Mensch und Maschine - Eine Betrachtung des Zusammenspiels der Systeme am Beispiel des thermischen Spritzens  –  Teil 2

Von Franziska Bocklisch1), Rico Drehmann2) und Thomas Lampke2)

Am Anwendungsbeispiel des thermischen Spritzens zeigt die Eye-Tracking-Methode, welche Elemente einer Beschichtungsanlage in der Regel eine höhere Aufmerksamkeit des Bedienungspersonals erfordern und welche Abläufe durch die laufende Benutzung und den Übergang zu einem Routineablauf sehr schnell geprüft werden können. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die weitere Formalisierung von Expertenwissen und zur Modellbildung. Daraus wiederum lässt sich ableiten, in welchem Umfang die Unterstützung von Fertigungsabläufen durch weitergehende Automatisierung notwendig und sinnvoll ist.

Fortsetzung aus WOMag 5/2020

4 Ergebnisse und ­Schlussfolgerungen

4.1 Systemanalyse

Durch die Verfahrenstechnologie des thermischen Spritzens wird ein Werkstück beschichtet. Dafür wird in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung (z. B. chemische Zusammensetzung => Korrosionsbeständigkeit, Härte => Verschleißbeständigkeit, Porosität => thermische Isolationseigenschaften) ein geeignetes Beschichtungsverfahren ausgewählt. Nachfolgend werden Ergebnisse berichtet, die beim Beschichten von Proben mit yttriumoxid­stabilisiertem Zirkoniumoxid (Wärmedämmschicht) durch Atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) entstanden sind. Abbildung 5 zeigt das Gesamtsystem mit den relevanten Teilsystemen:

• Mensch: BedienerIn
• Technisches System: APS-Spritzanlage
• Schnittstelle(n): Bedienpanels

Die Bedienung der Spritzanlage erfolgt durch qualifiziertes Fachpersonal, aus arbeitsschutzrechtlichen Gründen in der Regel durch zwei Personen. Die detaillierte Beschreibung der Aufgaben und Tätigkeiten findet sich unter Abschnitt 4.2 dieses Beitrags (Psychologische Aufgaben- und Tätigkeitsanalyse). Die Spritzanlage besteht aus mehreren technischen Komponenten. In der Spritzkabine befindet sich der Roboterarm, der die Spritzpistole führt. Für die hier dargestellten Versuche wurde der APS-Spritzbrenner F6 der GTV Verschleißschutz GmbH (Luckenbach, Deutschland) verwendet. In der Spritzpistole wird während des Spritzprozesses ein Plasma erzeugt, indem eingeleitete, mit Druck beaufschlagte Gase (z. B. Argon oder Wasserstoff) durch einen Lichtbogen ionisiert beziehungsweise dissoziiert werden. Am Düsenaustritt kommt es zur Rekombination der dissoziierten Moleküle beziehungsweise zur Neutralisation der Ionen durch die freien Elektronen. Hierbei wird eine hohe Energiemenge freigesetzt, so dass im Kern des Plasmas Temperaturen von bis zu 20 000 °C erreicht werden [39, 40]. Die Pulverpartikel werden über einen separaten Trägergasstrom in diesen Bereich injiziert, (an)-
geschmolzen und durch das expandierende Plasmagas auf die Werkstückoberfläche beschleunigt. Beim Aufprall auf dem Sub­strat flachen die Partikel ab und erstarren als pfannkuchenartige Splats, so dass schließlich eine geschlossene Schicht entsteht, die im Querschliff eine lamellare Struktur aufweist. Partikel, die nicht an der Schichtbildung teilnehmen – der sogenannte Overspray – werden durch die Absaugung entfernt. Außer­halb der Spritzkabine befindet sich der Pulverförderer, durch den das Pulver über Schläuche in die Spritzpistole geleitet wird sowie Flüssiggastanks oder Gasflaschen, die über ein Leitungssystem mit dem Spritzbrenner verbunden sind und die notwendigen Prozessgase zur Verfügung stellen.

Abb. 5: Gesamtsystem mit Teilsystemen (oben: Mensch, technisches System und verbindende Interaktionsschnittstelle) sowie Zuordnungen zum Applikationsbeispiel thermisches Spritzen (unten: BedienerIn, Spritzanlage und Bedienpanels)

 

Diejenigen Systemelemente des technischen Systems, die hier als besonders relevant zur Beschreibung des Prozesses angesehen werden, sind in Tabelle 1 zusammengestellt und in Abbildung 9 als Areas of Interest abgebildet. Hierzu gehören auch die Schnittstellen, die zur Bedienung und Prozesskontrolle genutzt werden: zwei Bedienpanel zur Steuerung der Anlage beziehungsweise des Roboters und ein Anzeige- und Steuerungsdisplay mit zwei relevanten Modi (Modus Pulver mit Anzeigen zur Pulverförderung und Modus Strom/Gase mit Strom- und Spannungsverläufen und Gasdrücken). Tabelle 1 gibt einen Überblick über ausgewählte relevante Informationen, die dem menschlichen Operator durch die Teilsysteme Spritzanlage und Schnittstellen derzeit zur Verfügung gestellt werden.

 

4.2 Psychologische Aufgaben- und Tätigkeitsanalyse

Der APS-Prozessablauf ist hinsichtlich der Arbeitsaufgaben und Tätigkeiten in mehrere Phasen unterteilbar (Abb. 6):

• Nach Eingang eines Arbeitsauftrags beginnt die Vorbereitungsphase (1) (zur Vorbereitung der Spritzanlage und des Werkstücks für den APS-Prozess).
• Danach folgt der Beschichtungsprozess (2) (Aufbringen einer Schicht auf das Werkstück).
• In der Kontrollphase (3) werden Parameter, die Aussagen über die Qualität des Beschichtungsergebnisses erlauben (z. B. Schichtdicke), gemessen. Falls das Ergebnis nicht den Vorgaben entspricht (z. B. Schicht nicht dick genug), wird der Beschichtungsprozess gegebenenfalls wiederholt.
• Sonst folgen die Übergabe des Ergebnisses, das heißt des beschichteten Werkstücks, und die Nachbereitungsphase (4) (z. B. Reinigen der Spritzanlage und des Pulverförderers).

Eine detailliertere Beschreibung der Phasen mit Unteraufgaben und (Teil-)Tätigkeiten ist möglich und unter arbeitspsychologischen und -wissenschaftlichen Aspekten auch sinnvoll (z. B. wenn zeitlich effektive Arbeitsabläufe definiert werden sollen). In der vorliegenden Untersuchung wird dies allerdings nur exemplarisch für Vorbereitungs- und Beschichtungsphase gezeigt (Abb. 7 und 8).

Abb. 6: Phasen des APS-Prozesses

 

Abb. 7: Vorbereitungsphase mit exemplarischer Unterteilung in Unter- und Teilaufgaben sowie Teiltätigkeiten

 

Abb. 8: Beschichtungsphase mit exemplarischer Unterteilung in Unter- und Teilaufgaben sowie Teiltätigkeiten

 

4.3 Analyse kognitiver Prozesse

Zur Auswertung der Eye-Tracking-Daten werden Orte (Areas of interest, AOI) definiert, die relevante Informationen enthalten. Für das hier dargestellte Applikationsbeispiel sind die AOI in Abbildung 9 dargestellt. Sie entsprechen den in der Systemanalyse identifizierten Informationsquellen (Tab. 1).

Abb. 9: Sieben Areas of interest, gegliedert nach Zugehörigkeit zum technischen Teilsystem beziehungsweise zu den Interaktionsschnittstellen

 

Abb. 10: Blickverweildauer in AOI sowie Fixationsanzahl und mittlere Fixationsdauer für besonders relevante AOI

 

Die Blickverweildauer in die zur Auswertung der Eye-Tracking-Daten definierten AOI gibt Aufschluss darüber, wie lange im aufgezeichneten Prozess insgesamt in die einzelnen Orte geblickt wurde (Abb. 10). Die längste Blickverweildauer entfällt auf die Kategorie Sonstiges. Hierzu zählen vor allem Wartezeiten, die im hohen Automatisierungsgrad des Prozesses begründet liegen (z. B. automatische Zündung des Plasmas). Weiterhin wird deutlich, dass mit je etwa 20 % der Gesamtblickdauer am längsten in die Orte Display (Modus: Gase/Strom) sowie Spritzanlage (Roboter/Plasma) geschaut wurde. Dies war zu erwarten, weil:

• die Prozessparameter, die überwacht werden müssen und die die Güte des Beschichtungsprozesses am besten vorhersagen, im AOI Display (Modus: Gase/Strom) zu finden sind
• im AOI Spritzanlage (Roboter/Plasma) wesentliche Informationen über die Roboterbewegungen und die damit verbundenen Beschichtungszyklen (Mäander) erkennbar sind und die Helligkeit des Plasmas sowie die Form des Spritzstrahls Aussagen über den Prozessverlauf und damit auch des Beschichtungsergebnisses ermöglichen.

Weiterhin wird durch die Anzahl von Fixationen in die beiden Orte und durch die jeweiligen mittleren Fixationsdauern deutlich, dass ins AOI Display (Modus: Gase/Strom) häufiger, aber kürzer geschaut wird, als ins AOI Spritzanlage (Roboter/Plasma) (Abb. 10). Das liegt daran, dass die Informationsaufnahme zur Kontrolle der Prozessparameter (Displayanzeige mit Balkendiagrammen und ­Zahlen) leichter und schneller für die BedienerIn möglich ist, als die Kontrolle des Spritzstrahls/Spritzflecks und der Roboterbewegungen (Abb. 11).

Abb. 11: Ansicht der Displayanzeige (Modus: Gase/Strom) und des Arbeitsbereichs um den Spritzstrahl

 

Abb. 12: Prozessbeschreibung anhand von Fixationen in AOI über der Zeit (Eye-Tracking) und Zuordnung von technischem Expertenwissen über den Spritzprozess (RTA-Methode)

 

Die Beschichtungsphase ist ein dynamischer Prozess, der durch eine Reihe von Blickwechseln zwischen den zur Auswertung der Eye-Tracking-Daten definierten Orte gekennzeichnet ist. In Abbildung 12 sind die Fixationen über die Zeit dargestellt.

Beim Prozessstart (1) wird auf Bedienpanel 1 (Spritzanlage) der Startknopf gedrückt, woraufhin die Anlage (im Automatikbetrieb) auto­matisch gestartet wird. Der Blick der BedienerIn ist auf das Bedienpanel (Modus Gase/Strom) gerichtet, um die Erhöhung des Argonflusses auf den Soll-Wert zu überwachen. Es folgen neben Wartezeiten Kontrollblicke zur Spritzanlage. Nach etwa 0,3 Minuten erfolgt die Zündung des Plasmas (2). Wenn weitere Soll-Werte erreicht sind (z. B. Wasserstoffzufuhr), schaltet der/die BedienerIn die Pulverzufuhr am Bedienpanel (3) (Spritzanlage) ein. Es wird deutlich, dass zur Bedienung des Panels insgesamt nur sehr wenig direkte Kontrollblicke notwendig sind, da die Bedienhandlungen offenbar aufgrund der Vertrautheit mit der Anlage und der jahrelangen Erfahrung mit der Steuerung von APS-Prozessen recht leicht und automatisiert durch den/die BedienerIn erfolgen können.

Nach etwa einer Minute hat sich ein stabiler Spritzstrahl ausgebildet (4) und die Roboterbewegungen werden am Bedienpanel des Roboters (5) gestartet. Der Roboterarm fährt mit vorprogrammierten mäanderförmigen Bewegungen über die zu beschichtenden Werkstücke (Abb. 11 rechts: runde Werkstücke und Roboterbewegungen). Der/die BedienerIn richtet während dieser Phase des Beschichtungsprozesses die Aufmerksamkeit vorrangig auf die Kontrolle des Spritzstrahls und der Prozessparameter (Display, beide Modi). Nachdem das Bewegungsprogramm des Roboters beendet ist, wird die Pulverzufuhr am Bedienpanel der Spritz­anlage (6) ausgeschaltet. Es erfolgen weitere kurze Kontrollblicke auf Display und Anlage. Nach dem Erlöschen des Spritzstrahls (nach circa zwei Minuten) schaltet die bedienende Person den Prozess durch Drücken eines Knopfes am Bedienpanel der Anlage (7) ab.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Ko-MTI ist eine methodische Vorgehensweise, die die kognitiven Prozesse des Menschen bei der Interaktion mit komplexen technischen Systemen berücksichtigt, um eine gute Anpassung an die menschlichen Informationsverarbeitungsprozesse zu erreichen. Am Beispiel der Fertigungstechnologie des atmosphärischen Plasmaspritzens wurde die erste Ko-MTI-Phase Ganzheitliche Analyse dargestellt, die zum Ziel hat, die Transparenz und Verstehbarkeit des technischen Prozesses für den Menschen zu erhöhen (Abb. 4 in Teil 1).

Die dargestellten Ergebnisse beschreiben ­exemplarisch, wie Mensch und technisches System beim atmosphärischen Plasmaspritzen interagieren, welche Informationen zur Prozessüberwachung relevant sind (System­analyse), welche Teilaufgaben und Tätigkeiten in welcher Reihenfolge erfüllt werden müssen (Psychologische Aufgaben- und Tätigkeitsanalyse) und welche kognitiven Prozesse besonders relevant sind (Analyse von kognitiven Prozessen mit Eye-Tracking). Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die weitere Formalisierung von Expertenwissen und zur Modellbildung (u. a. kognitive Modellierung, Abb. 3 in Teil 1, erweiterte CPS-Konzeption).

Dies wird in einem nächsten Schritt auf der Basis von systematischen Versuchsreihen erfolgen, in denen technisch relevante Parameter zur APS-Prozessbeschreibung gemessen werden (u. a. Spannungsverläufe) und mit dem Aufmerksamkeits- und Informationssuchverhalten des menschlichen ­Experten in Zusammenhang gebracht werden.

Da Ko-MTI explizit auf die Berücksichtigung von menschlichen kognitiven Prozessen bei der Interaktion mit technischen Systemen angelegt ist, müssen KI-Verfahren zur Modellierung eingesetzt werden, die folgende Anforderungen erfüllen:

• Sie müssen über ein hohes Maß an kognitiver Plausibilität verfügen (z. B. Orientierung an musterbasierten Wahrnehmungs-, Gedächtnis- und Denkprozessen des menschlichen Experten)
• Sie müssen eine maximale Transparenz und semantische Interpretierbarkeit vorweisen, damit das Verhalten des technischen Systems und die Interaktions- beziehungsweise Assistenzfunktionen, die durch die Algorithmen gesteuert werden, für den menschlichen Bediener/Nutzer verständlich und vorhersagbar sind
• Sie müssen eine leichte Verschränkung mit der Modellebene des technischen Systems und damit eine systemische Gesamtbeschreibung erlauben (Abb. 3 in Teil 1, Verbindung von virtuellem Modell des technischen Systems mit dem kognitiven)

Eines von mehreren geeigneten KI-Verfahren ist (Adaptive) Fuzzy Pattern Classification [23, 24], das durch einen mehrdimensionalen, musterbasierten Modellansatz komplexe ­Zusammenhänge und Systemdynamiken ­beschreiben kann und die oben genannten Anforderungen erfüllt.

Ko-MTI ist eine grundlegende methodische Vorgehensweise, die sowohl auf weitere ­Applikationsgebiete (z. B. weitere Beschichtungsverfahren wie ­Laserauftragschweißen oder andere Fertigungstechniken) als auch auf andere Ziele als die hier ­dargestellte Schaffung von Transparenz angewendet wer-
den kann. Weitere Ko-MTI-Phasen, die der Ganzheitlichen Analyse folgen, sind: Modellierung, Modelltest, Evaluation und Technikfolgeabschätzung. Sie dienen auch weiteren Entwicklungszielen, zum Beispiel kognitionsbasierter Produktionsassistenz und der Erhöhung des Automatisierungsgrads technischer Systeme (Abb. 4 in Teil 1). Welches Entwicklungsziel für eine konkrete Arbeitsaufgabe verfolgt wird und welche Ko-MTI-Methoden dafür zum Einsatz kommen, ist von verschiedenen Entscheidungskriterien abhängig. Zwei Kriterien sind exemplarisch in Abbildung 13 genannt:

• das Automatisierungspotential, mit dem (z. B. in den nächsten zehn Jahren) für die Aufgabe zu rechnen ist
• die grundsätzliche Überlegung, ob der Mensch weiterhin wesentlicher Bestandteil des Gesamtsystems sein wird beziehungsweise sein soll.

 

Abb. 13: Zusammenhang zwischen Arbeitsaufgabe, Automatisierungspotential der Aufgabe und dem Entscheidungskriterium, ob der Mensch weiterhin wesentlicher Bestandteil des Gesamtsystems sein wird/sein soll und Zuordnung von Ko-MTI-Zielen

 

Das Automatisierungspotential ist zumindest teilweise durch (informations-)technische Indikatoren und damit sachbezogen abschätzbar (z. B. technische Voraussetzungen, Geschwindigkeit, mit der sich geeig­nete KI-Modellierungsverfahren entwickeln lassen). In die Beantwortung der Frage, ob der Mensch weiter wesentlicher Systembestandteil sein soll, müssen aber grundsätzliche gesellschaftliche Werthaltungen (z. B. die nach der Zukunft menschlicher Erwerbsarbeit [20]) und psychologische wie ethische Betrachtungen (u. a. zu Auswirkungen beim Wegfall von sinn- und identitätsstiftenden Funktionen durch (Massen-)Arbeitslosigkeit [41] einfließen. Auch Sicherheitsaspekte (z. B. Vulnerabilität durch Technikabhängigkeit, Cybersecurity) sind zu analysieren, zu bewerten und in die Entscheidung einzubeziehen.

Für eine verantwortungsvolle Realisierung von menschengemäßen cyber-physischen Systemen CPS sollte der Stein nicht ­weiter geworfen werden, als man schauen kann (Günther Anders, zitiert nach [42]). Es muss sichergestellt werden, dass CPS nicht als Selbstzweck entstehen, sondern der Überlebensfähigkeit, dem Wohlergehen sowie der Entwicklung der menschlichen Gesellschaft als Teilsystem der lebendigen Welt dienen [43].

Literatur

[39] C. Rupprecht: Neue Methoden und Anwendungen des Thermischen Spritzens; Habilitation, TU Chemnitz (2013)

[40] L. Pawlowski: The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings; 2. Aufl., Wiley (2008)

[41] F. Nerdinger, G. Blickle, N. Schaper: Arbeits- und Organisationspsychologie; Berlin, Springer (2011)

[42] N. Paech: Lebenszeit; https://www.deutschlandfunk.de/lebenszeit.1175.de.html?cal:month=3&drbm:­date=2019-03-29, zugegriffen: 13. Dez. 2019

[43] F. Vester: Neuland des Denkens. Vom technokratischen zum kybernetischen Zeitalter; Dtv Verlag, Stuttgart (2002)

DOI: 10.7395/2020/Bocklisch2

Danksagung

Diese Publikation entstand im Rahmen des Forschungsprojekts Kognitionsbasierte Mensch-Technik Interaktion (Ko-MTI) unter Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF; Förderkennzeichen: 16SV8297). Die Autoren danken Frau Kutschmann und Herrn Glaßmann für die Unterstützung bei der Durch­führung der Beschichtungsversuche.

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