Arbeit

Schrauben, die wissen, was sie zu tun haben. Gabelstapler, die sich allein in den Werkshallen zurechtfinden. Zubehörteile, die sich melden, wenn sie gesucht werden. Was noch klingt wie Zauberei, ist bereits im Entstehen: die Arbeitswelt der Zukunft.

Eines wird die Fabrik der Zukunft sicherlich niemals sein – eine Spielwiese von Robotern, die wie Geister durch die Gänge schweben oder wie menschenähnliche Maschinen auf zwei Beinen durch die Hallen laufen. Die Revolution in den Werkshallen spielt sich unsichtbar und im Kleinen ab. Die Fabrik von morgen wird aus intelligenten Bauteilen, Werkzeugen und Apparaten bestehen, die mitdenken und sagen, was mit ihnen zu geschehen hat. Selbst die kleinste Schraube wird ihren Weg allein finden – dank eines winzigen Senders, der ihr den Weg weist.

Experten wollen die Abläufe in großen und komplexen Industrieanlagen einfacher und zuverlässiger machen – etwa die Produktion in Autofabriken. So, wie er jetzt abläuft, ist der Fahrzeugbau im Grunde ein logistisches Wunder. Eine beinahe unüberschaubare Menge an Stahlblechen, Kunststoffteilen oder Elektromotoren muss richtig zusammengesetzt und zur rechten Zeit angeliefert werden. Vom VW Golf gäbe es rein theoretisch drei Milliarden verschiedene Varianten, würden alle Ausstattungs- und Bauteilalternativen beliebig miteinander kombiniert! Kein Wunder, dass trotz aufwändiger Planung nicht immer alles glatt läuft. Bauteile landen auf dem falschen Fließband, die Werkzeuge verschwinden, und Maschinen fallen ohne Vorwarnung aus.

Abhilfe sollen zukünftig Minisender schaffen. Diese so genannten Transponder bestehen aus einem kleinen Datenchip und einer winzigen Antenne. Durch ein elektrisches Feld lässt sich das digitale Hirn aktivieren. Es sendet einen Erkennungscode und gespeicherte Daten zurück. Die Vision der Forscher: In Zukunft werden Bauteile, Maschinen oder Werkzeuge bereits beim Zulieferer mit Transpondern beklebt. In der Eingangsschleuse der Autofabrik erweckt sie ein Lesegerät dann zum Leben: In Sekundenschnelle funken sie ihre Daten an eine Informationszentrale. Diese erkennt die Ladung, bucht sie automatisch in den Lagerbestand ein und mobilisiert den nächsten freien Gabelstapler. Auf dessen Dach wiederum befindet sich ein weiterer Transponder, der von über die Halle verteilten Hochfrequenzantennen aktiviert wird. Sie senden schwache elektromagnetische Wellen aus, orten per Kreuzpeilung den Gabelstapler. Vom Zentralrechner erhält der Fahrer über Bordlautsprecher den Befehl, die Kiste am Wareneingang abzuholen. Ist der Gabelstapler zur Stelle, folgen weitere Anweisungen vom Tonband. »Achtung, die Transportbox enthält 100 Motoren für elektrische Fensterheber. Bitte weiterleiten zum Einbau an Roboterstation 24 in Halle 15.« Der Stapler fährt los und wird automatisch durch das endlose Gewirr aus Gängen und Fließbändern zum richtigen Arbeitsplatz dirigiert.

Selbst Schrauben sollen in Zukunft mit winzigen Funketiketten ausgestattet werden, damit sie ihren Bestimmungsort mitteilen können. Abgestellte Container werden sich von allein zu Wort melden, wenn sie in Vergessenheit geraten. Und eine Palette, die von A nach B verschoben wurde, lässt sich dank ihrer Transponder-Kennung und der Funkpeilung auch im größten Lager-Gewimmel schnell wiederfinden.

All das ist heutzutage zwar noch nicht geschafft, aber Ingenieure und Entwickler sind diesem Szenario trotzdem schon recht nahe gekommen. Mit streichholzschachtelgroßen Transpondern werden Transportschlitten ausgestattet, auf denen Karosserien von Roboterstation zu Roboterstation durch die Fabrikhallen reisen. Darauf sind alle wichtigen Daten des zukünftigen Autos gespeichert, wie etwa die Lackfarbe oder der Sitzbezug. So entsteht mit Sicherheit das Auto, das der Kunde bestellt hat. Entscheidend ist, dass die Transponder, anders als beispielsweise Strichcodes auf Kekstüten, wieder beschreibbar sind. An jeder Station können Kontrolldaten gespeichert werden. So lässt sich die Produktion zurückverfolgen, denn das Produkt ist Träger seiner eigenen Herstellungsgeschichte. Ein weiterer Vorteil der schlauen Etiketten: Fällt der Hauptrechner aus, können die einzelnen Roboterstationen trotzdem weiterarbeiten. Schließlich sagen ihnen die kleinen Datenträger ja, was zu tun ist.

Forscher vom Auto-ID-Center des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben untersucht, welche der heute noch fantastisch anmutenden Transponder-Anwendungen zu vertretbaren Kosten verwirklicht werden könnten. Mit einem Flugzeughersteller entwickelten die Wissenschaftler beispielsweise einen »intelligenten Werkzeugkasten« für die Wartung von Jets. Jede Zange, jeder Schraubenzieher ist mit einem Transponder versehen. Entnommene Werkzeuge werden vom Mini-Computer im Kasten als fehlend eingebucht. Vergisst ein Mechaniker, eine Zange zurückzulegen, schlägt die Kiste bei Schichtende Alarm. Kein Flieger darf die Halle verlassen, ehe das Werkzeug gefunden wurde. Denn niemand weiß, ob es nicht vielleicht in einem Flugzeug vergessen wurde – möglicherweise an einer sensiblen Stelle wie etwa dem Triebwerk.

Keine Frage: Die Transponder-Technologie macht schon jetzt manches möglich. Noch aber gibt es viele ungelöste Probleme. Bisher existiert zum Beispiel kein Super-Transponder, der sich sowohl aus der Nähe als auch über mehrere Hundert Meter orten lässt. Schwierigkeiten entstehen auch, wenn Transponder auf Metallgegenstände geklebt werden – das Metall kann die elektromagnetischen Signale verfälschen. Und sind in einem Haufen vieler kleiner Bauteile alle Stücke mit einem eigenen Transponder ausgerüstet, kommt es zu Signalüberschneidungen.

Nicht nur Transponder sollen die Arbeit in der Fabrik von morgen erleichtern. Eine andere Technologie der Zukunft: bunte Montage-Animationen, die dem Mechaniker auf eine Datenbrille gespielt werden. Vor allem für Flugzeugbauer wäre diese Augmented Reality (AR, erweiterte Realität) ein Segen. Denn im Grunde ist jedes Flugzeug ein Unikat mit seinen eigenen Ausstattungsmerkmalen – für die Monteure also alles andere als Routinearbeit. Statt dicke Handbücher zu wälzen, sollen die Mechaniker der Zukunft leichte Kopfsets tragen, die aus der Datenbrille und einem winzigen Kamerasystem bestehen. Während eine Kamera das Blickfeld des Mechanikers aufnimmt, spielt ein kleiner Projektor eine Montagegrafik auf die Brille – und zwar so, dass sich das reale Bild und die Animation direkt überlagern. »Schraube mit einem Newtonmeter anziehen«, steht da zum Beispiel, und ein blinkender Pfeil zeigt auf die entsprechende Mutter.

Vor wenigen Wochen ging nach mehreren Jahren das weltweit einmalige Forschungsprojekt Arvika zu Ende, das ausloten sollte, wo sich die erweiterte Realität sinnvoll einsetzen lässt. »In der Fabrik der Zukunft wird sie bei Entwicklung, Design und Produktion gute Dienste leisten«, sagt Didier Stricker, »Leiter Basissysteme« am Fraunhofer-Institut für Grafische Datenverarbeitung (IGD) in Darmstadt, der Arvikazentrale. Die pfiffige Überblendtechnik erleichtert im Flugzeugbau nicht nur die Montage, sondern auch die ausgesprochen aufwändige Dokumentation. Mechaniker müssen jeden ihrer Arbeitsgänge protokollieren. Rund 40 Prozent ihrer Arbeitszeit gehen jetzt noch für diese detaillierte Buchführung drauf. Das AR-Kopfset hingegen kann jeden Handgriff automatisch erfassen und an das Produktionssystem zurückspielen. So weiß man jederzeit über den Arbeitsablauf Bescheid.

Trotz intensiver Forschungsarbeit gibt es noch keine endgültige industrielle AR-An-wendung, sind einige Fragen offen. Probleme macht beispielsweise die zügige Erkennung des realen Bildes unter den manchmal schwierigen industriellen Bedingungen. Nicht immer wird das Bauteil richtig interpretiert. Außerdem ist die passgenaue Projektion der dazugehörigen Grafik eine echte Herausforderung. Die Animation muss so auf die Datenbrille gespielt werden, dass sie exakt den Hintergrund überlagert. Offen ist noch, wie Bewegungen oder die Blickrichtung des Monteurs verfolgt werden können. Siemens-Forscher arbeiten an einer Art Zauberstab, mit dem die Techniker auf das entsprechende Objekt deuten. Mit zwei Mini-Antennen soll nach Transponder-Prinzip die Lage des Stabs erfasst, seine Zeigerichtung erkannt werden. Vom Zentralrechner wird dann automatisch die zur Umgebung passende Grafik eingeblendet.

Dass Augmented Reality auch ohne komplizierte Datenbrille funktionieren könnte, haben IGD-Forscher beim US-Autobauer Ford gezeigt. Es wurde ein Bildschirmsystem getestet, das die Fließbandmontage erleichtert. Dazu nimmt eine Kamera Handbewegungen des Technikers auf, spielt sie auf den Bildschirm und überlagert diese mit einer Animation der richtigen Montageschritte. Angesichts solcher Erfolge ist Didier Stricker zuversichtlich, dass die erste industrielle Anwendung 2006 kommt. Ob Flugzeugbau, Autohersteller oder Chemieanlage – eines ist zukünftigen Fabriken gleich: Bevor der Bau beginnt, entsteht erst eine digitale Fabrik im Rechner. Ohne Simulation geht heutzutage nichts mehr. So können alle Szenarien durchgespielt werden, die in der Realität Zeit und Geld kosten: ein Maschinenschaden oder eine zu klein konzipierte Roboterstraße. Stets liefert der Computer einen Lösungsvorschlag. Hersteller können ihre Entscheidungen überprüfen, noch bevor sie in Maschinen investieren. »Mancher Planer ist heilfroh, wenn ihm die Simulation rechtzeitig sagt, dass er sich arg verkalkuliert hätte«, sagt Jürgen Bischoff, Fabrikexperte vom Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionsautomatisierung. Er hat Pläne gesehen, bei denen wichtige Maschinen völlig unzugänglich aufgebaut oder statt des Tagessolls von 600 Neuwagen nur 500 Autos gefertigt worden wären. Erst die Simulation brachte es an den Tag.

Inzwischen existieren Simulationsprogramme, mit denen sich – wie die maßgeschneiderte Küche im Küchenstudio – aus verschiedenen Fabrikbauteilen ganze Fertigungsstraßen aufstellen lassen. Das beschleunigt die Planung enorm. Und das ist wichtig, denn man steht heute generell unter Zeitdruck. Neue Produkte kommen immer schneller auf den Markt. »Bei Elektrokonzernen sind rund 80 Prozent der Produkte jünger als fünf Jahre. Das muss eine Fabrik erst mal bewältigen können«, sagt Bischoff. Früher dauerte es etwa fünf Jahre, bis ein neues Automodell präsentiert wurde, heute nur noch zwei. Fertigungsstraßen oder ganze Werke müssen innerhalb von Monaten konzipiert sein – und am Ende trotzdem funktionieren.

Die Entwicklung schlagkräftiger Simulationsprogramme ist eine Kunst für sich: Die wirkliche Herausforderung liegt nicht allein im Design einer Grafik, sondern darin, eine komplette Fabrik in all ihren Abläufen, den Geschwindigkeiten der Fließbänder, den Lieferterminen, den Ausstattungsvarianten eines Autos, Pannen und Verzögerungen im Computer nachzubauen. Allein die Datenbeschaffung frisst etwa ein Drittel der Entwicklungszeit. Einmal geschaffen, eignet sich solche Software nicht nur zur Planung der Fabrik. Sie kann auch während des Betriebes eingesetzt werden – als eine Art Pannenhelfer, der auf die Schnelle die Produktion umplant, wenn eine Maschine streikt oder ein Lieferant auf sich warten lässt. Nur eines gibt es noch nicht, sagt Bischoff, die »echte« digitale Fabrik – das originalgetreue Modell der realen Industrieanlage, das in Echtzeit die Bewegung der Wirklichkeit simuliert, dessen digitales Herz im Takt der echten Maschinen tickt und das sofort spürt, wenn etwas nicht stimmt. Das ist tatsächlich noch Zukunftsmusik.