Materialtransport zwischen Automatisierung und Tradition

Transportautomatisierung in der Produktionslogistik

Transportprozesse in der Produktionslogistik müssen eine zuverlässige Versorgung mit den benötigten Materialien sicherstellen und insbesondere in Hochlohnländern effizient sein, um so die Wettbewerbsfähigkeit zu gewährleisten. Für das unstete Fördern von Transporteinheiten gibt es verschiedene Anlieferungskonzepte, bei denen grundlegend zwischen Einzeltransporten (Pendelverkehr) und Sammeltransporten (Durchlaufverkehr) unterschieden wird [1].

Basierend auf dem gewählten Anlieferungskonzept (Bild 1) eignen sich verschiedene technische Lösungen zur Durchführung. Manuelle Routenzugsysteme für Sammeltransporte und fahrerlose Transportsysteme für Pendelverkehre sind im produzierenden Gewerbe weit verbreitet. Routenzugsysteme transportieren Material meist in kleinen Losen und in einer hohen Frequenz, wozu meist manuell bediente Schleppzüge mit mehreren Anhängern verwendet werden [2]. Fahrerlose Transportsysteme hingegen finden gerade im Einzeltransport von einzelnen Ladungsträgern eine immer weitere Verbreitung im produzierenden Gewerbe. Diese werden als innerbetriebliche, flurgebundene Transportsysteme mit automatisch geführten Fahrzeugen definiert [3].

Seit Jahren hält der Trend zur Automatisierung von Logistikprozessen an. Die Branche gilt als Vorbild, wie man den wachsenden Herausforderungen des Arbeitsmarkts begegnen kann [4]. Mögliche Ziele einer Automatisierung sind Kosten- und Personaleinsparungen, Standardisierungsbestrebungen, die Erhöhung der Systemleistung und gesteigerte Ergonomie [5]. Jedoch ist auch zu erkennen, dass trotz der Vorteile einer Automatisierung durch den Einsatz eines FTS, Unternehmen sich weiterhin für manuelle Routenzugsysteme entscheiden.

In diesem Artikel wird daher untersucht, welche Entscheidungsfaktoren für den Einsatz von manuellen Routenzugsystemen und gegen FTS sprechen. Semistrukturelle, leitfadengestützte Experteninterviews liefern empirische Erkenntnisse aus der Unternehmenspraxis. Die Interviews wurden mit insgesamt sechs Logistikexperten geführt, vier aus produzierenden Unternehmen der Sanitär-, Elektro- und Pharmabranche, sowie zwei aus auf Intralogistik spezialisierten Unternehmensberatungen. Diese Zusammensetzung ermöglicht eine differenzierte Betrachtung, basierend auf vielfältigen praktischen Erfahrungen mit gegenwärtig sowie in der Vergangenheit eingesetzten Transportsystemen.

Zusätzlich werden externe Trends, die die Entscheidungsfindung beeinflussen, und Erwartungen in Bezug auf die zukünftige Entwicklung des Einsatzes beider Systeme, betrachtet. Die Interview Fragen sind dabei bewusst offen formuliert, um die nötige Flexibilität zu schaffen, die es erlaubt, detailliert auf die Einschätzungen der Experten einzugehen. Basierend auf den Interviewergebnissen werden Hypothesen abgeleitet, inwiefern FTS weiterentwickelt und an die Herausforderungen der Praxis angepasst werden müssten, um zukünftig einen vermehrten Einsatz in Anwendungsfällen zu erzielen, die aktuell von manuellen Routenzugsystemen erfüllt werden. Im nächsten Abschnitt werden die aus den Experteninterviews gewonnenen Einsichten thematisch strukturiert dargestellt und im Hinblick auf die zugrundeliegenden Entscheidungsfaktoren kritisch untersucht.

Implementierung, Kosten und logistische Herausforderungen

Trotz des Bestrebens, Faktoren über eine wirtschaftliche Betrachtung hinaus zu identifizieren, bleiben der Implementierungsaufwand und die damit verbundenen Investitionen ein Schmerzpunkt für die Mehrheit der Experten. Ein manueller Routenzug zeichne sich durch niedrige Implementierungskosten, eine kurze Implementierungszeit und einen vereinfachten Prozess aus. Begründet werden diese Vorteile damit, dass eine eigenständige Inbetriebnahme möglich sei, Prozesse stückweise angepasst werden könnten und die Lösung auch bei einem nicht durchgängigen digitalen Informationsfluss einsetzbar sei, sodass es keiner komplexen Anpassungen bedürfe (z.B. bei der Verwendung von Papierdokumenten).

Demgegenüber habe ein FTS hohe Anschaffungskosten und die Implementierung sei sowohl zeitintensiv als auch kompliziert hinsichtlich erforderlicher Vorbereitungen, um eine Einsatzbereitschaft zu ermöglichen. Als Einstiegsbarrieren nennen die Experten die Integration in bestehende IT-Systeme, den Aufbau einer FTS-Leitsteuerung und die Umsetzung der Standardisierung aller beteiligten Prozesse, Informationsflüsse und Ladungsträger. Zudem verunsichere die Intransparenz der Kosten für die notwendigen Prozess- und Infrastrukturanpassungen.

Manuelle Lösungen verursachen hohe Personalkosten, die durch eine Automatisierung erheblich reduziert werden können. Trotz hoher Anschaffungskosten eines automatisierten Systems ist eine schnelle Amortisation aufgrund niedriger Betriebskosten zu erwarten. Allerdings entstehen in der Praxis oft Bedenken, dass unerwartete Kosten und Probleme die Amortisation beeinträchtigten. Es wird darauf hingewiesen, dass trotz der Automatisierung, der Prozess in geringem Umfang weiterhin manuell begleitet werden müsse. Konkret könne die Kapazität von zwei Personen, die für den manuellen Routenzug zuständig sind, auf die halbe Kapazität einer Person für die Überwachung des FTS reduziert werden. Abseits des Personals sei zu prüfen, ob die Geschwindigkeit der Fahrzeuge voll ausgenutzt werden kann, z.B. aufgrund von Mindestwegbreiten insbesondere bei gemischtem FTS- und Personenverkehr. Eine Geschwindigkeitsdrosselung verringere den Durchsatz, der die Amortisation verschlechtere und eine größere Fahrzeuganzahl erfordere. Zusätzlich bestehe auch hier Unsicherheit bezüglich des Wartungsaufwands.

Anforderungen an Flexibilität und Betriebssicherheit

Die Flexibilität der Materialflusssysteme stellt eine der grundlegende Systemkomponenten einer flexiblen Produktion dar [6]. Transportsysteme als zentraler Bestandteil dieser Materialflusssysteme übernehmen die physische Bewegung der Güter zwischen den einzelnen Stationen der Produktion.

Automatisierte Lösungen gelten aufgrund hoher Standardisierung als weniger flexibel. Sie werden auf eine maximale Transportleistung hin ausgelegt und seien bezüglich Layout- und Transportmengenänderungen aufwändig anzupassen. Ein erheblicher Vorteil manueller Routenzüge sei im Gegensatz hierzu die Flexibilität in der Transportleistung also die kurzfristig möglichen Anpassungen z.B. an dynamische Kundenanforderungen oder nicht standardisierte Prozesse (Transportmengen und -wege). Sie bieten auch eine höhere Kompatibilität mit variierenden Ladungsträgern, sowie eine hohe Routenflexibilität, da Mitarbeitende situationsabhängig auf Veränderungen reagieren können. Ein FTS weise hingegen eine hohe Expansionsflexibilität auf, da nach der ausführlichen Einrichtung zu Beginn, weitere fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) ohne zeitaufwendige Konfigurationen, zusätzliches Personal oder Mitarbeiterschulungen zur Flotte hinzugefügt werden können.

Prozessstabilität wird als Priorität betrachtet, sodass antizipierte Probleme in der Implementierung und im Betrieb neuer Systeme als ein hohes Risiko gesehen werden. Der Einsatz eines Routenzuges könne diese Bedenken mindern, da die Einsatzbereitschaft mit einer deutlich höheren Wahrscheinlichkeit schon vor der Inbetriebnahme sichergestellt werden kann. Nachteile seien die Fehleranfälligkeit durch den menschlichen Einfluss bei Betrieb und Auslegung der Versorgungsrouten. Entsprechend ergeben sich bei einer automatisierten Lösung Vorteile, da diese einen gleichmäßigen Transport ohne Unterbrechungen bei geringerer Fehlerquote und verbesserter Ergonomie ermöglicht. Darüber hinaus werde eine langfristige Stabilität durch die erhöhte Prozesstransparenz auf Basis der kontinuierlich erfassten Daten gefördert. Bedenklich sei die Prozessstabilität eines FTS jedoch während der Implementierungsphase.

Letztlich beeinflussen interne und externe Bedingungen die Einsetzbarkeit und Integration von Transportsystemen. Technische Rahmenbedingungen spielten hierbei eine zentrale Rolle. Während der manuelle Routenzug weitgehend unabhängig von bestehenden Systemen und Transportmitteln frei konfigurierbar und kurzfristig einsetzbar sei, erfordere ein FTS-Schnittstellenkompatibilität, sowie die Kommunikation mit bestehenden IT-Systemen.

Außerdem wird die Bindung an einen FTS-Hersteller aufgrund von Inkompatibilitäten in der Fahrzeugkommunikation und -steuerung unterschiedlicher Hersteller kritisiert. Routenzüge hingegen bergen Sicherheitsrisiken wegen mangelnder Einsicht und haben Wegerestriktionen. Sie können in schmalen Kurven aufgrund des Kurvenversatzes nicht eingesetzt werden.

Ein FTS könne dort zwar eingesetzt werden, sei jedoch anfälliger für äußere Einflüsse (z.B. Bodenschwellen, Gefälle). Außerdem unterstreichen alle Experten die Wichtigkeit der personellen Kapazitäten und den Einfluss der Mitarbeitenden. Diese können für manuelle Systeme unkompliziert geschult werden. Allerdings bestehen bereits erhebliche Probleme, Personal zu rekrutieren, und die Experten erwarten eine Verschärfung der Situation aufgrund des demografischen Wandels, des anhaltenden Fachkräftemangels und des Drucks zur Aufrechterhaltung der Wettbewerbsfähigkeit trotz hoher Lohnkosten. Unternehmen könnten gezwungen sein, ihre Prozesse zu automatisieren, um den Personalbedarf zu reduzieren. Eine zusätzliche Herausforderung sei dann der Umgang mit Mitarbeitenden in Bezug auf ihre Ängste vor Arbeitsplatzverlust und ihren Vorbehalten zur Zuverlässigkeit des Systems, die zu Sabotagehandlungen führen können. Ebenso bedarf es umfangreicher Schulungen zur Inbetriebnahme und Wartung des FTS, was die Jobprofile der Mitarbeitenden verändert.

Potenziale und Voraussetzungen für den erweiterten Einsatz von fahrerlosen Transportsystemen

Bild 2 zeigt die Herausforderungen und Vorteile der beiden Transportsysteme nach Anzahl der Nennungen. Die Auswertung zeigt, dass manuelle Routenzüge vor allem in Bezug auf Implementierungsaufwand, Investitionen und Flexibilität Vorteile gegenüber FTS bieten, auch wenn sie bei den Logistikkosten gewisse Nachteile aufweisen. Vor diesem Hintergrund lassen sich nachfolgend die Veränderungen beschreiben, die eine Erweiterung des FTS-Einsatzes deutlich begünstigen würden.

Bild 2: Gegenüberstellung der Entscheidungsfaktoren von manuellen Routenzugsystemen und fahrerlosen Transportsystemen

Die Experten wünschen sich geringere Anschaffungskosten und mehr Transparenz über die gesamten Implementierungskosten. Neben den skalierenden Kosten je FTF sollten die übrigen Bestandteile der Implementierung u.a. Leitsystem, Schnittstellen zu bestehenden Systemen und Infrastrukturanpassungen sinken. So sollten z.B. Kosten für bauliche Änderungsbedarfe an Gebäuden und Fahrwegen idealerweise durch anspruchslosere bzw. unempfindlichere FTF reduziert werden.

Um den verschiedenen Transportanforderungen gerecht zu werden, sei eine herstellerunabhängige Kombination verschiedener FTF hilfreich, die idealerweise auf einer Flexibilität bezüglich Änderungen von Abholungs- und Anlieferungspunkten fußt. In Bezug auf die gewünschte Flexibilität des Systems sehen die Experten jedoch auch zukünftig eine gewisse Notwendigkeit manueller Transportsysteme, da die Umsetzung von FTS häufig an unzureichenden Rahmenbedingungen in den Unternehmen scheitern. Ein hoher Standardisierungsgrad sowie ein durchgängiger, transparenter Informationsfluss sind dafür essenziell, fehlen jedoch oft. Die bestehende Infrastruktur ist meist nicht auf Automatisierung ausgelegt, und notwendige Prozessanpassungen sind komplex und erfordern stabile Abläufe. Besonders bei der Planung neuer Standorte oder Prozesse ist eine FTS-Implementierung erfolgversprechender als bei der Umstellung bestehender Strukturen. Trotz dieser Herausforderungen wird Automatisierung durch externe Faktoren wie demografischen Wandel und steigende Lohnkosten zunehmend notwendig. Die eigentliche Schwäche liegt weniger in der Flexibilität der FTS, sondern vielmehr in der fehlenden Standardisierung innerhalb der Unternehmen.

Aktuelle Trends und Schlussfolgerungen

Hinsichtlich der Kosten ist festzustellen, dass der technologische Fortschritt und der Wettbewerb unter den Anbietern die Preise für ein FTS kontinuierlich sinken lassen [7]. Der technologische Fortschritt ermöglich zusätzlich eine Erweiterung der Autonomie der FTS-Funktionalität hin zu Autonomous Mobile Robot (AMR). Diese erkennen ihre Umgebung autonom und reagieren flexibel auf Veränderungen, z. B. durch Umfahren von Hindernissen. Dadurch sind sie ideal für dynamische Umgebungen geeignet und erfordern weniger Infrastrukturanpassungen im Gegensatz zu klassischen FTS, die auf feste Routen angewiesen sind. Dennoch sind AMR nicht in allen Anwendungsfällen notwendig und in der Industrie noch nicht weit verbreitet, da bei standardisierten Prozessen automatische Fahrzeuge mit festen Routen genügen. Durch die Entwicklung herstellerübergreifender und -unabhängiger Kommunikationszentralen auf Basis des Kommunikationsstandards VDA5050 [8] wird sich die Interoperabilität zwischen den verschiedenen Arten von FTF bzw. AMR-Systemen in Zukunft etablieren.

Die Steigerung der Leistungsfähigkeit durch Entwicklungen im Bereich der Autonomie mittels KI, deren Leistungsfähigkeit exponentiell steigt (Verdoppelung der KI-Leistung alle 7 Monate [9]) wird die Flexibilität rasant steigern. So sind bereits erste weiterentwickelte AMR verfügbar, die sich mit KI-unterstützten flexiblen Greifsystemen an unterschiedliche Kleinladungsträger anpassen und somit auch schwierige Ein- und Auslagerung auf den letzten Transportmetern in und aus Durchlaufregalen an den Arbeitsplätzen ermöglichen [10]. Diese Steigerung der Flexibilität bei gleichzeitig sinkenden Logistikkosten und reduzierten Implementierungsaufwänden wird kontinuierlich die derzeit noch dem manuellen Routenzug vorbehaltenden Anwendungsszenarien in Richtung automatisierter Einzeltransporte mittels AMR verschieben. Vor dem Hintergrund der gewonnenen Erkenntnisse eröffnen sich verschiedene Perspektiven für zukünftige Forschungsarbeiten. Insbesondere hybride Systemlösungen und deren Bewertungsansätze für Investitionsentscheidungen sowie organisatorische und infrastrukturelle Voraussetzungen für eine erfolgreiche FTS-Implementierung bieten vielversprechende Anknüpfungspunkte für vertiefende Untersuchungen.

Dieser Beitrag entstand im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen Industrieunternehmen, Unternehmensberatungen und der Technischen Hochschule Köln. Einen operativen Schwerpunkt bildet das Forschungsprojekt der Studierenden Anna Pauline Baumann, Lena Danckwart, Sarah Sophia Eberle, Julia Racz und Julia Zeppenfeld mit dem Titel „Qualitative Gründe von Routenzugsystemen in der Logistik“ im M.Sc. Studiengang „Supply Chain and Operations Management“. Unser besonderer Dank gilt den befragten Experten für die Unterstützung und das Engagement zu diesem Thema.

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