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Industrie 4.0 in der Praxis

IoT-Basics: Was bedeutet dezentrale Produktion?

| Redakteur: Lisa Marie Waschbusch

Wurde die Produktion vormals noch zentral von der verantwortlichen Leitung gesteuert, übernimmt diese Funktion zunehmend das Produkt selbst, da es alle relevanten Prozessparameter bereits digital beinhaltet. Was dezentrale Produktion bedeutet und welche Vorteile damit einhergehen können, verrät Ihnen dieser Beitrag.

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Weg von traditionellen Fabriken: Die Industrie 4.0 führt dazu, dass sich Strukturen in der Produktion verändern.
Weg von traditionellen Fabriken: Die Industrie 4.0 führt dazu, dass sich Strukturen in der Produktion verändern.
(Bild: Pexels / CC0)

Bisher sind Produktionsprozesse in der Industrie in der Regel hierarchisch organisiert – die Planung erfolgt meist auf den obersten Eben der Organisationshierarchie. Die zunehmende Digitalisierung führt allerdings dazu, dass sich Arbeits- und Organisationsstrukturen verändern müssen. Schnelllebige Absatzmärkte, neue Wettbewerber und individualisierte Produkte erfordern flexiblere Produktionssysteme – und die schnelle Reaktion auf Kundenanforderungen. Als Lösung gilt die Dezentralisierung. Die Dezentralisierung kann sich sowohl hinsichtlich räumlicher Strukturen, als auch hinsichtlich der Öffnung für Individuen und Gruppen vollziehen.

Die Initiative für die dezentrale Produktion geht dabei nicht mehr von der Produktionsleitung aus, sondern von dem Werkstück selbst, das mit einem eingebetteten System ausgestattet wird. Dinge agieren als sogenannte cyber-physische Systeme (CPS), sind vernetzt und liefern in Echtzeit Informationen. Cyber-physische Systeme sind Systeme, bei denen mechanische Komponenten mit IT-Komponenten verbunden sind. Auf diesem ist der Fertigungsplan und alle weiteren notwendigen Informationen und Abläufe für die Produktion gespeichert. Das logistische Objekt analysiert und interpretiert die Echtzeitdaten, die erfasst werden. Auf Basis dessen kann das CPS selbstständig Entscheidungen treffen.

In der intelligenten Fabrik agieren an einem Produktionsstandort mehrere, miteinander vernetzte CPS und bilden ein Cyber-physisches-Produktionssystem. Sie sind in der Regel über das Internet der Dinge (IoT) vernetzt und können miteinander kommunizieren. In der smarten Fabrik soll sich ein Werkstück in Form einer CPS durch die Kommunikation mit anderen CPS seinen optimalen Weg selbstständig durch die Fabrik suchen.

Prinzip der Selbststeuerung

Die Dezentralisierung innerhalb der Produktion in der Industrie 4.0 wird mithilfe des Prinzips der Selbststeuerung realisiert. Hierbei erfolgt eine Verlagerung der Entscheidungsfunktion von einer zentralen Instanz auf einzelne Komponenten in der Produktion. Die Voraussetzung dafür ist, dass sie intelligent sind, sprich, dass sie vernetzt sind und somit auch miteinander kommunizieren können. Eine weitere Voraussetzung für sie Selbststeuerung in einer Fabrik ist die durchgängige Integration der Daten. Das bedeutet, dass möglichst alle IT-Systeme auf denselben Datenpool zugreifen sollen.

Trotz aller Dezentralisierungsansätze in der Industrie 4.0 bedarf es einer zentralen Instanz, um die riesigen Datenströme zu managen und die Koordination der Werkstücke untereinander durch eine durchgängige Integration zu ermöglichen. Als Zentrale innerhalb einer dezentralen Produktion fungiert daher ein Manufacturing Executive System (MES). Das MES als Informationsdrehscheibe ermöglicht eine durchgehende Integration sowohl in vertikaler Richtung als Bindeglied zwischen der Produktionsplanung und -steuerung und den Maschinen sowie auf horizontaler Ebene zwischen den Objekten in der Produktion.

Der umfassende Informationsaustausch durch intelligente Maschinen und Produkten erfolgt auf den unterschiedlichsten Ebenen des Produktlebenszyklus. Die Produktion soll damit so flexibel werden, dass individuelle Kundenwünsche berücksichtigt werden können. Wo Losgröße 1 bislang immer mit kostspieliger und zeitaufwendiger Individualfertigung verbunden wurde, können mithilfe der smarten Fabrik Kundenwünsche individuell und flexibel angepasst werden, ohne, dass die Kosten steigen.

Dezentralisierung durch generative Fertigungsverfahren

Die Entkopplung von industriellen Infrastrukturen und Prozessen ist zumindest für einen Teilbereich der Produktionslandschaft schon heute möglich. So entsteht durch generative Fertigungsverfahren (wie beispielsweise 3D-Druck) die Möglichkeit, individualisierte Produkte in stetig wachsender Bandbreite kostengünstig auch in sehr kleinen Stückzahlen und dezentral herzustellen. In Kombination mit einer individuell auf die Nachfrage der Konsumenten vor Ort ausgerichteten Produktion kann somit auch die Gefahr der Überproduktion verringert werden.

Durch 3D-Drucker, die eigenständig Konsumgüter produzieren und von sonstigen Werksmaschinen unabhängig agieren, wird es möglich, die Fertigung in gewissem Umfang zu dezentralisieren: Bauteile und auch Ersatzteile können je nach Bedarf und vor Ort gefertigt werden, was sowohl Lager- als auch Transportkosten reduziert. Aber auch in der Ersatzteilbeschaffung hat 3D-Druck ein hohes Potenzial: Ersatzteile können vor Ort produziert werden. Im Falle eines Defektes sollen sich somit die Reparaturkosten durch verkürzte Standzeiten und die unmittelbare Verfügbarkeit spezialisierten Teile deutlich reduzieren lassen.

Vorteile der dezentralen Produktion

- Dezentrale Intelligenz und Entscheidungsfreiheit reduzieren den Planungsaufwand
- Ortsunabhängige und eigenständige Fertigung durch 3D-Druck
- Möglichkeit, individualisierte Produkte in stetig wachsender Bandbreite kostengünstig auch in sehr kleinen Stückzahlen herzustellen
- Flexible Produktion ermöglicht individuelle Fertigung bis zur Losgröße 1
- Nachfrageorientierte, dezentrale Fertigung vor Ort kann Überproduktion vorbeugen
- Aufwand für Transport und Logistik wird vermindert, kürzere Transportwege zwischen Rohstofflieferanten und dem Produzenten

Use Cases in der Automobilindustrie

Im vergangenen Jahr kündigte die BMW Group die Eröffnung eines Campus für additive Fertigung in Oberschleißheim, nördlich von München, an. Hierfür investierte der Autobauer mehr als 10 Millionen Euro. Damit will BMW nicht nur die eigenen Kompetenzen auf dem Gebiet additiver Fertigungsverfahren ausbauen, sondern sieht langfristig auch großes Potenzial darin, Komponenten dort herzustellen, wo sie benötigt werden.

Jens Ertel, Leiter des Additive Manufacturing Center der BMW Group und zukünftiger Leiter des Campus: „Die über das internationale Produktionsnetzwerk verteilten 3D-Drucker sind ein erster Schritt in diese Richtung. So drucken wir heute bereits in den Werken Spartanburg (USA), Shenyang (China) und Rayong (Thailand) Prototypenteile vor Ort. Bei Kleinserien, Ländereditionen und für individualisierbare Komponenten ist zukünftig eine Integration in lokale Produktionsstrukturen denkbar, wenn sich dadurch Vorteile erzielen lassen.“

Auch bei Porsche wird additiv gefertigt. Beispielsweise für den Ausrückhebel für die Kupplung des Porsche 959, der nicht mehr verfügbar ist. Das Bauteil aus Grauguss unterliegt sehr hohen qualitativen Anforderungen, wird aber – nicht zuletzt aufgrund der mit nur 292 Stück geringen Produktionszahl des Supersportwagens – selten benötigt. Der Autobauer fertigt aktuell acht weitere Teile im 3D-Drucker und prüft für weitere 20, ob sich das Verfahren eignet. Die Vorteile: Als Ausgangsbasis für die Produktion genügen dreidimensionale Konstruktionsdaten oder ein 3D-Scan des Bauteils. Die Komponenten sind bei Bedarf auf Abruf herstellbar, womit Werkzeug- und Lagerkosten entfallen.

Kollaborative Gemeinschaften

Eine weitere Möglichkeit der Umsetzung einer dezentralen Wertschöpfungskette, ist die kollaborative und individualisierte Produktion. Im Rahmen der durch die Industrie 4.0 zur Verfügung stehenden Möglichkeiten kann sich die Rolle des Menschen in Richtung einer aktiveren Teilnahme, also vom Konsumenten zum „Prosumenten“ oder einer „kollaborativen Gemeinschaft“ verschieben.

„Solche Formen der Kollaboration gibt es in ersten Ansätzen auch im Bereich der materiellen Produktion. Wenn die Crowd beginnt, sich zur Herstellung von Waren zu vernetzen, demokratisiert sich die bisher monopolisierte Welt der Produktion“, so Ulrich Petschow, Hauptautor der Studie „Dezentrale Produktion, 3D-Druck und Nachhaltigkeit“ des Instituts für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW).

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