Part manufacturing under reduced workforce restrictions (PartRe²Work)

Abstract

Part manufacturing is a central area of industrial production where products are manufactured through processes such as turning and milling. Despite increasing automation, continuous human intervention for tasks such as machine setup, process monitoring, maintenance, and quality control is required. This dependence on qualified personnel makes production systems vulnerable to workforce restrictions arising from pandemics or shortage of skilled workers. Visualization technologies, communication systems, collaborative robotics, and solutions for remote access and control offer potential to address these challenges. They enable the development of telecollaboration modes that can mitigate personnel shortages. The project "Par-tRe²Work" investigated how telework can be systematically integrated into part manufacturing. The project’s objective was the design and validation of remote collaboration modes based on human-centered design principles. This included task analysis to identify the remote potential of various activities, task redesign for redistribution between on-site and telework, and ensuring usability through human-centered design methods. For implementation, use cases with varying automation levels were defined, technical systems were modeled, and task sequences were analyzed and evaluated regarding their telework suitability. Based on functional and non-functional requirements, design solutions were developed for collaboration modes that integrate remote assistance, remote maintenance, and remote control. Storyboards and wireframes served to visualize complex integration scenarios and enabled the derivation of technical requirements with human-centered focus. Iteratively, both implementations with reduced development effort based on existing infrastructure and advanced integration solutions were developed. The implemented approaches enable capturing the display and control panel information independent of automation level and without direct intervention in machine control. Evaluation was conducted through controlled user studies, usability assessments, and measurements of operational performance. Validation in various experimental scenarios showed that manually required on-site time could be reduced by 36% while productivity remained nearly constant at 99.6% to 99.9%. In multi-machine experiments, walking distances were reduced by 50%, and assistance experiments showed a marked reduction in assistance duration. Project results were transformed into a generalized framework that provides a methodology for integrating telework. The framework considers immediate implementation requirements and long-term development perspectives. The results demonstrate that telework in manufacturing does not replace traditional workflows but offers important opportunities to adapt production systems to operational challenges such as labor shortages. Die Teilefertigung ist ein zentraler Bereich der industriellen Produktion, in der Produkte durch Verfahren wie Drehen und Fräsen hergestellt werden. Trotz zunehmender Automatisierung erfordert sie weiterhin kontinuierliche menschliche Intervention, etwa für Maschineneinrichtung, Prozessüberwachung, Wartung und Qualitätskontrolle. Diese Abhängigkeit von qualifiziertem Personal macht Produktionssysteme besonders anfällig für Personaleinschränkungen, wie sie etwa durch Pandemien oder den Fachkräftemangel entstehen können. Visualisierungstechnologien, Kommunikationssysteme, kollaborative Robotik sowie Lösungen für Fernzugriff und -steuerung bieten das Potenzial, diese Herausforderungen zu adressieren. Sie ermöglichen die Entwicklung von Telekollaborationsmodi, die Personalengpässe abfedern können. Im Projekt „PartRe²Work“ wurde untersucht, wie Telearbeit systematisch in die Teilefertigung integriert werden kann. Ziel des Projekts war die Gestaltung und Validierung von Telekollaborationsmodi auf Basis menschzentrierter Designprinzipien. Dazu gehörten die Aufgabenanalyse zur Identifikation der Telearbeitseignung verschiedener Tätigkeiten, die Aufgabenumgestaltung zur Neuverteilung zwischen Vor-Ort- und Telearbeit sowie die Sicherstellung der Nutzerfreundlichkeit durch menschenzentrierte Designmethoden. Zur Umsetzung wurden Anwendungsszenarien mit unterschiedlichen Automatisierungsgraden definiert, technische Systeme modelliert und Aufgabenabläufe analysiert sowie hinsichtlich ihrer Telearbeitseignung bewertet. Auf Grundlage funktionaler und nicht funktionaler Anforderungen entstanden Designlösungen für Kollaborationsmodi, die Fernunterstützung, Fernwartung und Fernsteuerung vereinen. Storyboards und Wireframes dienten zur Visualisierung komplexer Integrationsszenarien und ermöglichten die Ableitung technischer Anforderungen mit menschenzentriertem Fokus. Iterativ wurden sowohl Implementierungen mit reduziertem Entwicklungsaufwand auf Basis bestehender Infrastruktur als auch fortgeschrittene Integrationslösungen entwickelt. Die umgesetzten Ansätze erlauben unter anderem die Erfassung von Display- und Bedienpanelinformationen unabhängig vom Automatisierungsgrad und ohne direkten Eingriff in die Maschinensteuerung. Die Evaluation erfolgte über kontrollierte Nutzerstudien, Nutzerfreundlichkeitsbewertungen und Messungen der operativen Leistungsfähigkeit. Die Validierung in verschiedenen experimentellen Szenarien zeigte, dass die manuell benötigte Vor-Ort-Zeit um 36 % reduziert werden konnte, während die Produktivität mit 99,6 % bis 99,9 % nahezu konstant blieb. In Multi-Maschinen-Versuchen konnten zudem Laufwege um 50 % reduziert werden, und Assistenzversuche zeigten eine deutliche Verkürzung der Assistenzdauer. Die Projektergebnisse wurden in ein generalisiertes Framework überführt, das eine Methodik zur Integration von Telearbeit bietet. Das Framework berücksichtigt unmittelbare Implementierungsanforderungen und langfristige Entwicklungsperspektiven. Die Ergebnisse zeigen, dass Telearbeit in der Fertigung keine traditionellen Arbeitsabläufe ersetzt, aber wichtige Möglichkeiten bietet, Produktionssysteme an betriebliche Herausforderungen wie Arbeitskräftemangel anzupassen.