27. Januar 2015

Industrie 4.0

Im Rahmen der wirtschaftsstrategischen Ausrichtung der deutschen Bundesregierung gehört die Industrie 4.0 bereits seit einiger Zeit zu den angestrebten Zielen. Dabei stehen unter anderem die Rolle des Leitanbieters, aber auch die Bewältigung zukünftiger ökonomischer Herausforderungen im Fokus.

Die Industrie 4.0 verbildlicht durch eine Fabrik

Industrie 4.0 – Deutschlands Wirtschaftsantwort auf die Vernetzung der Dinge

Einordnung des Begriffs

Der Umgang mit einer immer stärker vernetzten Umwelt wird von der deutschen Bundesregierung aktiv angegangen. Zusammengefasst unter der „neuen Hightech-Strategie: Innovationen für Deutschland“ liegt der Fokus darauf, Deutschland durch die angemessene Überführung guter Ideen in innovative Produkte und Dienstleistungen auf den richtigen Weg zum weltweiten Innovationsführer, sowohl technisch als auch sozial, zu bringen. Zu diesem Zweck wurden fünf sogenannte „Kernelemente der strategischen Neuorientierung“ formuliert, die als Säulen der neuen Hightech-Strategie fungieren und denen jeweils eigene Zielrichtungen, aber auch verschiedene Punkte untergeordnet sind. Dazu zählt der Bereich „prioritärer Zukunftsaufgaben für Wertschöpfung und Lebensqualität“, der sich aus fünf solcher Zukunftsaufgaben zusammensetzt.

Als Teil der darin enthaltenen, angestrebten „Digitalen Wirtschaft und Gesellschaft“ sowie als eines von zehn Zukunftsprojekten, die bei der weiteren Umsetzung im Vordergrund stehen, gehört die Industrie 4.0 im Rahmen gesellschaftlicher und technologischer Entwicklungen zu den wichtigsten forschungs- und innovationspolitischen Leitbildern unter anderem des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.

Die neue Hightech-Strategie
Fünf Säulen und Kernelemente der strategischen Neuorientierung:

  • 1. Prioritäre Zukunftsaufgaben für Wertschöpfung und Lebensqualität
    • 1.1. Zukunftsaufgabe „Digitale Wirtschaft und Gesellschaft“
      • Aktionsziele:
        • Industrie 4.0
        • Smart Services
        • Smart Data
        • Cloud Computing
        • Digitale Vernetzung
        • Digitale Wissenschaft
        • Digitale Bildung
        • Digitale Lebenswelten
    • 1.2. Zukunftsaufgabe „Nachhaltiges Wirtschaften und Energie“
  • 2. Vernetzung und Transfer
  • 3. Innovationsdynamik in der Wirtschaft
  • 4. Innovationsfreundliche Rahmenbedingungen
  • 5. Transparenz und Partizipation

Zukunftsprojekte zur Umsetzung (erstellt in der letzten Legislaturperiode [Stand August 2014]):

  1. Die CO2-neutrale, energieeffiziente und klimaangepasste Stadt
  2. Nachwachsende Rohstoffe als Alternative zum Öl
  3. Intelligenter Umbau der Energieversorgung
  4. Krankheiten besser therapieren mit individualisierter Medizin
  5. Mehr Gesundheit durch gezielte Prävention und Ernährung
  6. Auch im Alter ein selbstbestimmtes Leben führen
  7. Nachhaltige Mobilität
  8. Internetbasierte Dienste für die Wirtschaft
  9. Industrie 4.0
  10. Sichere Identitäten

Die ausführliche Darstellung finden Sie hier: Die neue Hightech-Strategie: Innovationen für Deutschland (Bundesministerium für Bildung und Forschung)

Inhalte und Konzept

Der Begriff Industrie 4.0 dient ganz allgemein als ein Verweis auf die sogenannte vierte industrielle Revolution, die durch die zunehmende Verschmelzung von virtueller und realer Welt gekennzeichnet ist. Er beinhaltet die Integration der Digitalisierung in die Produktionsprozesse und folgt damit auf die Entwicklung der Dampfmaschine Ende des 18. Jahrhunderts, den Übergang zur Massenfertigung zu Beginn des 20. Jahrhunderts und die Anfänge des digitalen Zeitalters ab den 1970er Jahren.

Laut der Definition des Lenkungskreises der Plattform Industrie 4.0 steht die Industrie 4.0 im Detail insbesondere für eine neue Art der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette. Genauer zielt das Zukunftsprojekt im Rahmen der Bemühungen der Bundesregierung darauf ab, die deutsche Industrie zu befähigen, unter den Bedingungen einer hochflexiblen industriellen Produktion (auch in Großserien) die einzelnen Produkte umfangreich an die zunehmend individualisierten Kundenwünsche anzupassen. Dies beinhaltet eine verstärkte Einbindung von Kunden sowie Geschäftspartnern in den Wertschöpfungsprozess, beginnend bei der Idee und dem Auftrag über die Entwicklung und Fertigung bis hin zur Auslieferung. Darin inkludiert sind ebenfalls die mit jedem Produktionsschritt verbundenen Dienstleistungen.

Als notwendige Grundlage wird die Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen vorausgesetzt, die sämtliche relevanten Informationen und Daten in Echtzeit verfügbar macht. Dadurch kann jederzeit der optimale Wertschöpfungsfluss gewährleistet werden. Das Resultat daraus ist ein Produktionsnetzwerk, das sich selbst organisiert, dynamisch und echtzeitoptimiert arbeitet und dessen weitere Optimierung anhand verschiedener Ansprüche, wie z.B. Kosten- und Ressourceneffizienz, vorgenommen werden kann.

Der Weg zur Industrie 4.0

Im Zentrum der Umsetzung des Zukunftsprojektes Industrie 4.0 stehen vor allem cyber-physische Systeme (Cyber-Physical-Systems, CPS), d.h. Netzwerke aus eingebetteten Informations- und Kommunikationstechnologie-Systemen (IKT), die mittels einer Infrastruktur, wie dem Internet, miteinander kommunizieren und Daten austauschen. Dies ist besonders im Hinblick auf intelligente Überwachung und eigenständige Entscheidungsprozesse wichtig, über die nicht nur Unternehmen, sondern auch ganze Produktionsnetzwerke optimiert werden können.

Im Rahmen der Erforschung dieser eingebetteten Systeme (Embedded Systems) und des Internet der Dinge (IoT) erfolgte bereits eine Reihe an von der Bundesregierung unterstützten, erfolgreichen Initiativen in den Bereichen digitales Produktgedächtnis, wandelbare Logistiksysteme, Autonomik, und NextGenerationMedia. Bei dem jüngsten Projekt „it’s OWL“ („Intelligente technische Systeme“ aus Ostwestfalen-Lippe) handelt es sich beispielsweise um einen im Januar 2012 als Spitzencluster ausgezeichneten Verbund aus insgesamt 174 Unternehmen, Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Organisationen in Ostwestfalen-Lippe, die auf den Gebieten Maschinenbau, Elektro- und Elektronik sowie der Automobilzulieferung gemeinsam an neuen Produkten und Produktsystemen arbeiten. It’s OWL soll eine führende Rolle im globalen Wettbewerb um intelligente technische Systeme übernehmen.

Exkurs:Intelligente Technische Systeme zeichnen sich durch vier spezifische Eigenschaften aus: sie sind adaptiv (eigenständige Interaktion mit und Anpassung an ihre Umgebung), robust (Bewältigung unerwarteter, bei der Entwicklung nicht berücksichtigter Situationen durch ein sich veränderndes Umfeld), vorausschauend (Antizipation der Wirkung unterschiedlicher Einflüsse auf der Basis von Erfahrungswissen) und benutzerfreundlich (Berücksichtigung unterschiedlichen Verhaltens von Anwendern und selbständige Anpassung daran).

Darüber hinaus setzen sie sich aus vier Einheiten zusammen: dem Grundsystem (mechanische Strukturen), der Sensorik (Wahrnehmung der notwendigen Umgebungsinformationen), der Aktorik (Ausführung einer physischen Aktion des Grundsystems) und der Informationsverarbeitung (Vermittlung zwischen Sensorik und Aktorik mit Hilfe eines Kommunikationssystems).

Das Zusammenspiel dieser Eigenschaften und technischen Einheiten verleiht den Systemen dabei die Intelligenz und Komplexität, die bei ihrer Integration in Maschinen und Anlagen die Übernahme von Steuerung, Regelung und Datenverarbeitung erst möglich machen.

Mit der gezielten Unterstützung von Wirtschaft und Wissenschaft bei der gemeinschaftlichen Realisierung der Industrie 4.0 strebt die Bundesregierung die Positionierung Deutschlands als Leitanbieter an. Damit zusammenhängend liegt der Augenmerk jedoch auch auf IT-Sicherheit der Industrie 4.0 sowie deren Auswirkungen auf den Arbeitsmarkt und diverse Beschäftigungsgruppen. Laut dem Ministerium für Bildung und Forschung sind für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 bis zu 200 Millionen Euro der jeweils geltenden Finanzplanung einkalkuliert.

Die Funktionsweise einfach erklärt

Für die Industrie 4.0 charakteristisch ist die autonome Kommunikation zwischen Produkt und Maschine innerhalb des gesamten Fertigungsprozesses. Dazu werden die Produkte mit Barcodes oder RFID-Chips versehen, die Informationen zum weiteren Verfahren enthalten. Scanner und Computer lesen diese aus, transferieren sie online weiter an die zuständigen Maschinen und sorgen so dafür, dass diese entsprechend agieren.

Hier hört die Industrie 4.0 jedoch noch nicht auf. In Zukunft sollen auch fertige Bauteile aktiv mit z.B. ihrem Hersteller kommunizieren. Dieses Szenario sieht Bauteile vor, die aufgrund ihrer Ausstattung fähig sind, kontinuierlich Informationen über ihren Zustand zu sammeln. Ist ein Austausch notwendig, kontaktiert das Bauteil den Hersteller noch vor einem eventuellen Ausfall und weist ihn an, einen entsprechenden Ersatz bereit zu halten. Bestandteil der Bestellung sind dabei neben den relevanten technischen Spezifikationen auch die Versandinformationen, z.B. der zuständigen Werkstatt. Anhand dieser Daten wird der Auftrag schließlich in der Fabrik bearbeitet, die Maschinen konfigurieren sich entsprechend der notwendigen Anforderungen und fertigen das Ersatzteil, welches im Anschluss direkt verschickt wird.

Ist die Industrie 4.0 notwendig?

Die Industrie 4.0 gewinnt im Rahmen von Innovation und des Erhaltes der wirtschaftlichen Führungsposition Deutschlands bereits seit einigen Jahren zunehmend an Bedeutung. Zentral ist dabei vor allem die frühzeitige Erschließung, nicht nur zur Sicherung von Wettbewerbsvorteilen, sondern auch im Hinblick auf die aktive Mitgestaltung von Anfang an. Der Lenkungskreis der Plattform Industrie 4.0 sieht in diesem Zusammenhang mindestens fünf gute Gründe, die auch in Zukunft für einen verstärkten Einsatz Deutschlands für die Umsetzung der Industrie 4.0 sprechen.

  1. Hohe Wettbewerbsstärke:

Deutschland nimmt bereits heute eine international führende Rolle im Bereich der eingebetteten Systeme ein, die einen wesentlichen Bestandteil der Industrie 4.0 darstellen. Damit bietet sich eine günstige Voraussetzung für die angestrebte Stellung als Leitanbieter der Industrie 4.0, aber auch die heimischen Unternehmen profitieren durch den Ausbau der Vernetzung von Produkt und Maschine, nicht zuletzt durch die höhere Effizienz der Produktion und den damit verbundenen Erfolg im globalen Wettbewerb.

  1. Flexible Fertigung:

Die Wertschöpfungskette der Industrie 4.0 ist durchsichtig und in nahezu Echtzeit optimierbar. Damit sind Unternehmen auch im internationalen Wettbewerb in der Lage, je nach Anforderung (Ressourcen, Kosten, Qualität etc.) schnell und vor allem flexibel auf Änderungen zu reagieren.

  1. Individuelle Produktion:

Mit dem Einsatz intelligenter Technik entfällt die umständliche Umprogrammierung von Produktionsmaschinen im Zuge der Anpassung an individuelle, sich ändernde Anforderungen. Die Maschine entscheidet selbst und erlaubt dadurch die rasche Reaktion auf Wünsche von Kunden und Geschäftspartnern.

  1. Innovative Geschäftsmodelle:

Der Anbruch der vierten industriellen Revolution eröffnet vielfältige Chancen für die Umsetzung neuer Ideen, die mit Big Data in Verbindung stehen. Anhand der kontinuierlich durch intelligente Objekte gesammelten Daten stehen besonders KMU und Start-ups mit kreativen Ansätzen zahlreiche Anknüpfungspunkte für neue Geschäftsmodelle und Dienstleistungen zur Verfügung.

  1. Neues Arbeiten

Die Industrie 4.0 erlaubt nicht nur die Flexibilisierung der Produktionsinstanzen, sondern zugleich auch der Beschäftigten. Gerade im Hinblick auf den demografischen Wandel können intelligente Assistenzsysteme dazu genutzt werden, die Arbeitsabläufe spezifisch auf die Möglichkeiten der Belegschaft abzustimmen und damit ältere Menschen länger und individueller zu beschäftigen. Eine derart flexible Industrie kann zugleich die Balance zwischen Beruf und Familie begünstigen.

Zukunftsbild der Industrie 4.0 für das Jahr 2025

Ausgehend von den Daten des Jahres 2012 hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit dem „Zukunftsbild Industrie 4.0“ eine Hypothese über die zukünftigen Entwicklungen im Bereich der Industrie 4.0 erstellt. Dabei wird ausgehend von 2025 „rückblickend“ auf das vergangene Jahrzehnt geschaut, um aufzuzeigen, welche relevanten Fortschritte, aber auch Konsequenzen für Unternehmen, Mitarbeiter und die Gesellschaft zu erwarten sind.

Ausgangssituation 2025:

Deutschland behauptet im internationalen Wettbewerb weiterhin seine gute Position, jedoch nimmt die Konkurrenz aus Asien, aber auch Südamerika verstärkt zu. Gerade asiatische Unternehmen gefährden die mittelfristige Wettbewerbsposition aufgrund gesteigerter Produktivität und Innovationskraft. Gleichzeitige heimische Herausforderungen ergeben sich vor allem aus Ressourcenknappheit, steigenden Energiepreisen und dem zunehmenden durchschnittlichen Alter der Erwerbsbevölkerung.

Grundlegende Erkenntnisse:

CPS, also cyber-physische Systeme, stellen den notwendigen Lösungsansatz für das produzierende Gewerbe dar. In Verbindung mit der Vernetzung durch das Internet sind Unternehmen in der Lage, firmen- und standortübergreifend als eigener, dynamischer Verbund die gemeinsamen Wertschöpfungsketten flexibel und in Echtzeit zu gestalten. Als Basis dafür dienen die aktuellen Informationen aus den Märkten und der Produktion sowie zu berücksichtigende Faktoren, wie Zeit, Qualität, Kosten, Ressourcen und Energie. Auf Einzelunternehmensebene sind dabei zugleich sämtliche Level des Produktionsprozesses miteinander verknüpft und werden entsprechend der jeweiligen aktuellsten Daten immer wieder aufeinander abgestimmt.

Mitarbeiter profitieren insofern durch den Technologiewandel, als dass sie vermehrt durch mobile und intelligente Assistenzsysteme unterstütz werden. Das bedeutet vor allem einen ständigen Zugriff auf die arbeitsrelevanten Informationen, ebenso wie anwendungsspezifische Trainingsprogramme, die den Mitarbeiter bei der Erfüllung seiner Tätigkeit fördern sollen. Entlastungen dieser Art ermöglichen eine erhöhte Reaktionsfähigkeit bei der personellen Einsatzplanung. So kann die Produktionssteuerung individueller auf den einzelnen Mitarbeiter eingehen, während die Vereinbarkeit von Familie und Beruf durch die Flexibilität der Produktionsprozesse kostengünstiger und einfacher ist. Die Resultate sind ein verbesserter Austausch der Mitarbeiter verschiedener Abteilungen sowie ein allgemein offeneres Arbeitsklima.

Deutsche Unternehmen ziehen einen Vorteil aus den neuartigen Anwendungen im Bereich innovativer Geschäftsmodelle, da sie auf ihren bereits vorhandenen Stärken aufbauen und Produkte, wie Maschinen, Anlagen oder Fabriken, auf dem neuesten Stand der Technik global vertreiben. Ausgehend von diesen Technologien sind sie in der Lage, integrierte Systemlösungen und komplexe Anwendungen anzubieten, die ihnen auf dem internationalen Markt langfristig eine führende Wettbewerbsposition garantieren.

Die ausführliche Darstellung des „Zukunftsbildes Industrie 4.0“ finden Sie hier.

Zusammenfassung

  • Die Industrie 4.0 ist ein Zukunftsprojekt der deutschen Bundesregierung, allen voran des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, und Teil der „Neuen Hightech-Strategie“.
  • Ziel ist die Verknüpfung von hochflexibler Produktion, Großserienfertigung und gleichzeitiger Individualisierung der hergestellten Produkte.
  • Im Zentrum der Umsetzung stehen cyber-physische Systeme (CPS), die ein Netzwerk aus eingebetteten Informations- und Kommunikationstechnologie-Systemen (IKT) darstellen, welche via Internet miteinander in Kommunikation stehen.
  • Vorteile einer Industrie 4.0 ergeben sich für Unternehmen aus vernetzten Wertschöpfungsketten, die auch standortübergreifend in nahezu Echtzeit nach verschiedenen Anforderungen optimiert werden können und dadurch flexibel und durchsichtig sind.
  • Beschäftigten ermöglicht die Industrie 4.0 einen individualisierten Arbeitseinsatz und eine verbesserte Balance zwischen Beruf und Familie.

Quellen

http://www.plattform-i40.de
http://www.bmbf.de/de/9072.php
http://www.bmbf.de/pubRD/Zukunftsbild_Industrie_40.pdf
http://www.bmbf.de/pub_hts/HTS_Broschure_Web.pdf
http://www.bmbf.de/de/20866.php
http://www.bmbf.de/pub/broschuere_Industrie-4.0-gesamt.pdf


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