedarfsgerecht weiter aufzubereiten und schließlich auch umzusetzen. Neue Möglichkeiten der virtuellen und erweiterten („Augmented“) Realität ermöglichen eine effiziente Kommunikation und einen Abgleich der Vor-Ort Bedingungen mit den geplanten Konzepten. Hierbei überwiegen die Vorteile der Digitalisierung deutlich und werden die klassische Planung schrittweise ablösen.             SG

Autoren: Dipl.-Ing. Carsten Otto, Fachbereichsleiter Fertigungsprozessentwicklung, Dr.-Ing. Jens Trepte, Geschäftsführer, Sascha Ullmann, Teamleiter Ergonomieberatung & virtuelle Ergonomie, imk automotive GmbH.

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