Kollaborative Roboter: Echte Lösungen für den Fachkräftemangel in der Fertigung

Sind Cobots die Antwort auf den Mangel an qualifizierten Arbeitskräften in der Fertigungsindustrie?

Fragt man den Inhaber einer Maschinenbaufirma oder eines Blechbearbeitungsbetriebs nach dem größten Hindernis für das Unternehmenswachstum, erhält man höchstwahrscheinlich immer dieselbe Antwort: Es ist nicht der Mangel an Betriebskapital, der sie ausbremst, noch ein Mangel an fortschrittlicher Technologie, sondern etwas viel Grundlegenderes: die Notwendigkeit, jemanden zu finden, der einen grünen Knopf drückt oder Kartons packt. „Wir finden nicht genug Leute“, hört man immer wieder.

Als wäre das nicht genug, stehen auch jene, die ihre Personalprobleme irgendwie gelöst haben – durch Partnerschaften mit Berufsschulen in der Region oder interne Weiterbildungsprogramme – vor einem ebenso großen Hindernis: dem harten Wettbewerb von Herstellern in Niedriglohnländern. Wie soll man über Wasser bleiben, wenn die Personalkosten der Konkurrenz nur einen Bruchteil der eigenen ausmachen?

Personalverstärker

Die Lösung liegt auf der Hand: automatisieren. Geht man durch die Gänge eines Automobilwerks, sieht man unweigerlich Scharen gelber, orangefarbener oder weißer Roboter, die lange Montagelinien bedienen. Dasselbe gilt für jeden großen Fertigungsbetrieb, wo Industrieroboter Teile in Bearbeitungszellen be- und entladen, Werkstücke lackieren oder Komponenten in automatisierten Schweißzellen fügen. Personalproblem gelöst.

Aber was ist mit dem Rest der Fertigungswelt, wo geringere Produktionsmengen die Automatisierung zu einer fragwürdigen Investition machen? Jeder weiß, dass Industrieroboter teuer sind. Sie erfordern qualifizierte Techniker für die Programmierung und aufwendige Schutzeinrichtungen oder Lichtvorhänge, um Verletzungen menschlicher Kollegen zu vermeiden. Das Umrüsten von einem Auftrag auf den nächsten kostet wertvolle Zeit, ganz zu schweigen von der Notwendigkeit spezieller Greifer, Förderbänder für den Materialtransport in und aus dem Arbeitsbereich des Roboters und der routinemäßigen Wartung eines weiteren Stücks Shopfloor-Ausrüstung.

Eine universelle Lösung

Obwohl die Herkunft der Begriffe „kollaborativ“ und „Cobot“ heftig diskutiert wird, ist eines klar: Vor etwa 10 bis 15 Jahren versuchten mehrere Robotik-Anbieter, den Aufwand mit einem neuen Automatisierungsansatz zu lösen. Der UR5 „kollaborative“ Roboter von Universal Robots (Odense, Dänemark) versprach beispielsweise, Schutzzäune überflüssig zu machen. Die Installation soll weniger als eine Stunde gedauert haben. Die Touchscreen-Oberfläche sei so einfach, dass sie jeder bedienen könne, und der Roboter sei leicht genug, um ihn dorthin zu bewegen, wo er gebraucht wird. Und zu einem Preis, der weit unter dem vergleichbar großer Industrieroboter liege, würden Cobots bald in Betrieben jeder Größe zu finden sein, prophezeite das Unternehmen.

Sie hatten recht. Andere Robotik-Firmen zogen bald nach, und heute produziert praktisch jeder Industrieroboter-Lieferant entweder seine eigene Antwort auf den UR5 oder arbeitet aktiv daran. So beliebt sind Cobots geworden, dass ein aktueller Blog auf der Website der Robotic Industries Association (RIA; Ann Arbor, MI) nahelegt, dass der aktuelle Marktanteil von kollaborativen Robotern von 3 % bis 2025 verzehnfacht wird.

Eine beeindruckende Zahl, zweifellos, aber was bedeutet das für traditionelle, weniger menschenfreundliche Roboter – werden sie bald den Weg von riementriebenen Maschinen und Kohlenstoffstahl-Werkzeugen gehen? Und abgesehen von ihrem enormen Wachstumspotenzial: Sind Cobots wirklich alles, wofür sie gehalten werden, oder ist dies nur ein weiteres Beispiel für Marketing-Hype, der der Realität vorauseilt?

Weniger ist mehr

Stuart Shepherd, Regional Sales Director für Universal Robots Americas (Ann Arbor, MI), glaubt nicht daran. Es gibt sehr gute Gründe für den Hype, sagt er, darunter weniger Schutzeinrichtungen, weniger Stellfläche und weniger Bedarf an Bediener-Schulungen.

„Cobots bieten die Chance, dass Automatisierung von mehr Unternehmen und in Anwendungen eingesetzt werden kann, die zuvor nicht adressiert wurden“, so Shepherd. „Sie könnten die bedeutendste Veränderung in der Automatisierungsbranche seit der Erfindung von SPS [speicherprogrammierbaren Steuerungen] und tatsächlich der Roboter selbst sein.“

Hersteller aller Größen profitieren von den Vorteilen, die Cobots auf den Shopfloor bringen, stellt Shepherd fest. Die einfache Bedienung zusammen mit niedrigen Gesamtbetriebskosten mache sie besonders attraktiv für kleinere Unternehmen. Dies erkläre zum Teil ihr überdurchschnittliches Wachstum, so Shepherd, wobei er schnell hinzufügt, dass sich ihr Einsatz aufgrund der einfacheren Implementierung über die Fertigung hinaus auf Lebensmittelverarbeitung, Lageraktivitäten, Labor- und wissenschaftliche Anwendungen ausdehnt.

Automatisierung neu denken

Ungeachtet der breiten Anwendungsmöglichkeiten sind es im traditionellen Fertigungsbereich, wo Cobots das oben beschriebene ernste und allgegenwärtige Problem am häufigsten angehen: den Mangel an qualifizierten, verfügbaren Talenten für die Arbeit auf dem Shopfloor. Das sagt Jim Lawton, Chief Operating Officer beim Cobot-Hersteller Rethink Robotics Inc. (Boston).

„Mit ihrer Fähigkeit, Aufgaben zu erledigen, die bisher nur von Menschen ausgeführt werden konnten, spielen Cobots eine Schlüsselrolle bei der Linderung dieses Schmerzes“, sagt er. „Zudem können sie Jobs besetzen, die menschliche Arbeiter nicht gerne übernehmen – solche, die eintönig, anstrengend oder schlichtweg gefährlich sind –, was den Mitarbeitern die Möglichkeit gibt, zu attraktiveren Tätigkeiten zu wechseln.“

Industrieroboter übernehmen seit Jahrzehnten bereitwillig schmutzige Jobs. Was macht Cobots so besonders? Lawton nennt mehrere Argumente:

• Dank ihrer integrierten Kraftsensorik eignen sich Cobots perfekt für die Elektronikmontage und ähnlich filigrane Arbeiten.
• Da sie in der Regel keine Schutzzäune benötigen, sind sie auch ideal für Aufgaben wie Verpacken, Produkttests und Inspektion – und grundsätzlich für jede Umgebung, in der Menschen anwesend sind.
• Die Fähigkeit, Cobots schnell und einfach einzusetzen, macht sie ideal für kleine Losgrößen und häufige Umrüstungen – ein riesiger Trend in der Fertigung.
• Cobots können auch neben größeren Industrierobotern arbeiten und deren Arbeit ergänzen.
• Die meisten Cobots lassen sich einfach durch Führen des Arms in der Demonstration der gewünschten Aufgabe „trainieren“. Keine umfangreichen Software-Suiten sind erforderlich.
• Für saisonale Hersteller oder solche mit stark schwankender Kundennachfrage bieten Cobots eine zuverlässige, anpassungsfähige Ressource für Spitzenlastzeiten.

„Cobots geben Herstellern die Möglichkeit, heute viel mehr zu automatisieren als in den Vorjahren, was ihnen erlaubt, wettbewerbsfähig und innovativ zu bleiben – egal in welcher Branche“, so Lawton. „Kurz gesagt: Sie sind zuverlässig, effektiv und anpassungsfähig und helfen Unternehmen, erfolgreicher zu werden.“

Auf die Füße treten

Wenn Sie sich fragen, wo Ihr Betrieb einen Teil dieses Erfolgs bekommen kann, gibt es ein paar Dinge zu beachten, bevor Sie auf den Cobot-Zug aufspringen. Zum einen will kein Produktionsleiter oder Betriebsinhaber erleben, dass seine Mitarbeiter wegen einer vermeintlichen Roboter-Revolution meutern. Bei der Integration dieser neuen Technologie auf dem Shopfloor ist es wichtig, den Mitarbeitern aus Fleisch und Blut klarzumachen, dass Cobots da sind, um ihnen bei ihrer Arbeit zu helfen – nicht, sie zu ersetzen.

Der Schlüssel zur erfolgreichen Cobot-Integration beginnt auch mit der Auswahl der richtigen Aufgabe. Wie Lawton betont, liegt es fast immer daran, dass ein Cobot auf die falsche Aufgabe gesetzt wurde, wenn er nicht genutzt oder wertgeschätzt wird. „Cobots sind nicht dafür gedacht, jeden Automatisierungsbedarf zu decken, und manche Aufgaben eignen sich besser für die Technologie als andere“, sagt er. „Hier wird es wirklich wichtig, dass ein Hersteller von Tag eins an direkt mit dem Cobot-Anbieter oder -Händler zusammenarbeitet, um die richtige Applikation zu identifizieren und sicherzustellen, dass der Cobot bestmöglich eingesetzt wird. Von dort aus sind Implementierung und Integration in bestehende Prozesse reibungslos und nahtlos.“

Grünes Licht

Rick Maxwell, Director of Engineering für den Bereich General Industry und Automotive bei FANUC America Corp. (Rochester Hills, MI), stimmt zu und fügt hinzu, dass es wichtig ist, den Anwendungsbedarf zu bewerten, um die richtige Roboterlösung zu bieten. „Ist es wirklich kollaborativer Natur, oder besser für einen traditionellen Industrieroboter geeignet?“, fragt er. „Die Entscheidung, was für die Bedürfnisse des Kunden angemessener ist, wird weitgehend durch die Durchsatzanforderungen des Betriebs bestimmt, zusammen mit Gewicht und Komplexität des zu handhabenden Objekts oder Teils.“

Da liegt der Haken – etwas, worauf Befürworter traditioneller Automatisierung schnell hinweisen: Die meisten Cobots sind nicht blitzschnell. Wie Maxwell ausführt, eignen sich Cobots am besten für einfache, unkomplizierte Pick-and-Place-Anwendungen – und das in einem langsamen, stetigen Tempo. Das wird sich sicher ändern, wenn sich die Cobot-Technologie weiterentwickelt, aber vorerst zumindest erwarten Sie nicht, dass ihre Geschwindigkeit der blitzschnellen Bewegung von Industrierobotern auch nur annähernd kommt.

Aber das ist in Ordnung. Die Notwendigkeit, dass Menschen in Fertigungszellen sicher mit Maschinen interagieren, ist sehr real – eine Aktivität, die durch die Fähigkeit eines Cobots ermöglicht wird, unerwarteten Kontakt mit Objekten in seinem Arbeitsbereich zu erkennen, wodurch Einschränkungen entfallen, die sie daran hindern, Arbeitsplätze mit Menschen zu teilen. Sagt Maxwell: „Das ist ein großer Sicherheits- und Kostenvorteil, da der Roboter anstrengende Aufgaben und repetitive Operationen ausführen kann, ohne dass teure industrielle Sicherheitsbarrieren nötig sind.“

Wer kauft?

Wie andere Hersteller erhält auch FANUC eine wachsende Anzahl von Anfragen von Unternehmen, die nach einer kollaborativen Roboterlösung suchen. Etwas ironischerweise kommt ein fairer Anteil dieser Anfragen aus einer unerwarteten Quelle: größeren Herstellern, die umfangreiche Erfahrung mit Industrierobotern haben. „Möglichkeiten für kollaborative Roboteranwendungen gibt es in Unternehmen aller Größen“, so Maxwell.

Nicolas De Keijser, Assembly and Test Business Line Manager bei ABB Robotics (Auburn Hills, MI), beobachtet einen ähnlichen Trend. „Weil Cobots in der Regel einfacher zu bedienen und kostengünstiger zu integrieren sind, sind sie sehr attraktiv für kleine und mittlere Unternehmen, da sie Automatisierung zugänglicher machen“, sagt er. „Im Vergleich zu traditionellen Roboter gibt es wahrscheinlich eine gleichmäßigere Nutzung von Cobots über das gesamte Fertigungsspektrum hinweg, in Unternehmen aller Größen.“

Abgesehen von Pick-and-Place: Wofür werden Cobots eingesetzt? Vom Gesamtbedarf sind sich De Keijser und Maxwell einig, dass der Löwenanteil des künftigen Wachstums aus dem Materialhandling-Segment kommen wird, wo Cobots zum Verpacken von Teilen, Palettieren von Kartons, Beladen von Förderbändern und mehr eingesetzt werden. De Keijser fügt hinzu, dass einige Cobots besonders gut für komplexe Montageaufgaben geeignet sind, einschließlich kleiner oder empfindlicher Komponenten. Sie sind auch beliebt für das Maschinenbeladen, beispielsweise das Be- und Entladen von CNC-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren oder das Entnehmen fertiger Teile aus Spritzgussformen.

Nicht so schnell

Unabhängig von der Anwendung oder Unternehmensgröße müssen diejenigen, die an die Leistung eines Industrieroboters gewöhnt sind, sich mehrerer Dinge bewusst sein, merkt David M. Robers, Robotics Sales Manager für die Americas bei Denso Robotics (West Chester, OH) an. „Cobots werden oft in Anwendungen verkauft, in denen sie nichts zu suchen haben“, sagt er. „Ja, sie sind in Ordnung für grundlegende Pick-and-Place-Aufgaben und in Anwendungen mit relativ langen Zykluszeiten, aber die meisten können nicht mit der Geschwindigkeit und Genauigkeit eines traditionellen Industrieroboters mithalten.“

Ihre kollaborative Natur kann auch überbewertet werden. Sagt Robers: „Wenn Sie ein Messer an das Ende eines Cobots montieren, ist er nicht mehr kollaborativ. Wenn Sie einen Greifer verwenden, der in der Lage ist, jemandem in den Finger zu kneifen, dann gilt er nicht als kollaborativ. Ob es unseres oder das eines anderen ist – Sie müssen bewerten, ob die Lösung wirklich sicher ist, und gegebenenfalls die richtige Schutzeinrichtung hinzufügen.“

Es gibt auch das „Was-wäre-wenn“ zu bedenken. Nutzer, die an die Fähigkeit eines Industrieroboters gewöhnt sind, sich im Falle eines fallen gelassenen Teils zu erholen oder sich im Falle eines Stromausfalls aus der Tiefe eines Werkstücks zurückzuziehen, könnten enttäuscht sein, wenn ihr glänzender neuer Cobot menschliche Hilfe benötigt, um eine missliche Lage zu lösen.

„Wenn Sie viel Zykluszeit haben, keine extreme Wiederholgenauigkeit benötigen und Menschen im und um den Arbeitsbereich sein müssen, dann sind das vernünftige Anwendungen für einen Cobot“, sagt Robers. „Andernfalls könnte ich argumentieren, dass ein Industrieroboter die bessere Lösung ist und – je nach Ergebnis der Sicherheitsbewertung, die jeder Roboter-Kunde vor dem Kauf durchführen sollte – möglicherweise weniger Geld in der Implementierung kostet, während er größere Leistung bietet. Es gibt viel Hype um Cobots – die Leute sind begeistert, und die Theorie dahinter ist solide, aber dies ist definitiv ein Fall, in dem Käufer ihre Hausaufgaben machen sollten.“