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Industrie 4.0, Smart Factory – oder die Produktion von morgen

03.04.2013

Anita Widera

Zwischenbilanz Hannover Messe 2013 – vor zwei Jahren wurde dort das Konzept erstmals diskutiert.

Die Nachrichten der letzten Jahre sind eindeutig: Aus der industriellen Forschung dringen immer häufiger Begriffe wie das Internet der Dinge, Smart Factory, Cyber-Physical Systems (CPS) oder Industrie 4.0. nach außen. Sie alle meinen intelligente Maschinen und Materialien, die sich miteinander verständigen, voneinander lernen. Sie scheinen sich abzustimmen und entscheiden am Ende selbstständig, was zu tun ist. Ist das ein Wunsch- oder Angstszenario? Vor zwei Jahren begann in Hannover die breite Diskussion. Nun – 2013 – gibt es die erste Gelegenheit, die Chancen zu beleuchten. Wissenschaft und Wirtschaft im Gespräch.

Maschinen mit Selbstbewusstsein und Entscheidungskraft arbeiten auf hohem Qualitätsniveau. Das ist die Idee dahinter. Es klingt revolutionär, „ist aber eine evolutionäre Entwicklung“, sagt Jürgen Jasperneite, Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums Industrial Automation und des Instituts für industrielle Informationstechnik der Hochschule Ostwestfalen-Lippe. „Sie kommt schleichend, denn die Informationstechnologien bestimmen die Produktion schon seit längerem.“ Bei dem Versuch, die Begriffe rund um die Industrie 4.0 zu erklären, geht Jasperneite an den Anfang der Neunzigerjahre zurück. Damals war die Vernetzung der Welt sowie ihrer vielen Gegenstände noch eine Vision. Der amerikanische Informatiker Mark Weiser beschrieb es als „Ubiquitous Computing“. Und als die Vision nach und nach zur Wirklichkeit wurde, haben sich auch präzisere Begriffe etabliert (siehe Kasten).

Schlagwort macht die Runde

Es sind jetzt zwei Jahre her, als das Schlagwort „Industrie 4.0“ auf der Hannover Messe 2011 zum ersten Mal auftauchte, die vierte industrielle Revolution (siehe Kasten)* ankündigte und Hoffnung auf einen starken Produktionsstandort Deutschland weckte. Der Zeitpunkt war perfekt: Die jüngste, durch zweifelhafte Finanzgeschäfte hervorgerufene Wirtschaftskrise war gerade überstanden und Deutschland kam relativ glimpflich davon. Was man dem vergleichsweise hohen Industrieanteil an Bruttoinlandsprodukt (BIP) zuschrieb.

Tatsächlich befand sich dieser 2011 in Deutschland bei 23 Prozent, während Griechenlands Werte unter 10 Prozent lagen. Großbritannien kam nur auf 11 Prozent, weil das Königreich Finanzdienstleistungen hofierte. So setzte sich allmählich europaweit die Erkenntnis durch, dass Industrie eine stabilisierende Wirkung auf die Gesamtwirtschaft ausübt und im Oktober 2012 kündigte der zuständige EU-Kommissar Antonio Tajani die Re-Industrialisierung Europas an. Die Voraussetzungen dafür in Deutschland sind gut.

Der Maschinen- und Anlagenbau hierzulande brummt. Die industrielle Forschungsbasis ist breit entwickelt und die politische Aufmerksamkeit erreicht. Wenn es also gelingt, Produktion bald auch mit intelligenten Systemen zu veredeln, dann könnte Deutschland in die Geschichte als das Land eingehen, von dem die vierte industrielle Revolution ausging. Aber bis dahin muss noch einiges passieren.

Technologische Grundlagen bezahlbar geworden

Inzwischen sind die technologischen Grundlagen weitgehend zugänglich und erschwinglich: Das Internet hat – ähnlich wie früher das Telefonnetz – die ganze Welt umspannt. Und die Kosten für Informationstechnologien sind deutlich gefallen. Beides sollte nun für einen ordentlichen Entwicklungsschub in der Produktion sorgen. Die Vision ist eine intelligente Fabrik, auch Smart Factory genannt, in die ein Werkstück ankommt und den Maschinen erklärt, wie es bearbeitet sein will.

Einige Smart Factories gibt es bereits. Doch von gewinnbringenden Hightech-Unternehmen sind sie noch weit entfernt. Es sind Modellfabriken, in denen es mehr um Forschung als um Produktion geht. Eine davon steht am nördlichen Rand des Teutoburger Waldes, in Lemgo. Wissenschaftler, Ingenieure und Informatiker kommen dort zusammen. Die intelligenten Maschinen können sie nur gemeinsam entwickeln. „Wir müssen noch intensiver interdisziplinär arbeiten“, sagt Jasperneite, der die Lemgoer Smart Factory leitet. „Neben Automatisierungs- und Elektrotechnik sind Informationstechnologien die dritte Säule, auf denen die Fabrik der Zukunft aufgebaut werden kann.“ In Lemgo wird unter anderem intensiv an dem Plug & Play-Prinzip für die industrielle Anwendung getüftelt: Einbau und Start der Arbeitsprozesse. Wenn diese soweit sind, dann werden die Mitarbeiter nur die entsprechenden Module zusammenfügen und alles Weitere läuft automatisch ab.

Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft

Baustein einer intelligenten Produktionslinie © DFKI - Smart Factory KaiserslauternSo sind zurzeit vor allem Automatisierungstechniker und Verbindungsspezialisten an der Produktionsforschung beteiligt. Die Unternehmen heißen Weidmüller, Lenze, Wago oder Festo. Ihr Geschäft sind Verbindungen, Steuerungen und Antriebe. Nun gilt es, diese mit Informationstechnologien auszustatten und über das Internet zu vernetzen. Die Firma Weidmüller aus Detmold ist seit Jahren auf dem Gebiet der Verbindungstechnik und Elektronik zuhause. Inzwischen sind ihre Produkte vom einfachen Stecker zu High-Tech-Lösungen entwickelt worden.

Das Unternehmen, in der Lemgoer Modellfabrik mit eigenem Büro vertreten, entwickelt einerseits Komponenten für die Produktion der Zukunft. Andererseits erprobt es die Anwendung an eigene Maschinen. In einer Kooperation mit den Universitäten Paderborn und Bielefeld sowie dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie, Aachen, arbeitet Weidmüller beispielsweise an einer Stanz-Biege-Maschine, die Unregelmäßigkeiten im Produktionsprozess eigenständig korrigieren soll. „Mit den intelligenten, sich selbst optimierenden Produktionsanlagen werden wir dem Ziel, minimalen Materialverlust bei maximaler Qualität zu erreichen, noch näher kommen“, sagt ein Sprecher des Unternehmens.

Sie sind gerade dabei, die Bausteine zu entwickeln, die dann die Anlagenbauer in einer intelligenten Fabrik einsetzen können. Bis es soweit ist, wird es aber noch dauern. Manfred Wittenstein, Vorstandsvorsitzender der Wittenstein AG, rechnet  mit etwa zehn bis 15 Jahren. Und auch danach werde es noch nicht flächendeckend sein. „Firmen, die von der neuen Technologiewelle international profitieren wollen“, sagt er, „müssen aber heute schon die Grundlagen legen.“ Das tut das Unternehmen aus der Antriebstechnik auch. Neben solchen Industriegrößen wie BASF, Bosch Rexroth oder Siemens und einigen mittelständischen Firmen gehört es zu den Mitgliedern der Smart Factory Kaiserslautern. Das in die Struktur eines eingetragenen Vereins gehüllte Zentrum für Produktionsforschung wird vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI GmbH), Kaiserslautern, betrieben. Gegründet wurde die nach eigenen Angaben „erste herstellerneutrale, europäische Demo-Fabrik“ 2005.

Nutzen der Produktionsforschung für Firmen noch offen

Es sind also schon ein paar Jahre vergangen, seitdem Produktionsforschung betrieben wird. Was hindert nun die Wirtschaft daran, die Forschungsergebnisse aufzugreifen und für den eigenen Bereich anzuwenden? Offenbar ist es die Frage nach dem Nutzen. Der bleibt für viele Unternehmen noch offen. Auch wenn Apple mit dem iPhone Konsumenten vor Augen geführt hat, dass die Frage nach dem Nutzen nicht immer mit dem Neuprodukt im Detail beantwortet werden muss oder kann. So folgten dennoch die meisten Anwendungen für das Smartphone in zeitlich rascher Folge. Trotzdem bleibt Apple wohl eine Ausnahme. Von einer Blaupause für andere Unternehmen kann keine Rede sein. Bevor ein Unternehmer eine Innovation einführt, muss er den wirtschaftlichen Nutzen klar sehen.

Laut Jasperneite brauche Deutschland jetzt kreative Köpfe, die Geschäftsprozesse- und modelle neu denken und neue Marktplätze finden. Auch Jochen Schlick, stellvertretender Forschungsbereichsleiter Innovative Fabriksysteme am DFKI, hält den kreativen Akt für notwendig, um nützliche Anwendungen zu identifizieren. „Denn der Mehrwert für den Kunden resultiert mehr und mehr aus der Dienstleistung zum Produkt als aus dem Produkt selbst.“ Um hiervon zu profitieren, müssen sich Produkthersteller dem Dienstleistungsthema nähern. „Problem: Das entspricht bei vielen Herstellern nicht dem bisherigen Selbstverständnis. Und dem entsprechend ist darüber kein Know-how vorhanden“, analysiert Schlick.

Frage nach dem Wofür entscheidet

Die für den Durchbruch der intelligenten Produktion wichtige Frage scheint also nicht mehr so sehr das Wie sondern das Wofür zu sein. Die Basistechnologien sind soweit vorhanden, stellenweise wird inzwischen sogar doppelt geforscht, wie im Fall der industriellen Steuerungstechnik: „Sie wird heute unnötig oft neu implementiert, obwohl ähnliche Abläufe bereits in anderen Projekten existieren“, sagt Schlick. Auch die Datensicherheit hält er für kein allzu großes Problem: „Es gibt auf der technischen Ebene bereits eine breite Palette an Möglichkeiten, Netze entsprechend abzusichern und Daten zu schützen“. Die Herausforderung liegt eher auf der organisatorischen Ebene: „Vielfach ist es sehr schwer, praxistaugliche unternehmensweite Richtlinien festzulegen, wer zu welchem Zeitpunkt auf welche Daten zugreifen darf oder nicht und wie sich ein Mitarbeiter eindeutig authentifizieren kann. Oft ist auch nicht klar, gegen welche Gefährdung genau man sich überhaupt absichern muss.“

Hilfestellung aus der Politik

Man muss also der Wirtschaft auf die Sprünge helfen. Da sie verspricht, den Produktionsstandort zu stärken, musste die Politik nicht lange überredet werden. Inzwischen steht das Thema fest auf der Agenda der Forschungspolitik im Rahmen der Hightech-Strategie seit 2006. „Die Bundesregierung unterstützt aktiv das von Wirtschaft und Wissenschaft vorgeschlagene und getragene Zukunftsprojekt Industrie 4.0 über einen Zeitraum von vier Jahren mit Fördermitteln bis zu einer Höhe von 200 Millionen Euro“, sagt Thomas Rachel, Parlamentarischer Staatssekretär im Bundesministerium für Bildung und Forschung. Das Geld fließt inzwischen in diverse Forschungscluster und Förderprogramme. „Es geht darum, die Exportstärke der deutschen Industrie, die vor allen Dingen auf langlebigen und zuverlässigen Hochtechnologieprodukten beruht, zu erhalten“, sagt Rachel. „Entscheidend ist aber, dass die Industrie hier Verantwortung übernimmt.“ Sie hat auch schon reagiert. Die Verbände der für die intelligente Produktion wichtigsten Schlüsselbranchen: BITKOM (Informationstechnologie), VDMA (Maschinenbau) und ZVEI (Elektrotechnik) haben die „Plattform Industrie 4.0“ gegründet. Sie soll im April 2013 die Arbeit aufnehmen und den Transfer in die Betriebe voranbringen. Die Plattform ist als Anlaufstelle für Unternehmen gedacht. „Unsere Aufgabe ist es, Technologien und Standards zu entwickeln, aber auch neue Geschäfts- und Organisationsmodelle zu erarbeiten“, sagt Rainer Glatz, Leiter der Plattform.

Vorzüge – Flexibilität und Kommunikation in Echtzeit

Für die produzierenden Unternehmen haben die intelligenten Maschinen zwei wichtige Vorzüge: Sie sind flexibel und kommunizieren in Echtzeit. Das ist bei kleinen Stückzahlen, individualisierten Produkten und schwankenden Märkten eine sehr wertvolle Eigenschaft. Wenn also etwas an einer Stelle geändert wird, dann spricht sich das schnell herum und alle passen sich sofort an. Jeder Schritt, angefangen bei der Bestellung des Werkstoffs, über die Verarbeitung, bis zum Eingang beim Kunden, auch wenn es durch mehrere Unternehmen geht, kann verfolgt werden. In der Produktion bedeutet das keine umfangreiche Vorplanung und Umrüstung mehr, ein Eingriff, eine Umstellung ist jederzeit möglich. Außerdem brechen damit auch ganz neue Zeiten für Wartung und Service an. Ingenieure verbringen heute viel Zeit mit der Fehlersuche. Gerade in vernetzten Systemen ist diese inzwischen sehr aufwändig. Ähnlich wie bei Menschen, sitzt das Symptom häufig nicht an dem Ort der Krankheitsursache. Die intelligenten Anlagen der Zukunft sind vermutlich hier im Vorteil. Sie suchen den Fehler selbstständig im System, stellen eine exakte Diagnose aus und fordern konkrete Hilfe an.

SmartFactory Kaiserslautern: „Towards a Factory-of-Things“
© SmartFactoryKL e.V.
Quelle http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=EUnnKAFcpuE

Erwartungen schießen in den Himmel

Industrie 4.0 weckt hohe Erwartungen. Die Maschinen- und Anlagenbauer sind ohnehin daran interessiert, neue Produktionstechnologien zu entwickeln. Hinzu kommt, dass die intelligenten Anlagen auch noch den großen Vorteil haben, als komplexe Systeme nicht so schnell kopierbar zu sein. Die produzierenden Unternehmen hoffen auf Lösungen, die immer individueller werdenden Kundenwünsche zügig und möglichst günstig zu erfüllen. Und seitdem die jüngste Wirtschaftskrise das produzierende Gewerbe in einem neuen Glanz als besonders krisenresistent erstrahlen ließ, hält auch die Politik seine Hand drüber.

Bei so viel Interessengleichheit erhielt das Projekt Industrie 4.0. einen riesigen Schwung. Was kann aber die Gesellschaft von der Fabrik der Zukunft bahnbrechendes erwarten? Kann sie dem Dilemma zwischen Wirtschaftswachstum und dem Energie- und Ressourcenverbrauch gerecht werden? Das Mantra der Unternehmenslenker von der Notwendigkeit des Wachstums ist stark umstritten und angesichts begrenzter Ressourcen fraglich. Intelligente Produktion wird mehr Raum bieten, nachhaltiger zu produzieren. Aber das Problem wird sie nicht lösen. „Die Aussage, dass eine Intelligente Fabrik per se energie- und ressourcenschonend sei, ist nicht ohne Weiteres richtig“, sagt Schlick. „Richtig ist jedoch, dass sie qualitativ hochwertige und umfassende Daten über Energieverbräuche, Qualitätsinformationen und Ausschussquoten als eine sehr gute Ausgangsbasis liefert, um erfolgversprechende Optimierungsprojekte für den Energie- und Ressourcenverbrauch durchzuführen.“

Nun verbraucht Produktion sicherlich mehr Energie als Dienstleistungen. Auch wenn ausgeklügelte Finanzgeschäfte einige Watt für den Rechner, ein paar zusätzliche Kalorien für den Gehirnschmalz des Urhebers und eines Büros in einem mit modernster Haustechnik ausgestattetem und gut ausgeleuchtetem Hochhaus bedürfen. Smart Factories könnten aber durchaus gesellschaftsfähig werden. Zumal Wohlstand durch Realwirtschaft uns mehr Wohlbehagen beschert, als die undurchsichtigen virtuellen Finanzkonstrukte. So will man sich also in Zukunft in Deutschland und in Europa nicht nur auf Dienstleistungen verlassen. Doch Vorsicht, der Industrieanteil am BIP ist auch kein zuverlässiger Parameter: In Äquatorialguinea beispielsweise liegt er bei über 80 Prozent! Auch das BIP selbst zeigt nur die reine Wirtschaftsleistung, kann aber durchaus gegenläufig zur Entwicklung der realen Einkommen (Median) verlaufen. Und gerade das ist im vergangenen Jahrzehnt in Deutschland passiert. Neben den USA war es das einzige OECD-Land, in dem das reale Einkommen gesunken ist. Nun konnte auch die vom Bundestag eingesetzte Enquete-Kommission „Wachstum, Wohlstand, Lebensqualität“ bislang keinen geeigneten Ersatz finden. Es ist vielleicht auch anmaßend, nach einer Zahl zu suchen, mit der das gute Leben berechnet werden kann. Das Leben scheint sich hartnäckig dem Versuch zu entziehen.

Menschenleere Fabrik – kein Zukunftsszenario

Das Werkzeug eines Industrie 4.0-Arbeiters © DFKI - Smart Factory KaiserslauternAuch die kürzlich vorgestellte Studie des Stuttgarter Fraunhofer Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation mit dem Titel „Produktionsarbeit der Zukunft – Industrie 4.0“ gibt Entwarnung. Die befragten Unternehmen und Experten gehen nicht von einer menschenleeren Fabrik aus. Schon alleine deshalb nicht, weil eine Massenproduktion, die sehr gut automatisiert werden kann, in Deutschland nicht zukunftsfähig ist. Der Trend führt eindeutig zu individuellen Produkten und kleinen Serien. „Flexibilität ist ein Schlüsselwort der Industrie 4.0: Die Unternehmen müssen noch kurzfristiger flexibel reagieren können“, sagt Tobias Krause, Projektleiter der Studie. „Um das zu realisieren ist es nötig, neben den Maschinen vor allem auch die Mitarbeiter mit dem System zu vernetzen. So könnte die klassische 40-Stunden-Woche einer flexiblen Arbeitsteilung weichen. Mithilfe von Smartphones könnten Mitarbeiter die Arbeitszeit selbst mitbestimmen.“ Smartphones statt Stechuhren ist also die Vision der Forscher. „Wichtig ist, die neue Flexibilität so zu gestalten, dass sie für die Mitarbeiter auch mehr Freiheit bedeutet. Die Flexibilität der Unternehmen darf nicht auf dem Rücken des Privatlebens der Mitarbeiter ausgetragen werden“, betont Krause.

Überhaupt ist die Technologie nur Mittel zum Zweck, fasst Schlick zusammen. Und der Zweck ist, Prozesse zu optimieren und neue Dienstleitungen zum Produkt anzubieten. Der Mensch rückt mehr und mehr ins Zentrum der Produktion und muss lernen, seine Anlagen zu dirigieren anstatt zu bedienen. Die zukünftigen Fabrikarbeiter werden also gleichzeitig auch mehr Verantwortung tragen müssen. „Das bedeutet zusätzlichen Spielraum aber auch neue Formen von Belastung für die Arbeitnehmer“, sagt Hilmar Schneider, Direktor für Arbeitsmarktpolitik am Forschungsinstitut zur Zukunft der Arbeit (IZA) in Bonn. „Sie müssen lernen, Grenzen zwischen Arbeits- und Privatleben zu ziehen und Erholungsphasen für sich selbst zu beanspruchen“. Die industrielle Revolution funktioniere nicht ohne organisatorische Revolution der Arbeitsbeziehungen. „Hierarchien werden durch Teamstrukturen ersetzt und viele Regeln der Arbeitswelt müssen in den Unternehmen neu verhandelt werden“, äußert IZA-Experte Schneider.

Gute Aussichten bei hoher Komplexität

Die Aussichten auf intelligente Fabriken muten also allgemein positiv an. Was offenbar ängstigt, ist die Komplexität der Prozesse. Angesichts so viel intelligenter Technik – Smart Factory, Smart Materials, Smart Grids und Smart Cities – sollte die Gesellschaft diese Entwicklungen genau beobachten. Denn wenn diese Smart World nicht mehr überblickt werden kann, dann entgleitet sie den Menschen – die Finanzwelt führt es derzeit deutlich vor Augen. Und schließlich wäre da noch die größte volkswirtschaftliche Herausforderung, die gesamte Gesellschaft auf dem Weg dahin mitzunehmen. Dazu benötigt vor allem die Arbeitswelt Visionen. Denn sie ist bis jetzt die Grundlage jeder Existenz. Die Industrie stellt sich gerade neu auf, die Gesellschaft sollte es auch tun.

Den Begriff „Internet der Dinge“ (IOT) verwendete erstmalig im Jahr 1999 Kevin Ashton, zu diesem Zeitpunkt Mitarbeiter bei Procter & Gamble (USA). Das IOT stellt eine umfassende Erweiterung des klassischen Internets dar: Während das Internet auf den Austausch von Daten und Dokumenten verschiedener Medientypen beschränkt ist, adressiert das Internet der Dinge die Vernetzung von und mit Alltagsgegenständen. Damit hebt es die Trennung zwischen virtueller und realer Welt weitestgehend auf.

Im Jahr 2006 verwendete Helen Gill von der amerikanischen National Science Foundation (NSF) erstmalig den Begriff „Cyber-physical Systems“ (CPS). Dabei definierte sie mit dem Begriff „Cyber“ solche Systeme, die zur diskreten Verarbeitung und Kommunikation von Informationen genutzt werden, während mit „physical“ die  natürlichen und vom Menschen geschaffenen technischen Systeme gemeint sind. Nach Helen Gill sind CPS demnach Systeme, in denen die Cyber- und physischen Systeme auf allen Ebenen eng miteinander verbunden sind.

 

* Zur Erinnerung: Die erste industrielle Revolution basierte auf Erfindungen und führte zur Mechanisierung der Handarbeit. Forschung und Nutzung der Elektrizität ermöglichten die Massenfertigung und damit die zweite Welle. Der Einsatz von Elektronik zur Automatisierung der Produktion beginnt in den 60-er Jahren und markiert die dritte Etappe.

Bildnachweis:

Bild 1:
Fabrik Weidmüller
© Weidmüller Interface GmbH & Co. KG

Bild 2:
Baustein einer intelligenten Produktionslinie
© DFKI - Smart Factory Kaiserslautern

Bild 3:
Das Werkzeug eines Industrie 4.0-Arbeiters
© DFKI - Smart Factory Kaiserslautern


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