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Gesund schmieden Ergonomische Schmiedezange erleichtert die Arbeit

| Autor/ Redakteur: Bernd-Arno Behrens, David Schellenberg und Malte Stonis / M.A. Frauke Finus

Arbeitsschutz Glühend heiße, kiloschwere Stahlteile zu handhaben ist körperlich belastend. Eine neuartige Schmiedezange soll Belastungen bei der Arbeit reduzieren, Schmerzen vorbeugen und den Krankenstand senken.

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Handhabung eines heißen Schmiedeteils mittels einer herkömmlichen Schmiedezange.
Handhabung eines heißen Schmiedeteils mittels einer herkömmlichen Schmiedezange.
(Bild: IPH)

Das Schmieden ist ein wesentlicher Baustein der Wertschöpfungskette für die Produktion von Produkten für den Automobil- und Maschinenbausektor. Eine hohe Produktivität sowie eine wirtschaftliche Arbeitsweise sind daher für Unternehmen von entscheidender Bedeutung [1]. Neben der Auslastung der Maschinen stellen die Arbeitsbedingungen der Mitarbeiter einen bedeutenden Einfluss auf die Produktivität dar. Beeinträchtigt wird die Produktivität in der Schmiedebranche durch eine Vielzahl von äußeren Belastungen (beispielsweise hohe Halbzeuggewichte und übertragene Stöße und Schwingungen), die auf die Mitarbeiter einwirken und besonders häufig zu gesundheitlich bedingten Ausfällen führen.

Nach aktuellen Gesundheitsreporten deutscher Krankenkassen werden die Arbeitsunfähigkeitsfälle von Muskel-Skelett-Erkrankungen mit einem Anteil von 21,8 % dominiert [2]. Hierbei nehmen allein Rückenbeschwerden einen überwiegenden Anteil von 27 % ein. Von diesen Beschwerden sind vornehmlich Berufsgruppen, wie die Schmiedebranche, mit einer hohen körperlichen Belastung betroffen. Die Schmiedebranche ist allein unter der Diagnose Rückenbeschwerden mit 150,8 Arbeitsunfähigkeitstagen je 100 Versicherungsjahren knapp doppelt so stark überrepräsentiert als die durchschnittlichen anderen Branchen (87 Tage). Die Ergebnisse der Krankenkassen decken sich mit anonymen Befragungen durch Fragebögen des IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover von unmittelbar betroffenen Mitarbeitern aus Schmiedeunternehmen. Abgefragt wurde, in welchem Bereich im Körper Beschwerden durch die Schmiedetätigkeit auftreten. Das Ergebnis zeigt, dass die Mitarbeiter vor allem zu hohe Belastungen in Hand, Schulter und Rücken beklagen. Dominante Beschwerden treten unter den Sehnen- und Gelenkbeschwerden in der Schulter und im Hand-System (Finger und Hand) auf. 33 % aller Befragten haben Sehnen-Beschwerden in der Schulter und im Hand-System angegeben. 46 % der Befragten leiden unter Gelenk-Beschwerden vor allem im Hand-System. Unter den Muskel-Beschwerden beklagen die Befragten am häufigsten Rücken- (23 %) und Nacken- sowie Oberarm-Beschwerden (je 18 %).

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Um die gezeigten Belastungen für die Mitarbeiter zu reduzieren, sollen im Rahmen eines Forschungsprojektes des IPH drei Maßnahmenpakete untersucht und umgesetzt werden, die beim Handling der Schmiedeteile unterstützen. Diese werden nachfolgend vorgestellt.

Stöße und Schwingungen dämpfen

Neben der Befragung bezüglich der belasteten Körperbereiche wurde die Art der Belastung erfragt. 100 % der vom IPH befragten Mitarbeiter gaben an, dass Stöße und Schwingungen zu den größten Belastungen während der Arbeit zählen. Ursache der subjektiv als belastend wahrgenommenen Stöße und Schwingungen sind die vom Schmiedehammer ausgehenden Schläge auf das Halbzeug. Über das Halbzeug breiten sich die Stöße und Schwingungen auf die Schmiedezange und somit auf den Mitarbeiter aus. Schmiedungen mit hohen Umformgraden wie beispielsweise bei gebogenen Halbzeugen werden als besonders belastend von den Mitarbeitern empfunden, da diese zu einem stoßartigen Bewegen der Zange durch den Hammer führen, welche durch den Mitarbeiter in sekundenbruchteilen kompensiert werden muss.

Um diese Belastungen zu reduzieren, sind konstruktive Maßnahmen an der Schmiedezange geplant. Beispielsweise sollen Materialkombinationen aus unterschiedlichen Elastomeren in Form von Gummipufferelementen an den Griffflächen dafür sorgen, dass vom Hammerschlag ausgehende Amplituden gedämpft werden. Darüber hinaus kann die Übertragung von Stößen und Schwingungen verringert werden, wenn der Mitarbeiter teils von der Schmiedezange und den damit auftretenden Schwingungen entkoppelt wird. Eine Teilentkopplung zwischen Mensch und Schmiedezange kann bspw. durch eine Reduktion der Zuhaltekraft der Hand realisiert werden.

Geringere Zuhaltekräfte verringern Belastungen

Bei herkömmlichen Schmiedezangen ist die Zuhaltekraft der Hand (FHand) bedingt durch die nötige Presskraft (FPress), um das Halbzeug in Position zu halten, sowie der Geometrie (L1, L2) der Zange. Durch die konstante Kraft-Übersetzung L1/L2 der Zange, sind bei einem Halbzeuggewicht von bis zu 80 kg hohe Belastungen für den Mitarbeiter die Folge. Eine Reduktion der Zuhaltekraft kann beispielsweise durch eine federgeladene Zange realisiert werden. Dabei besitzt die Zange ein Federelement zwischen den beiden Schenkeln, die die Zange geschlossen hält. Durch Zusammendrücken der Schenkel öffnet sich das Zangenmaul und Halbzeuge können gegriffen werden. Beim Loslassen der Schenkel, drückt die Kraft der Feder das Zangenmaul wieder zusammen und der Mitarbeiter wird beim Zuhalten des Halbzeugs um das Federmoment FFeder*L2/L3 entlastet.

Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Zuhaltekraft ist der Einsatz einer variablen Kraft-Übersetzung der Schmiedezange durch bspw. eine Kniehebelmechanik. Durch den Einsatz eines Kniehebels kann die Presskraft um den Faktor L3/L4 vervielfacht werden.

Exoskelette können Mitarbeiter entlasten

Das Handling von schweren Halbzeugen erfolgt manuell mit einer herkömmlichen Schmiedezange und ist nach Untersuchungen des IPHs belastend für Hand, Schulter und Rücken der Mitarbeiter. Konzepte zur Unterstützung beim Handling von schweren Halbzeugen können am Körper getragen oder extern in der Schmiedeumgebung appliziert werden.

Ein Konzept sieht ein mobil einsetzbares Gestell vor, dass vor jeder Presse oder jedem Hammer gestellt und nach Bedarf an die jeweilige Arbeitshöhe angepasst werden kann. Das Gestell bietet dem Mitarbeiter eine Unterstützungsstange im Handhabungsraum und dient als verschiebliches Auflager für die Zange. Mithilfe des Gestells kann der Mitarbeiter das Halbzeug einfacher handhaben und ermüdungsfreier Arbeiten, da die Muskelaktivität herabgesenkt wird.

Ein weiterer Aspekt ist der Einsatz eines Exoskeletts. Das Exoskelett findet bereits in vielen Branchen, in denen Lasten manuell bewegt werden, vermehrt Anwendung [3]. Ziel des Exoskelett-Konzepts ist es, das Gewicht der Zange und des handzuhabenden Halbzeugs über eine äußere Stützstruktur am Körper in den Boden abzuleiten. Dadurch sollen die hohen Belastungen in Hand, Schulter und Rücken durch das Halbzeuggewicht verringert werden.

Eine dritte Möglichkeit ist eine Abwandlung des Exoskeletts. Hierbei soll ein Gurtsystem, bestehend aus Rückenweste, Beckengurt und Kopplungselemente zum Befestigen an der Zange genutzt werden. Dadurch soll die Gewichtskraft der Zange und des Halbzeugs auf eine große Fläche des Körpers verteilt und somit die Belastungen vor allem in Hand und Arm verringert werden. Zusätzlich wird durch eine ergonomischere Körperhaltung die Schulter und der Rücken entlastet.

Je nach Einsatzgebiet die richtige Zange

So vielfältig wie die Formen und Größen von Schmiedehalbzeugen sind, so vielfältig sind auch die Einsatzgebiete einer Schmiedezange. Um eine möglichst anwendungsorientierte, ergonomische Schmiedezange zu entwickeln, wird ein Baukasten mit vielen Lösungskonzepten erstellt. Mittels dieses Baukastens kann für jeden Anwendungsfall eine geeignete Schmiedezange ausgelegt werden. So benötigen beispielsweise Werkzeughersteller mit vorwiegend kleinen Halbzeugen eher eine Stoß- und Schwingungsdämpfung durch den erhöhten Anteil an übertragenen Vibrationen, als ein Gurt-Konzept, dass sich vornehmlich an die Handhabung von schweren Halbzeugen richtet. Mit dem Baukastenprinzip können allerdings je nach Anwendung auch mehrere Konzepte in einer Schmiedezange vereint werden.

Das IGF-Vorhaben 20505 N der Forschungsgesellschaft Stahlverformung (FSV) e.V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Quellen:

[1] Küster Simic, A.; et al.: Branchenanalyse deutscher Schmiedeindustrie, Band 303, Hans-Böckler-Stiftung, Düsseldorf, 2015

[2] Marschall, J.; et al.: DAK Gesundheitsreport 2018, DAK-Gesundheit, 2018

[3] Schick, R.: Einsatz von Exoskeletten an gewerblichen Arbeitsplätzen, DGUV Forum, Heft 1·2, Universum Verlag GmbH, Wiesbaden, 2018

* Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens, Dr.-Ing. Malte Stonis und David Schellenberg forschen am IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover, Tel.: (05 11) 2 79 76-33 6, schellenberg@iph-hannover.de

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