Volkswirtschaften auf der ganzen Welt erlebten durch die dritte industrielle Revolution einen Boom, als Roboter Menschen ersetzten und repetitive Aufgaben mit weniger Fehlern erledigten. Allerdings funktionierten diese Roboter nicht ohne menschliche Bediener. So kam die Idee auf, den Robotern ein Gehirn oder Intelligenz zu verleihen.
Verbraucherverhalten und Märkte ändern sich stetig. Heute liegen einzigartige, besondere und komplexe Produkte im Trend. Das hat in der Industrie zu einem dezentralisierten Ansatz geführt, bei dem intelligentere, automatisierte und digital vernetzte Systeme anstelle der traditionellen Fertigungsverfahren treten.
Das Resultat kennen wir unter dem Schlagwort Industrie 4.0. Die vierte industrielle Revolution hat das Zeitalter intelligenter Fertigungsroboter eingeläutet. Diese Maschinen sind autark und selbstkorrigierend. In den intelligenten Fabriken, in denen diese smarten Roboter arbeiten, steht eine Selbstregulierung mit dem Ziel maximaler Effizienz erheblich geringeren Kosten im Fokus. Die digitale Fertigung ist die Grundlage der intelligenten Fabrik. Das ist auch das Thema dieses Artikels.
Was ist digitale Fertigung und wohin geht die Reise?
Digitale Fertigung ist eine neue Technologie, mit der Produkte in unvorstellbarer Geschwindigkeit und Effizienz gestaltet und hergestellt werden können. In einer Welt, in der uns Technologien wie künstliche Intelligenz (KI) und Machine Learning (ML) zur Verfügung stehen, ist die Industrie 4.0 kein Traum mehr. Intelligenz ist nicht länger eine rein menschliche Eigenschaft, wenn autonome Roboter in intelligenten Fabriken immer wieder clevere Entscheidungen fällen. Jede Minute unseres Daseins werden weltweit viele Terabyte von Daten von den IoT-Geräten erzeugt. Dieser gewaltige Datenschatz kann einen Beitrag zu neuen, sehr viel robusteren autonomen Technologien als bisher leisten.
Es ist davon auszugehen, dass die Global Player in Industrienationen und Schwellenländern viel Geld in die Hand nehmen werden, was sich als Balsam für die Wunden erweisen wird, die Covid-19 der Weltwirtschaft geschlagen hat.
Doch die gegenwärtige IKT-Struktur ist noch nicht in der Lage, mit der Entwicklung der digitalen Fertigung Schritt zu halten. Die erste Herausforderung besteht darin, einen Standardisierungsprozess aufzustellen, der die erfolgreiche Umsetzung der strategischen Vision der Industrie 4.0 sicherstellt.
Grundlagen der digitalen Fertigung
Bei der digitalen Fertigung werden Computer eingesetzt, um den gesamten Herstellungsprozess, die Lieferkette und die Serviceerbringung zu simulieren, umzusetzen und zu untersuchen. Dazu werden alle Einzelteile zu einem stabilen, digitalen vernetzten System verbunden.
Die digitale Fertigung ist bereits in diversen Fertigungssektoren gang und gäbe. In der Automobilindustrie können Erstausrüster (Original Equipment Manufacturers, OEM) alle Prozesse wie Werkzeugbau, Bearbeitung, Montagereihenfolge und Fabriklayout digital simulieren, während sich die Entwurfstechnikteams um das Design kümmern. Die Umsetzbarkeit der Designs lässt sich exakt analysieren und vom OEM kommentieren, was viel Geld und Ressourcen einspart.
All das wurde durch die Evolution datengesteuerter autonomer Systeme und Tools für das Machine Learning möglich. Unternehmen möchten IoT-Geräte vernetzen, wichtige Messdaten zentral sammeln, Daten in Echtzeit visualisieren, Ergebnisse analysieren und Fertigungsprozesse optimieren. Die digitale Fertigung erlaubt es, Engstellen auszumerzen, den Lagerbestand zu verringern, die Qualität zu erhöhen, die Time-to-Market zu verkürzen, rasch auf Kundenbedürfnisse zu reagieren und die Anzahl der hergestellten Produkte zu erhöhen.
Was ist eine intelligente Fabrik? Wie wird dort die digitale Fertigung genutzt?
Eine intelligente Fabrik ist das Resultat der Digitalisierung. Jede Maschine, jedes Gerät ist sich seiner Umgebung „bewusst“. Alle Zahnräder in diesem Ökosystem greifen reibungslos ineinander, um das gewünschte Ergebnis zu liefern. Eine intelligente Fabrik zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:
1. Es werden gewaltige Datenmengen ausgewertet, die von unterschiedlichen Sensoren und Instrumenten ausgegeben werden.
2. Vernetzte Systeme nutzen Echtzeitdaten, die unmittelbar in anderen Teilen der Fabrik eingesetzt und von den Softwaresystemen des Unternehmens analysiert werden.
3. Die Fertigung wird individuell auf die Bedürfnisse der verschiedenen Kunden abgestimmt. Mithilfe moderner Software zur Simulation, neuer Materialien und Technologien wie 3-D-Druck können Hersteller problemlos Kleinserien spezieller Produkte für einzelne Kunden anfertigen. Drehte sich bei der ersten industriellen Revolution noch alles um die Massenfertigung, zeichnet sich die Industrie 4.0 durch massenhafte Individualisierung aus.
4. Eine bessere, transparente Lieferkette enthält die relevanten Informationen für jedes Glied der Kette und stellt sie offen zur Verfügung.
Technologien in intelligenten Fabriken
In intelligenten Fabriken werden smarte Fertigungsprozesse durch den Einsatz vieler verschiedener Technologien optimiert.
Dazu gehören diese:
1. Das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) ist ein Hauptbaustein intelligenter Fabriken. Maschinen sind mit Sensoren bestückt, die in einem Netz über IP-Adressen Verbindungen zu anderen webfähigen Geräte herstellen können.
2. Cloud-Computing bezeichnet das Speichern, Analysieren und Berechnen der anfallenden Daten der vielen Knoten in der Cloud.
3. KI und Machine Learning ermöglichen es den Fertigungsunternehmen, die Masse der in der Fabrik, in den einzelnen Geschäftsbereichen und bei Partnern oder Dritten angefallenen Daten in vollem Umfang zu nutzen. KI und Machine Learning können Einsichten bieten, die zu Transparenz, Berechenbarkeit und Automatisierung von Abläufen und Prozessen führen.
4. Der digitale Zwilling in der Industrie 4.0 ist eine virtuelle Kopie der Prozesse, Fertigungslinien, Fabriken und Lieferketten, der erst durch den digitalen Wandel möglich wurde. Mit den Daten der IoT-Sensoren, Geräte, SPS und anderer vernetzter Endpunkte kann der digitale Zwilling gebaut werden. Hersteller nutzen diese Technik, um die Produktivität zu steigern, Abläufe zu verbessern und neue Produkte zu entwickeln. Dabei wird der Produktionsprozess in seiner Gesamtheit simuliert.
Anwendungsfälle, die durch digitale Fertigung möglich werden
Die digitale Fertigung bietet viele Vorteile und macht unzählige Anwendungsfälle möglich. Zu den bekanntesten Beispielen gehört die vorbeugende Wartung, mit der sich teure Ausfälle und Stillstandzeiten vermeiden lassen. Wenn Sensoren Echtzeitdaten für KI/ML-Algorithmen liefern, kann der Systemzustand in Echtzeit überwacht werden, um vor dem Auftreten unerwünschter Ausfälle einzugreifen. Die digitale Fertigung macht es auch möglich, die Qualität zu erkennen, um Maschinen und Produkte in Echtzeit mittels optischer Analyse zu überwachen und zu testen. Auf diese Weise optimierte Arbeitsplätze verbessern die gesamte Fertigungslinie und ermöglichen es, die Produktion an veränderte Kundenwünsche oder eilige Bestellungen anzupassen.