Das Transportaufkommen und der damit verbundene Energiebedarf von Logistikprozessen sind in weiten Teilen der verarbeitenden Industrie intransparent und kostenintensiv. Schätzungen des Energieaufwands für die Logistik belaufen sich in der Automobilindustrie auf 15 bis 35 Prozent am Gesamtenergiebedarf des Wertstroms, branchenübergreifende Schätzungen kommen sogar auf 40 Prozent. Während bei überbetrieblichen Warenströmen hohe Stückzahlen größtenteils mit Lastkraftwagen, Zügen oder Schiffen transportiert werden, ist es ein zentraler innerbetrieblicher Trend, die Transportlosgrößen zu reduzieren und möglichst einen One-Piece-Flow zu realisieren. Damit einhergehend ist der Anteil der Intralogistik am Gesamtenergiebedarf der Logistikkosten mit 25 Prozent verhältnismäßig hoch. Vor allem bei zurückzulegenden Wegstrecken gibt es Einsparpotenzial.

Der innerbetriebliche Materialfluss einer Serienfertigung wird üblicherweise mit Routenzügen (Milkruns) durchgeführt, die das Wareneingangs- und Warenausgangslager mit fertigungsnahen Lagerstufen – den Supermärkten – verbindet. Die Versorgung der Supermärkte mit Material erfolgt zwar bedarfsorientiert über das Kanban-System, die Fahrzyklen sind allerdings einem vorher definierten Fahrplan unterworfen. Der Einsatz der Routenzüge ist somit nicht an den aktuellen Bedarf der Fertigungseinrichtungen angepasst. Dies macht sich vor allem durch eine stark schwankende Auslastung der eingesetzten Züge bemerkbar; sie liegt im Mittel bei 60 Prozent.

Auftragsindividueller Weg
Die Abfahrt eines Milkrun findet zu fest definierten Zeiten statt, die zwar an den gemittelten Bedarf angelehnt sind, allerdings nicht das aktuelle Transportaufkommen abbilden. Zudem ist die Streckenführung starr festgelegt, und die zurückgelegte Fahrstrecke ist nur selten der kürzestmögliche Weg. Die Alternative ist ein intralogistisches „Taxi“, das bedarfsorientiert die jeweiligen Produktionseinrichtungen mit Material versorgt und dabei einen auftragsindividuellen Weg zwischen Quelle und Senke zurücklegt. Der Einsatz der hierfür notwendigen autonomen Transportentitäten ist allerdings mit hoher Automatisierung verbunden und nur bei deutlich geringeren Systemkosten in Bezug auf aktuelle Fahrerlose Transportsysteme wirtschaftlich darstellbar.

Wissenschaftler des FAPS erforschen deshalb gemeinsam mit Materialflussexperten des Nürnberger Robert-Bosch-Werks die Verwendung und Integration kostengünstiger Sensorik zur Erfassung des Arbeitsumfeldes, um ein modulares, skalierbares und zudem kostenreduziertes intralogistisches Materialflusssystem zu realisieren. Vor allem durch den Einzug von Einplatinenrechnern (Single Board Computer, SBC) und 3D-Kamerasystemen in den Consumermarkt findet hier aktuell ein starker Preisverfall statt. Die Forschungsarbeiten greifen diese Entwicklung auf; sie digitalisieren das Arbeitsumfeld mit einer skalierbaren Anzahl deckenbasierter Kameras und stellen es den einzelnen Transportfahrzeugen als Umgebungskarte

zur Verfügung. Die Verarbeitung der Bilddaten erfolgt dezentral an der jeweiligen Kamera. Somit ist das System sowohl in Bezug auf das Transportaufkommen durch die Erhöhung oder Reduzierung der Anzahl der Fahrzeuge skalierbar als auch auf den jeweiligen Anwendungsfall adaptierbar, da sich die benötigte Menge an Kamerasystemen nach den jeweiligen Gegebenheiten des Einsatzorts und der Größe des Arbeitsumfeldes richtet. Durch die externe Umgebungserfassung kann die Onboardsensorik der Fahrzeuge auf eine einfache Kollisionsabsicherung durch die Nahfeldüberwachung mit Ultraschallsensoren reduziert werden. Die auftragsindividuelle Pfadplanung und Routenführung der einzelnen Fahrzeuge erfolgt direkt auf fahrzeugintegrierten Einplatinencomputern. Durch diese dezentrale Rechnerarchitektur wird auf der einen Seite ein Single-Point-of-Failure vermieden, andererseits ist das System theoretisch unendlich skalierbar, da jede Entität neue Rechenkapazität in das Gesamtsystem mit einbringt.

Reduzierte Onboardsensorik
Durch günstige Einplatinenrechner und reduzierter Onbordsensorik lassen sich die Kosten für die einzelnen Transportfahrzeuge signifikant senken; eine wirtschaftliche Substitution der bestehenden Routenzüge durch autonome Transportfahrzeuge wird realisierbar. Erste Funktionsmuster am Lehrstuhl liegen bei Fahrzeugkosten von wenigen tausend Euro und somit deutlich unter den Anschaffungskosten etablierter Systeme.

Supermärkte entfallen
Wie bei einem Taxi ist es somit zukünftig möglich, intralogistische Transportaufträge bedarfsorientiert durchzuführen und das Material ohne Zwischenstopps auf dem kürzestmöglichen Weg von der Quelle zur Senke zu befördern. Die erhöhte Anzahl an Transporteinheiten und der damit verbundene Energiedarf werden durch die Auslastungssteigerung der Fahrzeuge und der Reduzierung der zurückgelegten Wege überkompensiert. Da durch die geringeren Abmessungen der Transportfahrzeuge zudem eine direkte Belieferung der Produktionsanlage möglich ist, entsteht ein positiver Nebeneffekt – es entfallen die fertigungsnahen Lagerstufen (Supermärkte). Dadurch werden Handlingsschritte eingespart und der Flächenbedarf der Logistik insgesamt reduziert – es resultieren mehr Flächenproduktivität und weniger Energieeinsatz pro Produkt. Somit ist sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht eine Substitution von Routenzügen durch intralogistische, autonome „Taxis“ sinnvoll.

Michael Scholz, Jörg Franke/pb

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Der MHI e.V. hat derzeit 18 Mitglieder, die über ihre Institute und Lehrstühle rund 1.000 Wissenschaftler repräsentieren. Gewählter Präsident ist Prof. Bernd Kuhlenkötter von der Ruhr-Universität Bochum, zu den weiteren Vorstandsmitgliedern gehören Prof. Alexander Verl (Universität Stuttgart), Prof. Jörg Franke (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) und Prof. Thorsten Schüppstuhl (Technische Universität Hamburg-Harburg). Der MHI versteht sich als enger Partner der deutschen Industrie; die Gesellschaft wird durch einen industriellen Beirat, bestehend aus Führungspersönlichkeiten großer und bekannter deutscher Unternehmen, unterstützt. Zudem besteht eine Kooperation mit dem Fachverband Robotik + Automation im VDMA. So wird die Gestaltung von Forschungs-Schwerpunktthemen angeregt. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.

Kurz erklärt: Der FAPS
Der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg forscht auf vielen Themengebieten, die der Robotik angrenzen. Das Forschungsprojekt „E|Flow“ wird im Rahmen des Forschungsverbunds „Green Factory Bavaria“ durchgeführt und vom Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst gefördert. Der FAPS unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke beschäftigt derzeit an zwei Standorten rund 100 Mitarbeiter in sechs verschiedenen Forschungsbereichen: Biomechatronik, System Engineering, Elektronikproduktion, Elektromaschinenbau, Bordnetze sowie Bayerisches Technologiezentrum für privates Wohnen. Der Lehrstuhl versteht sich als Systemintegrator für innovative mechatronische Lösungen, die durch interdisziplinäre Zusammenarbeit der Technologiefeldern am Lehrstuhl sowie in Kooperation mit Partnern erforscht, entwickelt und ganzheitlich optimiert werden. Weitere Infos: www.faps.de.