Studie zeigt Mittelstand den Weg zur intelligenten vernetzten Produktion

Schritt für Schritt zur Industrie 4.0

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Anfänger und Fortgeschrittene auf dem Weg zu Industrie 4.0 haben gemeinsam, dass sie eine übergeordnete Strategie benötigen, um langfristig mit dem Thema erfolgreich zu sein. Wie sie diese ausarbeiten und umsetzen können, zeigt das Fraunhofer IPA in der Studie „Industrie 4.0: Entwicklungsfelder für den Mittelstand“. Das Werk analysiert aus technischer Sicht die Hemmnisse und Bedürfnisse von KMU, leitet Entwicklungsfelder ab und bringt sie in eine zeitliche Reihenfolge.

Der Autor: Felix Müller, Projektleiter, Fraunhofer IPA

Die meisten Studien über Industrie 4.0 sind abstrakt gehalten, wie ein Screening von 67 Ausarbeitungen im Rahmen der Analyse des State of the Art ergab. „Vorrangig befassen sich die Werke mit Chancen und Risiken, Datensicherheit oder Geschäftsmodellen. Technische Handlungsempfehlungen für den Mittelstand gehen daraus aber nicht hervor“, kritisiert Felix Müller, Projektleiter am Fraunhofer IPA. Um den Firmen den systematischen Entwicklungsweg zu einer intelligenten, vernetzten Produktion aufzuzeigen und auch selbst bedarfsgerecht Lösungen vorauszuentwickeln, hat das Fraunhofer IPA die Studie aufgesetzt.
Als Methode diente eine zweistufige Delphi-Befragung. Dafür haben die Experten 200 Online-Fragebogen ausgewertet, die zuvor an ca. 5000 Fachleute aus der Industrie verteilt wurden. Anschließend haben die Wissenschaftler mit 30 Experten aus Industrie und Forschung ihre Interpretationen sowie mögliche Ursachen diskutiert. Auf diese Weise wollten die Experten die wichtigsten Bedarfe des Mittelstands herausarbeiten und aufeinander aufbauende Entwicklungsfelder generieren.
Die Analyse zeigte, dass es Unternehmen derzeit noch Schwierigkeiten bereitet, die für sie passende Lösung auszuwählen. „40 Prozent haben zwar von Industrie 4.0 gehört, aber noch keine weiteren Maßnahmen ergriffen“, so Müller. Denjenigen Firmen, die die Technologien schon anwenden, fehlt es wiederum an einer Strategie. „25 Prozent haben angegeben, schon erste Pilotprojekte umzusetzen. Die Auswahl der Technologien unterliegt allerdings dem Trial-and-Error-Prinzip. Viel effizienter wäre es, eine Gesamtstrategie zu entwickeln oder Lebenszykluskosten zu bilanzieren“, kritisiert Müller. Hier schafft das Werk der Stuttgarter Forscher Abhilfe. Es zeigt, welche Lösungen sich für welche Problemstellungen eignen und gibt eine zeitliche Reihenfolge vor, in der die entscheidenden Schritte umzusetzen sind. Dabei sei Wert auf einen hohen Praxisbezug gelegt worden.
Bei der IT hapert es noch
Zunächst haben die Wissenschaftler ermittelt, wo derzeit die größten Schwierigkeiten bei der Umsetzung von Industrie 4.0 auftreten. Als Spitzenreiter konnte mit knapp 29 Prozent die Inflexibilität der IT-Systeme identifiziert werden. Sie hindere Unternehmen daran, den neuen Marktanforderungen, wie z. B. einer stark steigenden Anzahl an Produktvarianten, gerecht zu werden. „Daraus lässt sich der Bedarf nach standardisierten Schnittstellen und Vernetzungsplattformen ableiten“, erläutert Müller. Als zweites Hemmnis wurde mit 24,4 Prozent die schlechte Planbarkeit, z. B. in der Bedarfsplanung, genannt. Grund dafür seien performanceschwache Systeme, welche die höheren Ansprüche, die zunehmend dynamische Kundenwünsche mit sich bringen, nicht mehr bewältigen können. Weitere Schwierigkeiten bereitet den Unternehmen die unzureichend genutzte bzw. nicht integrierte Datenbasis der bestehenden Produktion oder die unflexible Lieferkette.
Additive Verfahren werden immer wichtiger
Die Befragung ergab auch, dass Additive Fertigungsverfahren, z. B. 3D-Druck, in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Unternehmen setzten die neuen Methoden verstärkt dafür ein, um personalisierte Produkte zu fertigen. Dies bedeutet besonders für die Qualitätssicherung eine enorme Herausforderung, da die Bauteilqualität aus dem Zusammenwirken sehr vieler Prozessparameter resultiert und hierfür noch keine validen Modelle existieren. Herkömmliche Verfahren werden weiterhin bestehen bleiben. Um den Trend zur Individualisierung umsetzen zu können, müssen sie aber deutlich flexibler werden. „In Zukunft werden Prozessketten stark hybridisiert. Einerseits werden additive Fertigungsverfahren und konventionelle Verfahren kombiniert. Andererseits muss der Automatisierungsgrad flexibilisiert werden, um Prozessketten modularer zwischen Teil- und Vollautomation, je nach Produktionsszenario, anzupassen,“ fasst Müller die Aussagen der befragten Experten zusammen.
Aus den erfassten Hemmnissen und Bedarfen leiteten die Wissenschaftler aufeinander aufbauende Entwicklungsfelder ab. Als Grundvoraussetzung zur intelligenten, vernetzten Produktion konnte die Digitalisierung des Wertschöpfungssystems identifiziert werden. „Erst, wenn alle relevanten Bestandsmaschinen an eine Vernetzungsplattform angebunden sind und eine durchgängige, echtzeitnahe Datenbasis erzeugt wird, können weitere Schritte ergriffen werden“, weiß Müller. Darauf aufbauend ist das Unternehmen in der Lage, die Potenziale weiterer Entwicklungsfelder wie z. B. der automatisierten Fertigung personalisierter Produkte zu heben. Gleichzeitig können Assistenzsysteme den Menschen unterstützen, ergonomisch optimal zu arbeiten und bessere Entscheidungen zu treffen.
An oberster Stelle stehen der selbststeuernde Betrieb und die autonome Optimierung. Um den Mehrwert gerade für teilautomatisierte bzw. hybride Produktionssysteme für die variantenreiche Produktion zu erschließen, sind viele Schritte nötig. „Ziel ist, das Fertigungssystem so intelligent zu vernetzen, sodass es anhand von Produktions- und Qualitätsdaten automatisiert Muster erkennt und sich fortlaufend selbst optimiert“, erklärt der Projektleiter. Ein Produktionssystem situativ im laufenden Betrieb abzubilden verspricht den höchsten Nutzen, stellt aber auch ein komplexes, multikriterielles Problem dar. Auch die Entwicklung autonomer Kooperations- und Koordinationssysteme von fahrerlosen Transportfahrzeugen sei ein Baustein auf dem Weg dorthin.
Jedes Entwicklungsfeld haben die Forscher zudem mit einem „Nutzentacho“ versehen, der den Entwicklungsmehrwert für das Unternehmen kennzeichnet. Dieser zeigt beim ersten Schritt noch wenig an. „Das ist der Krux: Digitalisierung zum Selbstzweck bringt erstmal nichts und ist sehr aufwändig“, erklärt Müller. Jedoch sei diese die Voraussetzung, die Assistenz des Menschen anzugehen. „Eine durchgängige und stets aktuelle Datenbasis ermöglicht es dem Mitarbeiter, basierend auf aktuellsten Fakten die situativ richtige Entscheidung zu treffen“, so der Forscher. Diese Informationen lassen sich z. B. dafür nutzen, um personalisierter und bedarfsgerechter mit kleinen Losgrößen zu produzieren
Applikationszentrum Industrie 4.0 macht Entwicklungsfelder greifbar
Die Studienergebnisse verwenden die IPA-Forscher auch, um ihr Applikationszentrum Industrie 4.0 in Stuttgart anwenderorientiert auszugestalten und Vorentwicklungen zu erarbeiten. Schon heute steht hier eine Reihe an Demonstratoren, mit denen KMU den Nutzen von Industrie 4.0 für ihre eigene Produktion erleben können. Entsprechend der herausgearbeiteten Bedarfe sollen bis 2018 ca. 30 weitere Demonstratoren entwickelt werden, die die vier Entwicklungsfelder mit Leben füllen und Anknüpfungspunkte für gemeinsame Projekte mit mittelständischen Unternehmen bieten. Dazu zählt z. B. EasyCalc, ein Service zur Produktkostenkalkulation für die Stückzahl eins, oder Easy2sense, ein Sensornetz zur Nachrüstung und Konfiguration für bestehende Maschinen und Anlagen. bt
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