Die Grundlagen der Zeit- und Bewegungsstudie im Industrieingenieurwesen verstehen

Die Grundlagen der Zeit- und Bewegungsstudie im Industrieingenieurwesen verstehen

Zeit- und Bewegungsstudien sind seit langem ein Eckpfeiler des Industrieingenieurwesens und bieten eine systematische Methodik zur Analyse von Arbeitsprozessen, zur Steigerung der Produktivität und zur Reduzierung von Abfall. Durch die Aufschlüsselung von Aufgaben in ihre Bestandteile und die Messung der benötigten Zeit können Ingenieure Ineffizienzen identifizieren, Verfahren standardisieren und Arbeitsumgebungen entwerfen, die die menschliche Leistung maximieren. Dieser Artikel untersucht die Kernprinzipien, die historische Entwicklung, Methoden, Anwendungen und moderne Anpassungen von Zeit- und Bewegungsstudien und bietet einen umfassenden Leitfaden für Praktiker und Studenten gleichermaßen.

Was ist eine Zeit- und Bewegungsstudie?

Eine Zeit- und Bewegungsstudie ist eine strukturierte Beobachtungstechnik, die verwendet wird, um die Methoden und die Dauer von Arbeitsaufgaben zu untersuchen. Sie kombiniert zwei komplementäre Analysen: Zeitstudie, die die Zeit misst, die benötigt wird, um jedes Aufgabenelement abzuschließen, und Bewegungsstudie, die die beteiligten physischen Bewegungen untersucht, um unnötigen Aufwand zu vermeiden. Zusammen bieten sie eine datengesteuerte Grundlage für die Verbesserung der Effizienz, die Festlegung von Leistungsstandards und die Gestaltung ergonomischer Arbeitsplätze.

Das primäre Ziel ist es, den effizientesten Weg zu finden, um eine Aufgabe zu erfüllen, während die Ermüdung minimiert und die Leistung maximiert wird. Dieser Ansatz wurzelt in den Prinzipien des wissenschaftlichen Managements, die von Frederick Winslow Taylor entwickelt und später von Frank und Lillian Gilbreth verfeinert wurden, die die Bewegungsstudie als eigenständige Disziplin eingeführt haben.

Historischer Kontext

Die Wurzeln der Zeit- und Bewegungsstudie gehen auf das späte 19. und frühe 20. Jahrhundert zurück. Frederick Taylors Zeitstudien bei Midvale Steel und Bethlehem Steel konzentrierten sich auf die Messung von „einem fairen Tag und die Etablierung von Lohnsystemen. Seine Arbeit konzentrierte sich auf die Verwendung von Stoppuhren und präziser Beobachtung, um Produktionsstandards zu setzen. In der Zwischenzeit entwickelte Frank Gilbreth, ein Maurer, der Ingenieur wurde, Bewegungsstudie, indem er Arbeiter filmte und ihre Bewegungen analysierte. Er und seine Frau Lillian, eine Psychologin, identifizierten 18 grundlegende Handbewegungen (Therbligs), die verwendet werden konnten, um jede manuelle Aufgabe zu analysieren. Ihre Zusammenarbeit legte den Grundstein für moderne Arbeitsvereinfachung und Ergonomie.

Die Kombination von Taylors Zeitstudie und Gilbreths Bewegungsstudie wurde als "Zeit- und Bewegungsstudie" bekannt und wurde im frühen 20. Jahrhundert in der Fertigung weit verbreitet. Heute haben sich diese Techniken mit der Technologie weiterentwickelt, sind aber für die Prozessverbesserung in Branchen wie dem Gesundheitswesen und der Logistik von wesentlicher Bedeutung.

Schlüsselkomponenten der Zeit- und Bewegungsstudie

Eine gründliche Zeit- und Bewegungsstudie umfasst mehrere integrierte Komponenten, die jeweils zu einem ganzheitlichen Verständnis von Arbeitsprozessen beitragen.

Zeitmessung

Zeitmessung ist der Prozess der Aufzeichnung der Dauer, die erforderlich ist, um jedes Element einer Aufgabe auszuführen. Traditionell wurde dies mit einer Stoppuhr (kontinuierliches oder Snapback-Timing) durchgeführt. Moderne Methoden umfassen elektronische Datenerfassung, Videoanalyse und vorbestimmte Zeitsysteme (PTS) wie Methoden-Zeitmessung (MTM) und Modulare Anordnung von vorgegebenen Zeitstandards (MODAPTS). Diese Werkzeuge ermöglichen es Ingenieuren, Zykluszeiten, Standardzeiten und Leistungsbewertungen mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Zeitmessung berücksichtigt auch Zulagen wie Ermüdung, Verzögerungen und persönliche Bedürfnisse.

Bewegungsanalyse

Die Bewegungsanalyse konzentriert sich auf die menschlichen Bewegungen, die an einer Aufgabe beteiligt sind. Das Gilbreths-System von Therbligs - wie Suchen, Auswählen, Greifen, Transport, Halten, Freigeben und Inspizieren - bietet ein Vokabular zur Beschreibung von Bewegungen. Durch die Analyse von Therblig-Sequenzen können Ingenieure unnötige Bewegungen (z. B. übermäßiges Gehen, Biegen oder Erreichen) identifizieren und Workflows neu gestalten, um den Aufwand zu minimieren. Heute wird die Bewegungsanalyse oft mit Videoaufnahmen und Software durchgeführt, die Bewegungsmuster verfolgen, ergonomische Bewertungen ermöglichen und die Optimierung des Arbeitsplatzlayouts ermöglichen.

Bewertung der Arbeitsmethode

Diese Komponente beinhaltet eine kritische Prüfung der aktuellen Arbeitsabläufe. Ingenieure bewerten die Abfolge der Vorgänge, die verwendeten Werkzeuge und Ausrüstungen, die Arbeitsplatzgestaltung und die Umweltbedingungen. Ziel ist es, Abfälle in ihren verschiedenen Formen zu identifizieren - Bewegung, Warten, Transport, Überverarbeitung und Nacharbeit. Techniken wie Flussdiagramme, Betriebsprozessdiagramme und Multiaktivitätsdiagramme werden üblicherweise verwendet, um Methoden zu dokumentieren und zu bewerten. Das Ergebnis ist eine Basislinie, an der Verbesserungen gemessen werden können.

Umsetzung von Verbesserungen

Die letzte Komponente ist die Umsetzung von Änderungen, die sich aus den Studienergebnissen ergeben. Dies kann die Neugestaltung von Arbeitsplätzen, die Änderung der Werkzeugplatzierung, die Einführung von Vorrichtungen oder Vorrichtungen, die Überarbeitung von Verfahren oder die Umschulung von Arbeitnehmern umfassen. Eine erfolgreiche Umsetzung erfordert die Zusammenarbeit mit Bedienern, Aufsichtspersonen und dem Management, um sicherzustellen, dass Änderungen praktikabel und akzeptiert sind. Folgestudien bestätigen die Auswirkungen von Verbesserungen und identifizieren unbeabsichtigte Konsequenzen.

Methodologien: Zeitstudie vs Motion Study

Während sie oft zusammen verwendet werden, können Zeitstudie und Bewegungsstudie je nach Zielsetzung getrennt durchgeführt werden. Zeitstudie ist in erster Linie quantitativ - sie erzeugt Daten über Dauer und Ausgaberaten. Bewegungsstudie ist qualitativ - sie konzentriert sich auf die Effizienz von Bewegungen und die Verringerung der Ermüdung. Beide Methoden beruhen auf sorgfältiger Beobachtung und systematischer Aufzeichnung.

Zeitstudientechniken

• Kontinuierliche Zeitmessung: Die Stoppuhr läuft kontinuierlich und der Ingenieur zeichnet die kumulative Zeit am Ende jedes Elements auf. Diese Methode ist einfach, kann aber menschliche Fehler beim Lesen von Split-Zeiten verursachen.
• Snapback Timing: Die Stoppuhr wird am Ende jedes Elements zurückgesetzt, was direkte Elementzeiten ergibt.
• Vorbestimmte Zeitsysteme (PTS): Statt direkter Messungen werden Standardzeiten für fundamentale Bewegungen verwendet. MTM weist beispielsweise Zeitwerte zu, um Bewegungen zu erreichen, zu erfassen, zu bewegen und zu positionieren, so dass Ingenieure Aufgabenzeiten aus einer Datenbank erstellen können. PTS eliminiert die Notwendigkeit von Stoppuhrstudien und reduziert die Variabilität aufgrund des Bedienertempos.
• Video-basierte Zeitstudie: Die Aufzeichnung von Vorgängen auf Video ermöglicht es Ingenieuren, Elemente offline zu überprüfen und zu zeitigen, wodurch die Genauigkeit verbessert und gleichzeitig eine detaillierte Bewegungsanalyse ermöglicht wird.

Bewegungsstudientechniken

• Therblig-Analyse: Identifizieren und Beschriften jeder Bewegung in Bezug auf die 18 Therbligs. Unnötige Therbligs (z. B. "Suche" aufgrund schlechter Anordnung) werden zur Eliminierung anvisiert.
• Flow Diagramme und String Diagramme: Mapping Arbeiter oder Materialbewegung auf einem Grundriss, um Reisestrecken und Backtracking zu identifizieren.
• Simo Charts (Simultaneous Motion Charts): Charts, die die Bewegungen beider Hände gleichzeitig aufzeichnen und Leerlaufzeiten oder unausgewogene Arbeitsbelastungen zwischen den Gliedmaßen aufdecken.
• Ergonomische Checklisten: Die Beurteilung von Haltung, Kraft, Wiederholung und Reichweite zur Verringerung der Muskel-Skelett-Strecke.

Anwendungen in allen Branchen

Zeit- und Bewegungsstudien sind nicht auf die Fertigung beschränkt. Ihre Prinzipien gelten überall dort, wo menschliche Arbeit geleistet wird.

Herstellung von Waren

In Fabriken werden Zeit- und Bewegungsstudien verwendet, um Standardproduktionsraten festzulegen, Montagelinien zu entwerfen, Arbeitslasten auszugleichen und die Zykluszeit zu reduzieren. Zum Beispiel könnte eine Automobilmontageanlage Bewegungsstudien verwenden, um die Werkzeugplatzierung neu zu ordnen und die Bediener-Gehzeit zu reduzieren, was den Durchsatz direkt verbessert. Diese Studien unterstützen auch schlanke Fertigungsinitiativen wie Kaizen-Events und Value-Stream-Mapping.

Gesundheitsversorgung

In Krankenhäusern und Kliniken helfen Zeit- und Bewegungsstudien, klinische Arbeitsabläufe zu optimieren. Eine Studie könnte die Zeit analysieren, die Krankenschwestern für die Dokumentation im Vergleich zur Patientenversorgung aufwenden, was zu einer besseren Aufgabenzuweisung oder der Einführung digitaler Werkzeuge führt. Bewegungsanalyse von chirurgischen Verfahren kann unnötige Bewegungen reduzieren, Operationszeiten verkürzen und Ergebnisse verbessern. Der Ansatz wird auch in Notaufnahmen verwendet, um Wartezeiten zu reduzieren und den Patientenfluss zu verbessern.

Logistik und Warehousing

Verteilungszentren verlassen sich auf Zeit- und Bewegungsstudien, um effiziente Kommissionierrouten zu entwerfen, optimale Behälterhöhen zu bestimmen und Leistungsstandards für Kommissionierer festzulegen. Durch die Analyse von Reichweitendistanzen und Reisewegen können Ingenieure die Kommissionierzeit um 10 bis 30 % reduzieren und die Arbeitskosten direkt senken. Unternehmen wie Amazon verwenden ausgeklügelte Zeitstudien, um ihre Lagerlayouts und Robotersysteme zu verfeinern.

Service- und Büroumgebungen

Während die Zeit- und Bewegungsprinzipien in den Büros weniger verbreitet sind, können sie für Service-Operationen angepasst werden. Beispielsweise kann ein Callcenter die durchschnittliche Bearbeitungszeit und die Bewegung des Wechsels zwischen Softwareanwendungen analysieren. In einem Büro kann das Studium der Ablage- und Dateneingabeverfahren zu ergonomischen Verbesserungen und einer reduzierten Bearbeitungszeit führen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Autonomie und Zufriedenheit des Arbeitsplatzes nicht beeinträchtigt werden.

Vorteile der Durchführung von Zeit- und Bewegungsstudien

Unternehmen, die in Zeit- und Bewegungsstudien investieren, realisieren in der Regel erhebliche betriebliche und menschenzentrierte Vorteile.

• Verbesserte Effizienz und Ausgabe: Durch die Beseitigung verschwendeter Bewegungen und den Ausgleich von Arbeitslasten ergibt der gleiche Arbeitsaufwand eine höhere Leistung.
• Bessere Nutzung der Ressourcen: Studien zeigen, dass nicht ausgelastete Ausrüstung oder Personalüberschüsse zu hoch sind, was eine Ressourcenumschichtung ermöglicht.
• Reduzierte Müdigkeit und Belastung für Arbeiter: Ergonomische Verbesserungen durch Bewegungsanalyse verringern die körperliche Belastung, was zu weniger Verletzungen und höherer Moral führt.
• Erhöhte Sicherheit am Arbeitsplatz: Durch die Identifizierung von unangenehmen Haltungen und risikoreichen Bewegungen können Ingenieure Arbeitselemente neu gestalten, um Unfälle zu vermeiden.
• Standardisierte Arbeitsabläufe: Konsistente Methoden sorgen für Qualität und erleichtern die Schulung. Neue Mitarbeiter können schnell standardisierte Best Practices erlernen und so die Lernkurve reduzieren.
• Datengesteuerte Entscheidungsfindung: Zeitstudiendaten liefern objektive Beweise für Gehaltspläne, Personalstärke und Prozessänderungen und reduzieren die Abhängigkeit von Intuition oder Rätselraten.

Einschränkungen und Kritik

Trotz ihrer Wirksamkeit haben Zeit- und Bewegungsstudien Grenzen und wurden im Laufe der Jahrzehnte kritisiert.

• Arbeiterwiderstand: Studien können als Überwachung oder als ein Werkzeug zur Beschleunigung der Arbeit ohne entsprechende Entschädigung wahrgenommen werden.
• Variabilität in der menschlichen Leistung: Die menschliche Leistung variiert aufgrund von Müdigkeit, Geschick und Motivation. Studien können diese Variabilität nicht ohne große Stichprobengrößen und sorgfältige Zulagenberechnungen erfassen.
• Fokus auf sich wiederholende Aufgaben: Der Ansatz ist am effektivsten für sich wiederholende Aufgaben mit kurzen Zyklen. Komplexe oder kognitive Arbeit mit hoher Variabilität ist mit traditionellen Methoden schwer zu zeitverrechnen und zu analysieren.
• Potenzial für Entmenschlichung: Kritiker argumentieren, dass die Behandlung von Arbeitern als maschinenähnliche Komponenten die Belegschaft demoralisieren kann. Der Schwerpunkt sollte auf der Verbesserung des Arbeitslebens liegen, nicht nur auf der Gewinnung von mehr Output.
• Implementierungsherausforderungen: Verbesserungen, die in einer Studie identifiziert wurden, können erhebliche Kapitalinvestitionen oder organisatorische Veränderungen erfordern, die nicht immer machbar sind.

Um diese Einschränkungen zu beheben, beinhaltet die moderne Praxis partizipative Ergonomie, transparente Kommunikation und die Verwendung von Zeit- und Bewegungsstudien als Teil breiterer kontinuierlicher Verbesserungsprogramme und nicht als eigenständiger Kontrollmechanismus.

Moderne Werkzeuge und Technologien

Die Technologie hat die Art und Weise, wie Zeit- und Bewegungsstudien durchgeführt werden, verändert. Traditionelle Stoppuhren und Zwischenablagen sind modernen Werkzeugen gewichen, die die Genauigkeit verbessern, menschliche Fehler reduzieren und Echtzeitanalysen ermöglichen.

Videoanalysesoftware

Digitale Videoaufnahmen in Kombination mit Analysesoftware (z. B. Noldus Observer, Ulead, Motion Analysis Module) ermöglichen es Ingenieuren, Frame-by-Frame-Bewegungen zu erfassen. Diese Programme können automatisch therbligs verfolgen, Zykluszeiten berechnen und Statistiken generieren. Sie ermöglichen auch "Was-wäre-wenn"-Simulationen, indem sie dem Benutzer erlauben, Bewegungen neu zu ordnen oder Entfernungen zu ändern.

Vorherbestimmte Zeitsysteme (PTS)

Moderne PTS-Datenbanken wie MTM-1, MTM-2 und MODAPTS sind branchenübergreifend weit verbreitet. Sie bieten Standardzeiten für grundlegende Bewegungen (z. B. Reichweitenlängen, Griffarten), die aus umfangreichen Forschungsarbeiten stammen. Durch die Verwendung von PTS entfällt die Notwendigkeit einer direkten Beobachtung und die Variabilität aufgrund des Tempos des Bedieners. Sie sind besonders nützlich für die Gestaltung neuer Prozesse, bevor sie implementiert werden.

Wearable Sensoren und IoT

Tragbare Geräte wie Motion-Capture-Anzüge, Smartwatches und Beschleunigungsmesser können während der Arbeit detaillierte kinematische Daten erfassen. In Kombination mit maschinellem Lernen können diese Sensoren verschwenderische Bewegungen oder ergonomische Risiken automatisch erkennen. IoT-fähige Arbeitsplätze können Zykluszeiten und Markierungsabweichungen in Echtzeit aufzeichnen und ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung ohne Anwesenheit eines Analysten.

Digitale Zwillinge und Simulation

Ingenieure können digitale Zwillingsmodelle von Arbeitsplätzen erstellen und Simulationen mit Software wie FlexSim oder AnyLogic durchführen. Diese Tools ermöglichen virtuelle Experimente mit verschiedenen Methoden, Layouts und Zeitplänen. Zeit- und Bewegungsdaten fließen in die Simulation ein, um Leistungsverbesserungen vorherzusagen, bevor physische Änderungen vorgenommen werden, wodurch Risiko und Kosten reduziert werden.

Diese Technologien machen Zeit- und Bewegungsstudien zugänglicher, skalierbarer und in andere Datenströme wie Produktionssysteme und Qualitätsmanagement integriert.

Durchführung einer praktischen Zeit- und Bewegungsstudie: Eine Schritt-für-Schritt-Umriss

Für Praktiker, die sich auf die Durchführung einer Studie vorbereiten, bieten die folgenden Schritte einen strukturierten Ansatz:

1. Definieren Sie das Ziel: Geben Sie klar an, was Sie erreichen möchten - die Zykluszeit reduzieren, eine Linie ausbalancieren, die Sicherheit verbessern oder Standards festlegen.
2. Wähle die Aufgabe und den Operator aus: Wähle eine sich wiederholende, gut definierte Aufgabe. Wähle Operator aus, die erfahren und bereit sind, sich zu beteiligen.
3. Dokumentation der aktuellen Methode: Verwenden Sie Flussdiagramme, Prozessdiagramme und Videos, um das bestehende Verfahren zu erfassen.
4. Unterteilen Sie die Aufgabe in Elemente: Teilen Sie die Aufgabe in verschiedene, messbare Elemente (z. B. “Reichweite für einen Teil”, “Teil greifen”, “Teil zum Festlegen verschieben”). Elemente sollten klare Start- und Endpunkte haben und sollten einzeln kurz genug sein, um die Zeit zu bestimmen (normalerweise 2-10 Sekunden).
5. Mess- und Aufzeichnungszeiten: Verwenden Sie geeignete Zeitmessgeräte (Stoppuhr oder Video).
6. Reaktion: Mithilfe von therblig-Analysen oder ergonomischen Checklisten ineffiziente Bewegungen identifizieren.
7. Standardzeit berechnen: Normalisieren Sie die beobachteten Zeiten durch Anwendung der Leistungsbewertung. Fügen Sie Zulagen für persönliche Zeit, Ermüdung und Verzögerungen hinzu, um zur Standardzeit für die Aufgabe zu gelangen.
8. Entwicklungsempfehlungen: Vorschlagen Sie Änderungen an Methode, Layout, Werkzeugen oder Sequenz. Schätzen Sie die erwarteten Auswirkungen auf Zykluszeit, Qualität und Ergonomie.
9. Implementieren und Nachbereiten: Arbeiten Sie mit Betreibern und Vorgesetzten zusammen, um Änderungen einzuführen. Führen Sie eine Nachimplementierungsstudie durch, um Verbesserungen zu überprüfen und Anpassungen vorzunehmen.

Schlussfolgerung

Zeit- und Bewegungsforschung bleibt eine unverzichtbare Disziplin im Industrieingenieurwesen und bietet einen bewährten Rahmen für das Verständnis und die Verbesserung der Arbeit. Seine Grundlagen – wissenschaftliche Beobachtung, methodische Messung und menschenzentriertes Design – sind heute so relevant wie vor einem Jahrhundert. Durch die Kombination der Strenge der Zeitmessung mit der aufschlussreichen Analyse von Bewegung können Unternehmen höhere Produktivität, geringere Kosten und sicherere, befriedigendere Arbeitsplätze erreichen. Eine erfolgreiche Anwendung erfordert jedoch Sensibilität für die Belange der Arbeitnehmer, ein Engagement für kontinuierliche Verbesserung und eine Offenheit für moderne Technologie. In einer Ära der Automatisierung und Digitalisierung bleibt das menschliche Element der Arbeit kritisch, und Zeit- und Bewegungsforschung bietet die Werkzeuge, um Systeme zu entwerfen, die die menschlichen Fähigkeiten respektieren und verbessern.

Für weitere Informationen, erkunden Sie Ressourcen aus der American Society of Mechanical Engineers (ASME) zu Arbeitsstandards, dem Lean Enterprise Institute zur Abfallreduzierung und wissenschaftlichen Zeitschriften wie dem International Journal of Industrial Ergonomics. Praktische Anleitungen zu vorgegebenen Zeitsystemen sind bei der MTM Association erhältlich.