Industrie 4.0

Industrie 4.0 - Bereit für die Massenfertigung individualisierter Produkte?

| Autor / Redakteur: Maxim Reimche / Redaktion IoT

Welche Herausforderungen entstehen durch die vierte industrielle Revolution?
Welche Herausforderungen entstehen durch die vierte industrielle Revolution? (www.pixabay.com)

Wissenschaft und Industrie entwickeln fleißig an technischen Lösungen, um Industrie 4.0 zu verwirklichen. Aber nur wenige stellen die Frage, ob die aktuell vorherrschenden Ablauf- und Steuerungsprinzipien in den Produktionsbereichen für Industrie 4.0 geeignet sind?

Industrie 4.0 gilt als Synonym für den Fortschritt. Mit „aufregend Neuem“ und „Fortschritt im Allgemeinen“ wird, wie Prof. Syska in seinem Buch „Illusion 4.0 - Deutschlands naiver Traum von der smarten Fabrik“ schreibt, dabei oft das Synonym 4.0 assoziiert. In verschiedensten Lebensbereichen wie Arbeit 4.0, Berufsausbildung 4.0, Mensch 4.0 oder Wirtschaft 4.0 findet die Abkürzung ihre Ver­wen­dung und suggeriert das Handeln auf einem nächst höheren Niveau.

Wissenschaft und Industrie forschen und entwickeln fleißig an technischen Lösungen, um Industrie 4.0 zu realisieren und die Vision einer rentablen individuellen Massenfertigung zu verwirklichen. Dennoch stellt sich die Frage, ob die aktuellen vorherrschenden Ablauf- und Steuerungsprinzipien für Industrie 4.0 geeignet sind und ob neben den technischen Innovationen auch eine Revolution im Denken stattfinden muss.

Die Geschichte der Massenfertigung

Ein Blick in die Zeitreihe der industriellen Revolution lässt feststellen, dass jede Revolution eine Auswirkung auf die Massenfertigung hatte.

Die erste Revolution ersetzte den von Menschen geleisteten Antrieb der Produktionsmaschinen durch die Dampfmaschine und ermöglichte erstmalig die Massenproduktion. Die zweite Revolution ersetzte die Dampfmaschine durch Elektromotoren, führte das Fließbandfertigung ein und beschleunigte die Massenproduktion. Als das Zeitalter der dritten Revolution eintrat, wurden erste Prozesse in den Fabriken automatisiert, um die Massenproduktion in gleichbleibender Qualität aber gleichzeitig kostengünstig sicherstellen zu können.

In der vierten Revolution steht nun die Massenproduktion von individualisierten Produkten im Fokus. Die steigende Nachfrage des Kunden an individuellen Produkten stellt die Hersteller nicht nur auf der technologischen Seite vor eine Herausforderung, sondern auch planerisch. Wesentlich für die vierte Revolution sind die cyber-physischen Systeme (CPS). Fraglich ist an dieser Stelle, ob allein der Einsatz von CPS in bestehenden Produktionsstrukturen ausreicht, um alle Voraussetzungen für eine individuelle Massenproduktion zu erfüllen und damit die Fabrik von morgen aufzubauen.

Entwicklungen im Rahmen von Industrie 4.0

Auch verändert sich in Industrie 4.0 die Rolle des Kunden. Der Kunde wird nicht mehr als passiver Nutzer gesehen, sondern als aktiver Gestalter, der frühzeitig in den Entwicklungsprozess eingreifen kann und beispielsweise durch Konfiguratoren individualisierte Produkte selbst mitentwickelt. Auch sind die Produkte nicht mehr passive Teilnehmer im Produktionsprozess. Beispielsweise mithilfe eines Transponders kann ein Produkt zum intelligenten Produkt werden und selbst mit der Umwelt kommunizieren und eindeutig maschinell identifiziert werden.

Auf der technologischen Seite ermöglicht der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren für Kunststoff, Metall, Keramik, Beton und weiterer Materialien die Realisierung der individualisierten Kundenwünsche. Kombiniert mit klassischen Herstellungsverfahren ist die Entstehung hybrider Maschinen möglich, ein Beispiel hierfür ist die LUMEX Serie von Matsuura, die Lasersintern und Hochgeschwindigkeitsfräsen kombiniert.

Trotz aller geistigen und technologischen Entwicklungen bleibt die Liefertreue, auch im Zeitalter von Industrie 4.0, die Basisanforderung im Kano Modell und wird durch die Innovationen in der vierten industriellen Revolution vor neue Herausforderungen gestellt.

Zentrale Herausforderung für die Liefertreue sind die komplexen Materialflüsse, die aufgrund der hohen Produktvarianz entstehen. Die Wahl der Maschine durch das individuelle Produkt und die damit verbundene variable Bearbeitungszeit, welche technologie- und maschinenabhängig ist, erschwert die Kapazitätsplanung und die Vorhersage eines Fertigstellungstermins. Eine Lösung könnte die Durchführung von echtzeitnahen Simulationen zur Abschätzung der Bearbeitungszeiten sein. Bezieht die Simulation die von den Maschinen bzw. Werkzeugen gemeldeten Informationen wie Maschinenzustand, Werkzeugverschleiß etc. mit ein, dann lassen sich die Simulationsergebnisse präzisieren.

Industrie 4.0 impliziert, dass Maschinen miteinander kommunizieren. Technisch gesehen, lässt sich diese Kommunikation durch einheitliche Kommunikationsprotokolle bereits umsetzen. Wichtig für die Zusammenarbeit zwischen den Maschinen ist auch die Auswahl der zu kommunizierenden Daten sowie die Übertragungsverfahren.

Fertigungsprinzipien für die individuelle Massenproduktion

Der Treiber für diese Entwicklungen im Rahmen der Industrie 4.0 ist die individualisierte Massenproduktion. In der Theorie wird davon ausgegangen, dass die Fließfertigung für die Massenproduktion ausgelegt ist. Folglich sind die Maschinen durch starre Beziehungen miteinander verbunden. Die Fließfertigung ist jedoch im Allgemeinen, in Bezug auf die Anzahl unterschiedlicher Produktvarianten, sehr unflexibel. Darüber hinaus lässt sich der Durchsatz nicht variieren. Werden zusätzlich additive Fertigungsverfahren mit variablen Bearbeitungszeiten eingesetzt, können Engpässe im Produktionsprozess entstehen.

Die Werkstattfertigung eignet sich besonders für die Stückgutproduktion. Hierbei werden die Maschinen nach ihren Technologien zusammengefasst. Untereinander haben die Maschinen keinerlei Verkettung durch Systeme für die Realisierung von Material- und Informationsflüssen. Die Werkstattfertigung widerspricht aber zugleich dem angestrebten Ziel der Massenproduktion und den möglichst kurzen Lieferzeiten. Vor allem die Varianz der Bearbeitungszeiten ruft ungewollte Liege- und Wartezeiten hervor. Eine Lösung hierfür sind „intelligente“ Produkte, die selbst auf die Einhaltung der Lieferzeiten achten und bei Abweichungen aktiv in den Prozess eingreifen können.

Die Gruppenfertigung, die als Kompromisslösung aus der Werkstatt- und Fließfertigung angesehen werden kann, eignet sich durch teilweise verkettete Bearbeitungsschritte für große Mengen, ist aber in der Flexibilität eingeschränkt.

So bleibt aus der planerischen Sicht die grundsätzliche Frage: Wie stark müssen die Beziehungen bzw. Abhängigkeiten zwischen den Maschinen selbst und zwischen den Maschinen und den Produkten ausgeprägt sein um eine effiziente Prozesskette zu gewährleisten? Die Technologie- und die Softwareentwicklung schreiten in Richtung Industrie 4.0 voran. Essentiell bleibt dennoch die intelligente Planung durch den Menschen, die durch aktuelle Technologien lediglich unterstützt und ohne künstliche Intelligenz nicht ersetzt werden kann.

Der Anspruch einer Revolution

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nach der Dudendefinition unter der Revolution eine radikale Veränderung bzw. eine grundlegende Neuerung zu verstehen ist. Ob die sogenannte vierte industrielle Revolution diesem Anspruch genügt, bleibt immer noch offen.

Nicht umsonst vertritt Dr.-Ing. Rainer Draht in seinem Artikel „Industrie 4.0 – eine Einführung“ die Meinung, dass Industrie 4.0 die erste Revolution ist, die als Revolution bezeichnet wurde, bevor sie überhaupt stattgefunden hat.

Die Vision von Industrie 4.0, eine komplett vernetzte selbstorganisierte Produktion zu erreichen, ist zwar zukunftsweisend, jedoch aktuell kaum umsetzbar. Es gibt einige Hürden, die ein Unternehmen überwinden muss, um sich der Industrie 4.0 anzunähern. Dies sind zum einen die hohen Investitionskosten, der Mangel an qualifiziertem Personal, der Mangel an Standards sowie Sicherheitsbedenken.

Dieser Text ist in Zusammenarbeit mit Herrn M.Sc. Fabian Stark (Co-Autor) entstanden.

 

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