Prävention beginnt digital

Neue Produktionsverfahren, zunehmende Automatisierung sowie der Einsatz künstlicher Intelligenz (KI) und Robotik stellen neue Anforderungen an die Planung von Fabriken und Arbeitsplätzen. Gleichzeitig prägen der demografische Wandel, der Fachkräftemangel und die nachhaltige Gestaltung von Arbeit bereits heute die betriebliche Praxis. Für Fabriken, Produktionssysteme und Arbeitsprozesse gelten daher hohe Ansprüche hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Flexibilität und Zukunftsfähigkeit. Zugleich gilt es, Sicherheit, Gesundheit und Arbeitsfähigkeit der Beschäftigten langfristig zu erhalten [1,2,3,4].

Ergonomie und Arbeitssicherheit sollten deshalb nicht erst nach der Inbetriebnahme auf der Agenda stehen, sondern bereits frühzeitig in die Fabrik-, Produktions- und Arbeitsplanung integriert werden. Prozesssimulationen und digitale Menschmodelle ermöglichen es, zukünftige Arbeitsbedingungen bereits vor der realen Umsetzung zu analysieren und unterschiedliche Gestaltungsvarianten zu vergleichen [6,7]. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor ist dabei auch die frühzeitige Einbindung der späteren Nutzer:innen [5]. Deren Erfahrungen und Anforderungen bereits während der Planung zu berücksichtigen, trägt wesentlich zur Akzeptanz neuer Lösungen bei.

Von der Fabrik bis zum Arbeitsplatz durchgängig planen am Beispiel der ema Software Suite
Die ema Software Suite [ema] unterstützt eine durchgängige digitale Planung von der Gesamtfabrik über Produktionslinien bis zum einzelnen Arbeitsplatz [8,9,10,11]. Mit den Modulen ema Plant-Designer (emaPD) und ema Work-Designer (emaWD) können Fabriken, Produktions- und Arbeitsprozesse ganzheitlich geplant, simuliert und bewertet werden. Erweiterungen für Virtual Reality (VR) sowie die Anbindung an NVIDIA Omniverse ermöglichen eine kollaborative Arbeitsgestaltung. Unterschiedliche Konzepte können dadurch bereits vor ihrer realen Umsetzung gemeinsam erlebt, bewertet und weiterentwickelt werden.

ema wird dabei branchenübergreifend u. a. in der Automobil- und Zulieferindustrie, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Elektroindustrie, im Bauwesen, in der Medizintechnik und im Gesundheitswesen eingesetzt [11]. Zu den industriellen Anwender:innen zählen z. B. BMW, CATL, HORSCH, Ottobock und Volkswagen. Darüber hinaus nutzen die AUVA, Berufsgenossenschaften sowie mehr als 70 Universitäten und Hochschulen ema in Forschung, Lehre und Weiterbildung. Abbildung 2 zeigt ausgewählte Anwendungsfelder.

Mit emaPD können Fabriken und Logistiksysteme geplant sowie Durchlaufzeiten, Kosten, Flächenbedarfe, die erforderliche Anzahl an Maschinen und Beschäftigten, deren Auslastung und mögliche Engpässe analysiert werden. Auch Materialflüsse, Wertströme, Fahrwege, Lager- und Bereitstellungsflächen sowie unterschiedliche Transportmittel lassen sich ganzheitlich betrachten und optimieren.

emaWD ermöglicht die detaillierte Planung und Simulation manueller, roboterunterstützter und automatisierter Arbeitsprozesse. Arbeitsplätze, Maschinen, Menschen und Roboter werden hierzu in einer gemeinsamen virtuellen 3D-Umgebung abgebildet [12,13]. Die simulierten Arbeitsabläufe können anhand etablierter Methoden hinsichtlich Ergonomie (z. B. nach EAWS, NIOSH, Sicht- und Erreichbarkeitsanalysen), Wirtschaftlichkeit (z. B. Normzeiten nach MTM-UAS, Wertschöpfungs- und Laufweganalysen) und Sicherheit bewertet werden. Potenzielle Gefährdungen wie Quetschstellen oder mechanische Gefährdungen können dabei bereits während der Planung identifiziert und geeignete Maßnahmen untersucht werden. Durch die Kopplung mit weiteren Planungs- und Simulationswerkzeugen lassen sich zusätzliche Fachdisziplinen in eine ganzheitliche Bewertung einbeziehen [9,12].

Die integrierte Planung macht Wechselwirkungen frühzeitig sichtbar. Eine veränderte Materialbereitstellung kann beispielsweise Laufwege verkürzen und durch geeignete Bereitstellungshöhen die Ergonomie verbessern. Gleichzeitig können ungünstige Greifpositionen oder große Reichweiten neue körperliche Belastungen und Gefährdungen verursachen. Durch die gemeinsame Bewertung wirtschaftlicher, ergonomischer und sicherheitstechnischer Kriterien lassen sich mögliche Zielkonflikte frühzeitig erkennen und geeignete Varianten entwickeln.

Arbeitsplätze ergonomisch und fähigkeitengerecht gestalten
Der Einsatz digitaler Menschmodelle in der ema Soft­ware Suite ermöglicht die Abbildung individueller Personen sowie arbeitswissenschaftlich validierter Personengruppen (z. B. F05, M50, M95) mit unterschiedlichen Körpermaßen, Beweglichkeiten, Kräften und Sichtfeldern. Alter, Geschlecht und individuelle körperliche Voraussetzungen können dabei berücksichtigt werden. Dadurch lassen sich Arbeitsplätze und Arbeitsprozesse fähigkeiten- und alter(n)sgerecht gestalten [7,12,13,4].

Ein Beispiel ist die Neugestaltung eines zentralen Vormontagebereichs für die Achsfertigung der Daimler Truck AG [15] (vgl. Abb. 1). Ziel war es, mehrere dezentrale Arbeitsplätze zusammenzuführen und zugleich geeignete Arbeitsbedingungen für Beschäftigte mit Tätigkeitseinschränkungen zu schaffen. Die Montageprozesse wurden hierfür in ema mit unterschiedlichen digitalen Menschmodellen von kleinen bis großen Personen (F05, M50, M95) sowie mit spezifischen Einschränkungen (z. B. Beweglichkeit) simuliert. Die individuellen Fähigkeiten wurden mit den jeweiligen Anforderungen der Arbeitsplätze verglichen. Die daraus abgeleiteten Konzepte wurden hinsichtlich Einsatzmöglichkeiten, Ergonomie, Prozesszeiten und Laufwegen bewertet und gemeinsam mit Fachleuten aus Planung, Fertigung und Logistik weiterentwickelt. Optimierte Materialflüsse, höhenverstellbare Arbeitsflächen, angepasste Materialbereitstellungen sowie neue Werkzeuge und Handhabungshilfen ermöglichten Tätigkeiten im Sitzen und Stehen und reduzierten körperliche Belastungen (vgl. Abb. 1). Dadurch konnten die ergonomischen Belastungen nach EAWS um rund 80 Prozent, der intralogistische Aufwand um etwa 65 Prozent und die Fertigungszeit um rund 35 Prozent reduziert werden.

Neben industriellen Anwendungen wird ema auch in anderen Bereichen wie dem Gesundheitswesen, Bauwesen, Handwerk sowie bei der Gestaltung sozialer Einrichtungen eingesetzt [16,17,18,19].

Im Bauwesen und Handwerk wird ema zur Planung ergonomischer, wirtschaftlicher und sicherer Vorfertigungen und Baustellenprozesse eingesetzt [18,19,20]. So wurden etwa für die Vorfertigung von Balkonelementen Fabriklayouts, Materialflüsse und Arbeitsprozesse virtuell untersucht. Durch angepasste Arbeitshöhen und Materialbereitstellungen (vgl. Abb. 6 oben) sowie geeignete Assistenzsysteme konnten Potenziale zur Reduzierung des Flächenbedarfs, der Laufwege und der ergonomischen Belastungen identifiziert werden. Ergänzend wurden alternative Fertigungs- und Automatisierungskonzepte sowie Einsatzmöglichkeiten für Robotik bewertet.

Neben der AUVA nutzen auch die deutschen Berufsgenossenschaften (z. B. BG Bau, BG ETEM) ema, um ergonomische Belastungen und mögliche Verbesserungsmaßnahmen virtuell zu untersuchen [19]. Unterschiedliche Arbeitsverfahren und Hilfsmittel, beispielsweise für Bau- und Reinigungsarbeiten, können bezüglich ihrer Auswirkungen auf körperliche Belastungen und Arbeitsabläufe verglichen werden. Gestaltungsmaßnahmen lassen sich dadurch bereits vor ihrer praktischen Umsetzung bewerten und weiterentwickeln (vgl. Abb. 6 unten). [24]

Mensch und Roboter sicher zusammenbringen
Mit ema können Roboterbewegungen und Mensch-Roboter-Interaktionen (MRI) simuliert sowie Arbeitsabläufe hinsichtlich ihrer Automatisierbarkeit bewertet werden. Dazu lassen sich Prozess- und Taktzeiten, Erreichbarkeiten und Aufgabenverteilungen analysieren sowie erste Greifer- und Sicherheitskonzepte entwickeln. Ein MRK-Report unterstützt die Bewertung von Robotergeschwindigkeiten, Platzbedarfen, möglichen Kollisionen und potenziellen Stoßbelastungen nach ISO/TS 15066. [12,13]

Ein MRI-Anwendungsbeispiel ist die hybride Demontage von Brennstoffzellen-Stacks. Ausgehend vom manuellen Demontageprozess wurden Automatisierungspotenziale identifiziert und unterschiedliche Mensch-Roboter-Konzepte virtuell bewertet. In Kombination mit VR konnten Fachleute die entwickelten Konzepte virtuell erleben sowie Änderungen an Layout, Materialbereitstellung und Arbeitsabläufen unmittelbar bewerten (vgl. Abb. 3 & 4). Im Ergebnis konnte die ergonomische Belastung der oberen Extremitäten gegenüber dem manuellen Prozess von 70 auf 34,5 EAWS-Punkte reduziert werden. Gleichzeitig verringerte sich der Zeitbedarf durch die Parallelisierung der Arbeitsabläufe um rund 40 Prozent.

Auch in der Aus- und Weiterbildung wird ema eingesetzt [21,22,23]. Im Building.Lab der OTH Regensburg sammeln Lernende praktische Erfahrungen mit Bau- und Handwerkstätigkeiten und untersuchen deren Automatisierung mithilfe von Baurobotik und digitaler Simulation. Ein weiteres Beispiel ist eine Roboter-Schulungszelle [24] an der DGUV-Akademie in Dresden mit einem digitalen Zwilling in ema. Die Simulation unterstützt sowohl die Konzeption der Anlage als auch die Vermittlung von Kenntnissen über das Zusammenwirken von Menschen und Robotern sowie dessen Auswirkungen auf Prozesszeit, Ergonomie, Platzbedarf und Sicherheit (vgl. Abb. 5). Mögliche Kollisionen, Stöße und Quetschstellen können anschaulich visualisiert und geeignete Schutzmaßnahmen untersucht werden. Die Verbindung von realer Lernumgebung und digitaler Simulation unterstützt den Transfer auf betriebliche Anwendungsfälle.

In ema sind zudem erste humanoide Robotermodelle (Unitree G1, NEURA N4E-1, NAO, Atlas von Boston Dynamics) prototypisch integriert. Die Bewegungsabläufe werden mithilfe des ema-Bewegungsgenerators simuliert. Darüber hinaus können Bewegungsdaten und Ausführungszeiten realer Robotersysteme in ema übertragen und könnten für die realen Use Cases genutzt werden. Perspektivisch soll damit das Zusammenwirken von Menschen, Cobots, mobilen Robotern und humanoiden Robotersystemen im Kontext vollständiger digitaler Fabriken untersucht und gestaltet werden. Zudem ist vorgesehen, ema als Bestandteil einer digitalen Toolchain für das virtuelle Training und die Validierung humanoider Robotersysteme einzusetzen.

Fazit: Prävention beginnt in der Planung
Die ema Software Suite macht damit zukünftige Arbeitssysteme frühzeitig erlebbar und bewertbar. emaAI unterstützt die automatisierte Erstellung von Simulationsmodellen und reduziert den Aufwand um bis zu 85 Prozent. Funktionen zur digitalen Risiko- und Gefährdungsbeurteilung erweitern die Möglichkeiten für eine sichere und ergonomische Arbeitsgestaltung.

Quellen für Online-Version
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[24] Saffert, A. S., Schmailzl, M., Spitzhirn, M. & Linner, T. (2024). A Cyber-Physical Toolbox for Teaching Digital Construction – Technical Configuration, Learning Tactics and Hands-On Testing and Evaluation in Dedicated Courses. In: S. Thiede & E. Lutters (Hrsg.): Learning Factories of the Future. CFL 2024. Lecture Notes in Networks and Systems, 1060. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-65400-8_10

Zusammenfassung:
Mit der ema Software Suite wird die digitale Planung von Fabriken, Arbeitsplätzen und Mensch-Roboter-Systemen unterstützt. Mithilfe von Prozesssimulationen mit digitalen Menschmodellen, Maschinen und Robotern lassen sich ergonomische, sicherheitstechnische und wirtschaftliche Aspekte bereits in frühen Planungsphasen bewerten. Praxisbeispiele aus Industrie, Bauwesen und Bildung verdeutlichen, wie die digitale Arbeitsgestaltung die Prävention unterstützt, die Planungsqualität verbessert sowie die Gestaltung effizienter und menschengerechter Arbeitssysteme ermöglicht.