Produzieren 4.0

Individuelle Produkte schnell, flexibel und nachhaltig fertigen – Industrie 4.0 soll es möglich machen.

Die Digitalisierung verändert die Produktion der Zukunft

Die Industrie steht vor großen Herausforderungen: Die Kunden verlangen neue, individuelle, qualitativ hochwertige und dennoch preisgünstige Produkte in immer kürzeren Zeitabständen. Gleichzeitig müssen Waren mit knapper werdenden Ressourcen gefertigt werden und das möglichst nachhaltig. Um diese Anforderungen zu meistern, setzen Forschung und Wirtschaft auf die Digitalisierung der Fertigung, in der die reale und virtuelle Welt zu einem Internet der Dinge, Dienste und Daten zusammenwachsen.

Dabei sind Maschinen, Werkstücke, Transportmittel und Waren mit eingebetteten Systemen, sprich winzigen Rechnern, sowie Sensoren und Aktoren versehen und miteinander verbunden. Das ermöglicht den nächsten Sprung in der Produktion, die Industrie 4.0.

Die digitale Transformation der Industrie

Aber wie funktioniert die smarte Produktion der Zukunft? Künftig sind alle Maschinen, von der Fräse bis zum Schweißroboter, miteinander vernetzt. Auch jedes Werkstück verfügt über ein eingebettetes System. Dort sind etwa verschiedene Informationen wie der Auftraggeber, die gewünschte Ausstattung und der Zielort gespeichert. Die Rohlinge lassen sich eindeutig identifizieren und lokalisieren. Sie kennen nicht nur die geforderte Bearbeitung, sondern sind auch mit den Maschinen vernetzt und können sich abstimmen, wann welcher Fertigungsschritt durchlaufen wird. Fällt eine Station aus, steht in Zukunft nicht mehr die gesamte Linie still. Stattdessen planen Werkstücke und Maschinen die Reihenfolge der Bearbeitung um. So entsteht eine »sich selbst organisierende«, adaptive Produktion, in die der Mensch nicht mehr ständig eingreifen muss, aber über die er die Kontrolle hat.

Damit die smarte Produktion reibungslos laufen kann, müssen die Maschinen und Roboter kontinuierlich melden, was sie gerade tun und wie lange gegebenenfalls verschleißende Komponenten noch halten. Alles, was in der realen Fabrik abläuft, wird parallel auch im Virtuellen abgebildet. Diese Verbindung realer und virtueller Welt bezeichnen Experten als »cyberphysische Systeme« (CPS). Von der digitalen Transformation der Industrie erhofft sich die Wirtschaft einige Vorteile: Die flexible Zukunftsfabrik ermöglicht es, nach Kundenwunsch zu fertigen und Änderungen der Produktion bis zur Integration neuer Maschinen jederzeit ohne großen Aufwand durchzuführen. Zudem sind die Maschinen besser ausgelastet, der Ressourcenverbrauch geht zurück und es gibt weniger Ausschuss.

Fahrzeugproduktion ohne Takt und ohne Linie

© Foto ARENA2036 © Werner Sobeck

Industrie und Forschung arbeiten daran, dass die Vision der sich selbst organisierenden Fabrik Wirklichkeit wird. »Fraunhofer verfügt über große Kompetenz in den Bereichen Produktion, Maschinenbau, Logistik, eingebettete Systeme, Sicherheit sowie Informations- und Kommunikationstechnik. Wir können wichtige Grundlagen für die Fertigung der Zukunft legen sowie Lösungen für die smarte, vernetzte Produktion entwickeln und damit zu einer nachhaltigen Wertschöpfung in Deutschland beitragen«, betont Professor Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft.

In verschiedenen Projekten untersuchen Forscherinnen und Forscher, wie die Fabrik der Zukunft aussehen kann, wie sich die Produktion flexibel gestalten lässt, welche Rolle der Mensch in der smarten Fertigung spielt und wie Unternehmen die Souveränität über ihre Daten behalten können. Die Fraunhofer-Experten entwickeln nicht nur wichtige Bausteine für Industrie 4.0, sondern erarbeiten auch ganzheitliche Konzepte für die smarte Produktion. So gestalten Experten des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA zusammen mit der Universität Stuttgart und Partnern aus der Industrie in dem Projekt ARENA2036 die künftige Automobilentwicklung und -produktion entlang der gesamten Wertschöpfungskette neu. »Wir erforschen ein grundsätzlich neues Konzept für die Fahrzeugproduktion – ohne Takt und ohne Linie, verbinden Leichtbauprozesse mit taktiler Robotik, entwickeln effiziente, wandlungsfähige Logistiksysteme und sorgen für einen intuitiv konfigurierbaren Informationsaustausch«, erklärt Professor Thomas Bauernhansl, Leiter des Fraunhofer IPA in Stuttgart.

Übersetzer erleichtert Kommunikation

Eine weitere wichtige Voraussetzung für smarte Fabriken ist, dass die Maschinen miteinander, mit übergeordneten IT-Systemen, aber auch mit den Werkstücken und den Werkern kommunizieren können. Doch noch stößt die Vernetzung bestehender Anlagen an Grenzen, denn die Maschinen unterschiedlicher Hersteller nutzen datentechnisch meist verschiedene Schnittstellen und Protokolle zur Kommunikation. Abhilfe schafft der »Plant Adapter«, ein industrielles Daten-Gateway, das Experten des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz entwickelt haben. Der »Plant Adapter« stellt als Kombination aus Hard- und Software eine Lösung zur universellen Anbindung von Maschinen und weiteren Komponenten der Produktion und Produktionsinfrastruktur dar. Er sammelt unterschiedlichste Produktions- und Maschineninformationen und bereitet sie so auf, dass sie plattformübergreifend gelesen und verarbeitet werden können. »Die `Ressource Daten´ gewinnt stetig an Bedeutung«, erklärt Dr. Tino Langer, Abteilungsleiter Digitalisierung in der Produktion am IWU. »Um deren Wert im Umfeld der Produktion noch weiter zu steigern, sind neue Methoden und Lösungen erforderlich.«

Über Smart Devices wie Smart Glass und den Coaster erhält der Mensch wichtige Informationen.
© Foto Fraunhofer IPT, Fraunhofer IML

Über Smart Devices wie Smart Glass und den Coaster erhält der Mensch wichtige Informationen.

Wandelbare Fabriken

Kürzere Innovationszyklen und individuelle Produkte erfordern nicht nur eine flexible Fertigung, sondern auch wandelbare Fabriken, die sich schnell für die Herstellung neuer Artikel umrüsten lassen. »Eine der Herausforderungen an die Industrie-4.0-IT-Architektur ist es, sich an Änderungen anzupassen – sei es, dass neue Anlagen oder Prozesse in das System eingebracht werden oder dass bestehende Produktionssysteme verändert werden, etwa weil eine Produktvariante zusätzlich gefertigt werden soll«, erläutert Dr.-Ing. Olaf Sauer, stellvertretender Leiter des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Karlsruhe. Im Projekt »SecurePLUGandWORK« arbeiten Wissenschaft und Wirtschaft an einer intelligenten Verknüpfung zwischen den einzelnen Bestandteilen der Fabrik. Ihre Idee: Ähnlich wie beim USB-Standard bei PCs erkennt jede Komponente, was sich verändert hat, und reagiert darauf automatisch.

Der Mensch wird gebraucht

Smart Glasses lassen sich in vielen Fertigungsprozessen einsetzen: Die Smart-Glasses-Lösung »oculavis« besteht aus einer App, der Datenbrille und einer webbasierten Umgebung für die Modellierung des Anwendungsszenarios. Im Sichtfeld der Brille können Abläufe dargestellt und mit Zusatzinformationen wie Bildern, Audio- und Videodaten oder 3D-Modellen angereichert werden.

Damit die Menschen in der smarten Fabrik der Zukunft agieren können, werden neue Mensch-Maschine-Schnittstellen benötigt, die Smart Devices. Diese mobilen Geräte sind kabellos vernetzt und mit verschiedenen Sensoren ausgerüstet. In der Logistik kann etwa der nur bierdeckelgroße Coaster® zum Einsatz kommen. Das Gerät ist nicht nur mit einer Kamera und einem Display ausgestattet, sondern kann auch mit anderen Maschinen über Schnittstellen kommunizieren. Welche Funktion er ausführt, entscheiden die Applikationen, die auf dem Coaster laufen. So zeigt zum Beispiel die Maschinenstatus-App den Energieverbrauch, Laufzeit und Fehlermeldungen von Anlagen an.

Um den Werker nahtlos in die Informationsprozesse der Fertigung zu integrieren, hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT bei der Konzipierung von »oculavis« eine nutzerzentrierte Sichtweise eingenommen. Mit der Softwareplattform »oculavis« sowie den Apps für die Endgeräte wie Datenbrillen oder Tablets können die Informationsflüsse der Fabrik vom und zum Werker optimal gelenkt werden. Dies ermöglicht z.B. bei der Robert Bosch Elektronika Kft. aus Ungarn, dass auch ungelernte Mitarbeiter innerhalb kürzester Zeit komplexe Montagevorgänge mit Smart Glasses ausführen können. »oculavis« wird ab Mai in Kooperation mit dem IPT in einer Ausgründung weiterentwickelt und kommerzialisiert. 

Informationen sichern im Industrial Data Space

Die Digitalisierung kann aber auch Gefahren bergen. Wie schützt man die Informationen vor unerlaubten Zugriffen, wenn alle Komponenten miteinander vernetzt sind? Wie behalten Firmen die Souveränität über ihre Daten? Fraunhofer arbeitet gemeinsam mit der Wirtschaft und in Kooperation mit der Bundesregierung an einem international offenen und zugleich sicheren Datenraum, dem Industrial Data Space. In diesem geschützten Raum können Unternehmen nach selbst festgelegten Regeln Daten miteinander austauschen, ohne dabei die Kontrolle über ihre Informationen abzugeben.

 

Doch kann Europa von der vierten industriellen Revolution profitieren? Ja. Die digitale Transformation der Fertigung eröffnet der EU enorme Chancen, so das Ergebnis einer Studie von Roland Berger Strategy Consultants im Auftrag des Bundesverbands der Deutschen Industrie e. V. (BDI). Bis 2025 könnte Europa einen Zuwachs von 1,25 Billionen Euro an industrieller Bruttowertschöpfung erzielen. Allein für Deutschland ergibt sich ein zusätzliches Wertschöpfungspotenzial von bis zu 425 Milliarden, allerdings nur, wenn der Umstieg auf die Industrie 4.0 gelingt. Den vielversprechenden Möglichkeiten vernetzter, effizienterer Produktion und neuer Geschäftsmodelle stehen jedoch auch Risiken gegenüber: Sollte sich die deutsche Industrie von ihrer Spitzenposition bei der Wertschöpfung verdrängen lassen, drohen massive Einbrüche von bis zu 220 Milliarden Euro. 

Mehr zum Thema im Fraunhofer Innovationsforum

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