Montag, März 14 2011 20: 46

Systemdesign in der Diamantherstellung

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Der Autor dankt Herrn E. Messer und Prof. W. Laurig für ihre Beiträge zu den biomechanischen und gestalterischen Aspekten und Prof. H. Stein und Dr. R. Langer für ihre Hilfe bei den physiologischen Aspekten des Polierens Prozess. Die Forschung wurde durch ein Stipendium des Ausschusses für Forschung und Prävention in Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz, Ministerium für Arbeit und Soziales, Israel, unterstützt.

Die Gestaltung handgeführter Werkbänke und Arbeitsweisen in der Diamantschleifindustrie hat sich seit Jahrhunderten nicht verändert. Arbeitsmedizinische Studien mit Diamantschleifern haben eine hohe Rate an Muskel-Skelett-Erkrankungen der Hände und Arme festgestellt, insbesondere ulnare Neuropathie am Ellbogen. Diese sind auf die hohen muskuloskelettalen Anforderungen an den Oberkörper bei der Ausübung dieses manuell intensiven Berufs zurückzuführen. Eine am Technion Israel Institute of Technology durchgeführte Studie widmete sich der Untersuchung ergonomischer Aspekte und Berufskrankheiten im Zusammenhang mit Sicherheitsfragen bei Handwerkern in der Diamantschleifindustrie. Zu den Aufgaben in dieser Branche mit ihren hohen Anforderungen an manipulative Bewegungen gehören Bewegungen, die häufige, schnelle Handanstrengungen erfordern. Eine epidemiologische Untersuchung, die in den Jahren 1989-1992 in der israelischen Diamantenindustrie durchgeführt wurde, hat darauf hingewiesen, dass die manipulativen Bewegungen beim Diamantenschleifen sehr oft ernsthafte Gesundheitsprobleme der Arbeiter in den oberen Extremitäten und im oberen und unteren Rücken verursachen. Wenn solche Berufsrisiken Arbeitnehmer betreffen, löst dies eine Kettenreaktion aus, die sich schließlich auch auf die Wirtschaft der Branche auswirkt.

Seit Tausenden von Jahren sind Diamanten Objekte der Faszination, Schönheit, des Reichtums und des Kapitalwerts. Geschickte Handwerker und Künstler haben im Laufe der Jahrhunderte versucht, Schönheit zu schaffen, indem sie die Form und die Werte dieser einzigartigen Form der Bildung von harten Kohlenstoffkristallen verbessert haben. Im Gegensatz zu den anhaltenden Errungenschaften des künstlerischen Schaffens mit dem einheimischen Stein und dem Entstehen einer großen internationalen Industrie wurde sehr wenig getan, um einige fragwürdige Arbeitsbedingungen zu verbessern. Ein Blick in die Diamantenmuseen in England, Südafrika und Israel lässt den historischen Schluss zu, dass sich der traditionelle Arbeitsplatz des Polierens seit Jahrhunderten nicht verändert hat. Die typischen Diamantpolierwerkzeuge, Werkbänke und Arbeitsprozesse werden von Vleeschdrager (1986) beschrieben und haben sich als universell für alle Poliereinrichtungen herausgestellt.

Ergonomische Bewertungen, die in Einrichtungen zur Diamantherstellung durchgeführt wurden, weisen auf einen großen Mangel an technischem Design der Polierarbeitsstation hin, was Rückenschmerzen und Nacken- und Armbelastungen aufgrund der Arbeitshaltung verursacht. Eine Mikrobewegungsstudie und eine biomechanische Analyse von Bewegungsmustern, die beim Beruf des Diamantschleifers zum Einsatz kommen, weisen auf extrem intensive Hand- und Armbewegungen hin, die eine hohe Beschleunigung, schnelle Bewegung und ein hohes Maß an Wiederholung in kurzen Zyklen beinhalten. Eine Symptomumfrage unter Diamantpolierern ergab, dass 45 % der Polierer jünger als 40 Jahre waren, und obwohl sie eine junge und gesunde Bevölkerung darstellen, gaben 64 % Schmerzen in den Schultern, 36 % Schmerzen im Oberarm und 27 % Schmerzen an im Unterarm. Der Vorgang des Polierens wird unter starkem Druck „von Hand auf das Werkzeug“ durchgeführt, der auf eine vibrierende Polierscheibe ausgeübt wird.

Die erste bekannte Beschreibung einer Arbeitsstation zum Polieren von Diamanten stammt von dem italienischen Goldschmied Benvenuto Cellini aus dem Jahr 1568, der schrieb: „Ein Diamant wird an einem anderen gerieben, bis beide durch gegenseitigen Abrieb eine Form annehmen, die der erfahrene Polierer erreichen möchte.“ Cellinis Beschreibung hätte heute geschrieben sein können: Die Rolle des menschlichen Bedieners hat sich in diesen 400 Jahren nicht verändert. Betrachtet man die Arbeitsroutinen, Handwerkszeuge und die Art der Prozessentscheidungen, stellt man fest, dass sich auch die Mensch-Maschine-Beziehung kaum verändert hat. Diese Situation ist einzigartig in den meisten Branchen, in denen mit dem Einzug von Automatisierung, Robotik und Computersystemen enorme Veränderungen eingetreten sind; diese haben die Rolle des Arbeitnehmers in der heutigen Welt völlig verändert. Es hat sich jedoch gezeigt, dass der Arbeitszyklus des Polierens sehr ähnlich ist, nicht nur in Europa, wo das Polierhandwerk begann, sondern in den meisten Industrien auf der ganzen Welt, sei es in fortgeschrittenen Einrichtungen in den Vereinigten Staaten, Belgien oder Israel, die auf ausgefallene Geometrie spezialisiert sind und höherwertige Diamantprodukte – oder die Werke in Indien, China und Thailand, die im Allgemeinen beliebte Formen und Produkte mittleren Werts herstellen.

Der Polierprozess basiert auf dem Schleifen des fixierten Rohdiamanten über Diamantstaub, der an die Oberfläche der Polierscheibe gebunden ist. Aufgrund seiner Härte ist nur das Schleifen durch Reibung gegen ähnliches Kohlenstoffmaterial wirksam, um die Form des Diamanten zu seiner geometrischen und brillanten Oberfläche zu manipulieren. Die Workstation-Hardware besteht aus zwei grundlegenden Gruppen von Elementen: Workstation-Mechanismen und handgehaltene Werkzeuge. Die erste Gruppe umfasst einen Elektromotor, der eine Polierscheibe auf einer vertikalen zylindrischen Welle dreht, vielleicht durch einen einzigen direkten Antrieb; einen massiven flachen Tisch, der die Polierscheibe umgibt; eine Sitzbank und eine Lichtquelle. Die handgeführten Arbeitswerkzeuge bestehen aus einem Diamanthalter (oder Angel), der den Rohstein während aller Polierphasen aufnimmt und normalerweise in der linken Handfläche gehalten wird. Die Arbeit wird mit einer konvexen Linse vergrößert, die zwischen dem ersten, zweiten und dritten Finger der rechten Hand gehalten und mit dem linken Auge betrachtet wird. Diese Arbeitsweise wird durch einen strengen Trainingsprozess auferlegt, der in den meisten Fällen die Händigkeit nicht berücksichtigt. Während der Arbeit nimmt der Polierer eine liegende Haltung ein und drückt den Halter an die Schleifscheibe. Diese Haltung erfordert das Abstützen der Arme auf dem Arbeitstisch, um die Hände zu stabilisieren. Infolgedessen ist der N. ulnaris aufgrund seiner anatomischen Position anfällig für äußere Läsionen. Eine solche Verletzung ist bei Diamantschleifern üblich und seit den 1950er Jahren als Berufskrankheit anerkannt. Die Zahl der Polierer weltweit beträgt heute etwa 450,000, von denen etwa 75 % in Fernost ansässig sind, vor allem in Indien, das seine Diamantenindustrie in den letzten zwei Jahrzehnten dramatisch ausgebaut hat. Das Polieren erfolgt manuell, wobei jede der Diamantfacetten von Polierern hergestellt wird, die in Bezug auf einen bestimmten Teil der Steingeometrie geschult und erfahren sind. Die Polierer stellen eine deutliche Mehrheit des Diamantenhandwerks dar und machen etwa 80 % der gesamten Belegschaft der Branche aus. Daher können die meisten Berufsrisiken dieser Branche durch die Verbesserung des Betriebs der Diamantpolierarbeitsstation angegangen werden.

Die Analyse der beim Polieren beteiligten Bewegungsmuster zeigt, dass die Polierroutine aus zwei Unterroutinen besteht: einer einfacheren Routine namens Polierzyklus, die den grundlegenden Diamantpoliervorgang darstellt, und einer wichtigeren Routine namens Facettenzyklus, die eine abschließende Inspektion und eine Änderung der Position des Steins in der Halterung. Das Gesamtverfahren umfasst vier grundlegende Arbeitselemente:

    1. Polieren. Dies ist einfach der eigentliche Poliervorgang.
    2. Inspektion. Alle paar Sekunden überprüft der Bediener mit einem Vergrößerungsglas visuell den Fortschritt, der auf der polierten Facette gemacht wurde.
    3. Dop-Anpassungt. Am Kopf des Diamanthalters (dop) wird eine Winkeleinstellung vorgenommen.
    4. Steinwechsel. Der Vorgang des Wechselns der Facetten, der durch Drehen des Diamanten um einen vorbestimmten Winkel erfolgt. Es dauert etwa 25 Wiederholungen dieser vier Elemente, um die Facette eines Diamanten zu polieren. Die Anzahl solcher Wiederholungen hängt von Aspekten wie dem Alter des Bedieners, der Steinhärte und -eigenschaften, der Tageszeit (aufgrund der Ermüdung des Bedieners) und so weiter ab. Im Durchschnitt dauert jede Wiederholung etwa vier Sekunden. Eine über den Polierprozess und die verwendete Methodik durchgeführte Mikrobewegungsstudie wird von Gilad (1993) gegeben.

           

          Zwei der Elemente – Polieren und Inspektion – werden in relativ statischen Arbeitshaltungen ausgeführt, während sogenannte „Hand zum Polieren“ (H nach P) und „Hand zum Inspizieren“ (H nach I) Aktionen kurze und schnelle Bewegungen der Schulter erfordern , Ellbogen und Handgelenk. Die meisten tatsächlichen Bewegungen beider Hände werden durch Flexion und Extension des Ellbogens und Pronation und Supination des Ellbogens ausgeführt. Die Körperhaltung (Rücken und Nacken) und alle anderen Bewegungen mit Ausnahme der Handgelenksabweichung bleiben während der normalen Arbeit relativ unverändert. Der Steinhalter, der aus einem Stahlstab mit quadratischem Querschnitt besteht, wird so gehalten, dass er auf Blutgefäße und Knochen drückt, was zu einer Verringerung der Durchblutung des Ring- und kleinen Fingers führen kann. Die rechte Hand hält die Lupe während des gesamten Polierzyklus und übt isometrischen Druck auf die drei ersten Finger aus. Die rechte und die linke Hand folgen meist parallelen Bewegungsmustern, während bei der „Hand to grind“-Bewegung die linke Hand führt und die rechte Hand sich nach einer kurzen Verzögerung zu bewegen beginnt, und bei der „Hand to inspect“-Bewegung die Reihenfolge ist umgekehrt. Aufgaben für die rechte Hand bestehen darin, entweder die Lupe an das linke Auge zu halten und dabei die linke Hand zu stützen (Ellbogenflexion) oder Druck auf den Diamanthalterkopf auszuüben, um das Schleifen zu verbessern (Ellbogenstreckung). Diese schnellen Bewegungen führen zu schnellen Beschleunigungen und Verzögerungen, die in einer sehr präzisen Platzierung des Steins auf der Schleifscheibe enden, was ein hohes Maß an manueller Geschicklichkeit erfordert. Es sollte beachtet werden, dass es lange Jahre dauert, bis man so weit geübt ist, dass Arbeitsbewegungen fast eingebettete Reflexe sind, die automatisch ausgeführt werden.

          Auf den ersten Blick ist das Diamantpolieren eine einfache, unkomplizierte Aufgabe, und in gewisser Weise ist es das auch, aber es erfordert viel Geschick und Erfahrung. Im Gegensatz zu allen anderen Branchen, in denen Roh- und Verarbeitungsmaterial kontrolliert und nach genauen Spezifikationen hergestellt wird, ist der Rohdiamant nicht homogen und jeder Diamantkristall, ob groß oder klein, muss einzeln geprüft, kategorisiert und behandelt werden. Abgesehen von der erforderlichen manuellen Geschicklichkeit muss der Polierer in jeder Polierphase operative Entscheidungen treffen. Als Ergebnis der Sichtprüfung müssen Entscheidungen getroffen werden über Faktoren wie winkelräumliche Korrektur – eine dreidimensionale Beurteilung – Höhe und Dauer des anzuwendenden Drucks, Winkelstellung des Steins, Kontaktpunkt auf der Schleifscheibe, ua . Viele wichtige Punkte müssen berücksichtigt werden, und das alles in einer durchschnittlichen Zeit von vier Sekunden. Es ist wichtig, diesen Entscheidungsfindungsprozess zu verstehen, wenn Verbesserungen entworfen werden.

          Bevor man zu dem Stadium vordringen kann, in dem die Bewegungsanalyse zum Festlegen besserer ergonomischer Design- und Konstruktionskriterien für eine Polierarbeitsstation verwendet werden kann, muss man sich noch weiterer Aspekte bewusst sein, die mit diesem einzigartigen Benutzer-Maschinen-System verbunden sind. Im Zeitalter der Postautomatisierung finden wir den Produktionsteil der erfolgreichen und expandierenden Diamantenindustrie noch fast unberührt von den enormen technologischen Fortschritten der letzten Jahrzehnte. Während fast alle anderen Industriezweige einem kontinuierlichen technologischen Wandel unterzogen wurden, der nicht nur die Produktionsmethoden, sondern auch die Produkte selbst definierte, ist die Diamantindustrie praktisch statisch geblieben. Ein plausibler Grund für diese Stabilität mag darin liegen, dass sich weder das Produkt noch der Markt im Laufe der Zeit verändert haben. Das Design und die Formen von Diamanten sind in der Praxis fast unverändert geblieben. Aus betriebswirtschaftlicher Sicht gab es keinen Anlass, das Produkt oder die Methoden zu ändern. Da der Großteil der Polierarbeiten an einzelne Arbeiter vergeben wird, hatte die Industrie außerdem kein Problem damit, die Arbeitskräfte zu regulieren, den Arbeitsfluss und die Lieferung von Rohdiamanten an Marktschwankungen anzupassen. Solange sich die Produktionsverfahren nicht ändern, ändert sich auch das Produkt nicht. Sobald der Einsatz fortschrittlicherer Technologie und Automatisierung von der Diamantindustrie angenommen wird, wird sich das Produkt ändern und eine größere Vielfalt an Formen auf dem Markt verfügbar sein. Aber ein Diamant hat immer noch eine mystische Qualität, die ihn von anderen Produkten unterscheidet, ein Wert, der durchaus sinken kann, wenn er nur als ein weiteres Massenprodukt betrachtet wird. In jüngster Zeit jedoch stellen Marktdruck und die Ankunft neuer Produktionszentren, hauptsächlich in Fernost, die alten etablierten europäischen Zentren vor Herausforderungen. Diese zwingen die Industrie, neue Methoden und Produktionssysteme sowie die Rolle des menschlichen Bedieners zu prüfen.

          Wenn man über die Verbesserung der Polierarbeitsstation nachdenkt, muss man sie als Teil eines Benutzer-Maschine-Systems betrachten, das von drei Hauptfaktoren bestimmt wird: dem menschlichen Faktor, dem technologischen Faktor und dem geschäftlichen Faktor. Ein neues Design, das ergonomische Prinzipien berücksichtigt, wird das Sprungbrett zu einer besseren Produktionszelle im weitesten Sinne des Wortes sein, was Komfort über lange Arbeitszeiten, eine bessere Produktqualität und höhere Produktionsraten bedeutet. Es wurden zwei unterschiedliche Designansätze betrachtet. Die eine beinhaltet eine Umgestaltung des bestehenden Arbeitsplatzes, wobei der Arbeiter die gleichen Aufgaben zu erfüllen hat. Der zweite Ansatz besteht darin, die Polieraufgabe unvoreingenommen zu betrachten, mit dem Ziel einer optimalen Gesamtstations- und Aufgabengestaltung. Ein Gesamtdesign sollte nicht auf der aktuellen Workstation als Eingabe basieren, sondern auf der zukünftigen Polieraufgabe, um Designlösungen zu generieren, die die Anforderungen der drei oben genannten Systemfaktoren integrieren und optimieren.

          Gegenwärtig führt der menschliche Bediener die meisten Aufgaben aus, die mit dem Poliervorgang verbunden sind. Diese von Menschen ausgeführten Aufgaben beruhen auf „Füllung“ und Arbeitserfahrung. Dies ist ein komplexer psychophysiologischer Prozess, der nur teilweise bewusst ist und auf Trial-and-Error-Eingaben basiert, die es einem Bediener ermöglichen, komplexe Operationen mit einer guten Vorhersage des Ergebnisses auszuführen. Während der periodischen täglichen Arbeitszyklen von Tausenden identischer Bewegungen manifestiert sich das „Füllen“ in der mit großer Präzision ausgeführten menschlich-automatischen Operation des motorischen Gedächtnisses. Für jede dieser automatischen Bewegungen werden winzige Korrekturen als Reaktion auf Rückmeldungen vorgenommen, die von den menschlichen Sensoren wie den Augen und den Drucksensoren empfangen werden. In jedem zukünftigen Diamantpolierarbeitsplatz werden diese Aufgaben weiterhin anders ausgeführt. Was das Material selbst betrifft, so ist in der Diamantenindustrie im Gegensatz zu den meisten anderen Industrien der relative Wert des Rohmaterials sehr hoch. Diese Tatsache erklärt, wie wichtig es ist, das Volumen (oder Steingewicht) des Rohdiamanten maximal zu nutzen, um nach dem Polieren den größtmöglichen Nettostein zu erhalten. Dieser Schwerpunkt ist in allen Phasen der Diamantverarbeitung von größter Bedeutung. Produktivität und Effizienz werden nicht nur an der Zeit gemessen, sondern auch an der erreichten Größe und Präzision.

          Die vier sich wiederholenden Arbeitselemente – „polieren“, „hand inspizieren“, „inspizieren“ und „hand polieren“ – wie sie beim Polieren ausgeführt werden, können den drei Hauptaufgabenkategorien zugeordnet werden: motorische Aufgaben für Bewegungselemente, visuelle Aufgaben Aufgaben als sensorische Elemente und Kontrolle und Management als entscheidungsinhaltliche Elemente. Gilad und Messer (1992) diskutieren Designüberlegungen für einen ergonomischen Arbeitsplatz. Abbildung 1 zeigt einen Umriss einer fortschrittlichen Polierzelle. Es wird nur die allgemeine Konstruktion angegeben, da die Details einer solchen Konstruktion als fachlich beschränktes „Know-how“ gehütet werden. Der Begriff Polierzelle wird verwendet, da dieses Benutzer-Maschinen-System einen völlig anderen Ansatz zum Polieren von Diamanten beinhaltet. Neben ergonomischen Verbesserungen besteht das System aus mechanischen und optoelektronischen Vorrichtungen, die die Herstellung von drei bis fünf Steinen gleichzeitig ermöglichen. Teile der Sicht- und Kontrollaufgaben wurden an technisches Bedienpersonal übertragen und die Steuerung der Produktionszelle erfolgt über eine Anzeigeeinheit, die aktuelle Informationen über Geometrie, Gewicht und optionale Bedienbewegungen liefert, um optimale Bedienhandlungen zu unterstützen. Ein solches Design bringt den Polierarbeitsplatz ein paar Schritte weiter in die Modernisierung, indem es ein Expertensystem und ein visuelles Kontrollsystem integriert, um das menschliche Auge bei allen Routinearbeiten zu ersetzen. Die Bediener können weiterhin jederzeit eingreifen, Daten einrichten und menschliche Urteile über die Maschinenleistung fällen. Der mechanische Manipulator und das Expertensystem bilden ein geschlossenes Schleifensystem, das in der Lage ist, alle Polieraufgaben auszuführen. Materialhandhabung, Qualitätskontrolle und Endabnahme liegen weiterhin beim Betreiber. In diesem Stadium eines fortschrittlichen Systems wäre es angemessen, den Einsatz einer höheren Technologie, wie z. B. eines Laserpolierers, in Erwägung zu ziehen. Derzeit werden Laser in großem Umfang zum Sägen und Schneiden von Diamanten verwendet. Die Verwendung eines technologisch fortschrittlichen Systems wird die menschliche Aufgabenbeschreibung radikal verändern. Der Bedarf an erfahrenen Polierern wird abnehmen, bis sie sich nur noch mit dem Polieren größerer, hochwertiger Diamanten befassen, wahrscheinlich unter Aufsicht.

          Abbildung 1. Schematische Darstellung einer Polierzelle

          ERG255F1

           

           

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