Eine Umfrage des SAP-Systemhauses Fistec aus Saarbrücken brachte es Ende Dezember 2013 auf den Punkt: Bei allen erwarteten Chancen und Möglichkeiten verharren die Unternehmen im Hinblick auf Industrie 4.0 noch in einer Orientierungsphase. Doch die Bedeutung des Themas werde in den kommenden Jahren deutlich steigen. Dies gelte vor allem für Unternehmen mit einem komplexen Produktspektrum.
So zum Beispiel die Automobilindustrie, die aufgrund der vielfältigen Individualisierungsmöglichkeiten von Serienfahrzeugen ab Werk deutlich vernehmbar unter dem erforderlichen Komplexitäts- und Variantenmanagement ächzt. So schlugen sich bei Ford in Köln Einkauf und Werklogistik lange Jahre mit 49 Schaltern für Instrumententafeln, 14 Hupen, 308 Außenspiegeln, 92 Auspufftöpfen und 13 Tankverschlüssen herum. Erst dann begann ein eigens eingesetzter „Director Vehicle Communality“ aufzuräumen und die Verwendung von Gleichteilen zu forcieren.
Zu den Folgen der Verästelungen zählen eine aufwändige Logistikplanung ebenso wie erhöhter Platzbedarf und Handlingaufwand und nicht zuletzt die Verwechslungsgefahr. Nicht ohne Grund ist das Güterverteilzentrum im Werk so manches Automobilherstellers deutlich größer als die eigentliche Fahrzeugmontage selbst. Nicht zu vergessen die Produktionssteuerung, die softwaretechnisch die Varianz abbilden und im Griff halten muss.
Die unter dem Begriff Industrie 4.0 zusammengefassten Methoden sollen derlei Probleme auflösen. Die bislang starren Produktionsstrukturen, so die Idee, werden in modulare, effiziente Systeme umgewandelt, die in der Lage sind, sich selbstständig zu organisieren. Eine zentrale Rolle übernehmen die herzustellenden Produkte und zu bearbeitenden Werkstücke. Sie führen die erforderlichen Fertigungsinformationen jederzeit mit sich und verfügen über lokale Intelligenz und Regeln, um mit den Bearbeitungsstationen zu kommunizieren und so selbstgesteuert ihren Weg durch die Fertigung zu finden.
Wie sehr ein solches Vorgehen die Prozesse verändern kann, zeigt ein Blick auf die bislang übliche Vorgehensweise: Die klassische Steuerung plant Arbeitsgänge im Auftragsnetz mit voraussichtlichen Ankunftszeiten und voraussichtlichen Warteschlangen. Bei deutlichen Planverschiebungen sind eine Neuberechnung des Auftragsnetzes und manuelle Entscheidungen bei Verzögerungen der Kundentermine erforderlich.
Bei der produktgetriebenen Fertigung geht die Initiative stattdessen vom Werkstück aus, das die zeitgerechte Ausführung der erforderlichen Bearbeitungsoperationen als Ziel verfolgt. Dazu sind die Werkstücke oder die Werkstückträger sowie die Fertigungsinfrastruktur mit cyberphysischen Systemen (CPS) als Kommunikationsplattform ausgestattet. Diese CPS dienen der Vernetzung von eingebetteten Systemen der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) untereinander und mit dem Internet.
Dialog zwischen Werkstücken und Fertigung
Auch die Wahl der nächsten Bearbeitungsstationen erfolgt im Dialog zwischen den Werkstücken und Fertigungsressourcen, sprich den Bearbeitungsmaschinen. Erst im Augenblick der Entscheidungsnotwendigkeit ordnet das System einzelne Aufträge den Maschinen zu und berücksichtigt dabei die Verfügbarkeiten der Maschinen, ihre aktuellen Rüstzustände und Belegung sowie aktuelle Warteschlangen und Losgrößen.
Auch wenn sich viele dieser Ideen wie Zukunftsmusik anhören, sind erste Vorläufer-Techniken bereits im Einsatz. Wie weit dabei die Schere zwischen den Branchen auseinanderklafft, verdeutlicht eine weitere Studie der Marktforschungs- und Beratungsfirma Pierre Audoin Consultants (PAC) im Auftrag der Freudenberg IT (FIT). Während demnach im Maschinen- und Anlagenbau derzeit neun Prozent aller Unternehmen Selbststeuerung und Vernetzung in ihrer Fertigung einsetzen, sind es im Automobil-Sektor bereits doppelt so viele. „Anders als im Maschinen- und Anlagenbau agieren mittelständische Fertiger in der Automobilindustrie meist als Zulieferer innerhalb engmaschig verzahnter Lieferketten. Viele von ihnen unterliegen daher einem hohen Innovationsdruck, der von den großen Abnehmern innerhalb der Supply Chain ausgeht“, kommentiert die studienverantwortliche PAC-Analystin Stefanie Naujoks. Zur Vorreiterrolle der Automobil-Branche ergänzt Thomas Ahlers, Mitglied der Geschäftsleitung bei Freudenberg IT: „Gerade Automobilzulieferer sind auf extrem flexible Fertigungsprozesse und deren intelligente Vernetzung angewiesen. Vollintegrierte Lagerprozesse sind in dieser Branche unumgänglich, da Systemkomponenten oftmals in definierter Reihenfolge zum jeweils festgelegten Zeitpunkt geliefert werden, damit sie beim Kunden ohne Zwischenlagerung weiterverbaut werden können.“
Einstweilen gehen die Arbeiten an den künftigen Funktionen einer vernetzten, sich selbst steuernden Produktion weiter. Auch Grundlagenforschung ist noch erforderlich. Um beispielsweise die Fähigkeiten von CPS zu realisieren, bedarf es einer Vielzahl von Entwicklungen. „Für die Realisierung einzelner Fähigkeiten sind die erforderlichen Methoden noch nicht verfügbar oder ungenügend erforscht. Deshalb ist eine genaue Identifizierung der benötigten Techniken nur eingeschränkt möglich“, heißt es dazu in einer aktuellen Studie der deutschen Akademie für Technikwissenschaften acatech.
Auch die Automobilindustrie engagiert sich. Die Berliner Inpro Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie, zu deren Gesellschaftern auch Daimler und Volkswagen zählen, formulierte bereits vier grundlegende Forschungsfelder. Dabei handelt es sich um die vertikale Integration von Produktionssystemen, die Durchgängigkeit der Produktentwicklung, den Komplex Mensch und Arbeit in Industrie-4.0-Systemen sowie die Technik von CPS für den Einsatz in der Produktion.
Als Hebel für die Umsetzung der Ideen bezeichnet Prof. Dr.-Ing. Dieter Wegener, Vice President Advanced Technologies & Standards bei Siemens, das Zusammenwirken von IT-getriebenen Innovationen, Innovationen in Prozessen und Abläufen sowie im Maschinenbau. Zu den aktuellen Herausforderungen zählten das Schaffen eines wissenschaftlichen Fundaments sowie eine frühzeitige Standardisierung. Proprietäre Systeme sollen vermieden werden.
Dr. Stefan Kienzle, Direktor in der Konzernforschung von Daimler, hält darüber hinaus eine frühzeitige Konsolidierung der diskutierten Konzepte in Richtung Umsetzbarkeit für wünschenswert: „Nicht alle Ideen sind neu, aber viele erhalten durch vernetzte Informations- und Kommunikations-Techniken neue und verbesserte Umsetzungschancen.“ Das betrifft zum Beispiel die direkte Mensch-Roboter-Kooperation, die Daimler bereits seit Jahren gemeinsam mit Kuka vorantreibt.
Um Verharrungseffekten bei bestehenden zentralistischen Technologieplattformen entgegenzuwirken, empfiehlt Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich, Lehrstuhlinhaber für Automatisierungstechnik an den Universitäten Stuttgart und Siegen, den Aufbau von Demonstratoren. Anhand konkreter Anwendungsszenarien könnten so Nutzen und Mehrwert sich selbst steuernder Produktionsanlagen plakativ belegt werden. Wie ein solcher Demonstrator aussehen könnte, zeigt ein Blick in einen Sonderforschungsbereich der Universität Bremen: Am Beispiel einer Rückleuchtenfertigung für Autos zeigt die Anlage, wie selbststeuernde Produkte auf unvorhergesehene Störungen kurzfristig reagieren. Beispielsweise wählen sie sich eigenständig einen neuen Kundenauftrag, den sie abdecken können, wenn ihr bisheriger Kundenauftrag storniert wurde. Sollte eine Montagestation ausfallen, ändern die Produkte selbstständig ihre Route und ziehen einen anderen Montageschritt vor oder wählen eine alternative Montagestation.
