Industrie 4.0: Das steckt dahinter

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Datum 22.12.2021
Lesezeit 7 Min.

Industrie 4.0: Das steckt dahinter

Noch vor wenigen Jahren war der Begriff Industrie 4.0 nur eine mehr oder weniger unbestimmte Zukunftsvision. Doch längst bauen immer mehr Unternehmen ihre Entwicklung und Fertigung um, heben die Potenziale der Vernetzung und digitalisieren konsequent. Per Cloud und „Internet der Dinge“ werden Fabriken vernetzt und intelligent. 3D-Druck und Rapid Prototyping beschleunigen die Fertigung. Die Smart Factory arbeitet schneller, effizienter und nachhaltiger. Wie Industrie 4.0 gerade die Welt verändert, erfahren Sie hier.

Was ist Industrie 4.0?

Industrie 4.0 beschreibt die Vernetzung von Maschinen und Prozessen mittels Informations- und Kommunikationstechnologie (ITK) zur Smart Factory.

Meist wird dieser Begriff im Kontext digitaler Technologien und Vernetzung gesehen. Das Internet of Things (IoT) verbindet Fahrzeuge, Fertigungsanlagen und ganze Rechnernetzwerke zum Internet der Dinge. Künstliche Intelligenz gewinnt per Cloud Computing aus den großen Datenmengen (Big Data), die hier generiert werden, die entscheidenden Informationen und bereitet diese auf. Die Smart Factory wiederum nutzt diese Informationen für eine optimierte und ressourcensparende Fertigung.

Wer das enorme Potenzial von Industrie 4.0 verstehen will, muss zurückschauen auf die Entwicklungsstufen der industriellen Revolution:

  • Stufe 1.0 der Industrialisierung setzte mit der Verbreitung der Dampfmaschine im 19. Jahrhundert ein
  • Die zweite Stufe der Industrialisierung begann mit der Massenfertigung am Fließband („Fordismus“)
  • Stufe drei der Industrialisierung wurde durch die Erfindung von Mikroelektronik und Industrierobotern eingeläutet
  • Industrie 4.0 revolutioniert erneut alle Fertigungsebenen – durch Digitalisierung und cloud-basierte Vernetzung

 




Video: YouTube / Swissmem

 

Industrie 4.0: Vorteile und Ziele

Bereits jetzt, am Beginn des 4.0er-Industriezeitalters, zeigt sich: Die Vernetzung intelligenter Werkstücke, smarter Fabriken und intelligenter Logistik sowie der konsequente Einsatz von Industrie-4.0-Technologien bewirkt nicht weniger radikale Umwälzungen als die vorangegangenen Industrie-Revolutionen. Insbesondere mehr Effizienz beim Ressourceneinsatz ist einer der wesentlichen Vorteile einer vernetzten Produktion mit direkter Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M).

Und wer bei Ressourcen nur an in großen Mengen verfügbare Energie, an Kunststoffe oder Verpackungsmaterialien denkt, denkt zu kurz. Ganze Produktionsstraßen stehen aktuell beispielsweise in der Automobilindustrie still, weil Chip-Mangel oder Hafenschließungen die Hersteller dort treffen, wo sie besonders verwundbar sind. Nur wer von ihnen sparsam mit Ressourcen umgeht, Fertigungsausfälle minimiert und seine Produktion so agil gestaltet, dass die knappen Ressourcen on the fly verbaut werden können, kann sich im Wettbewerb langfristig durchsetzen und seine Marktanteile halten.

Was Industrie 4.0 für Unternehmen bringt, lässt sich deshalb gerade in Zeiten des Umbruchs und temporärer Ressourcenknappheit gut in harten Zahlen ausdrücken: In einer weltweiten Befragung von Führungskräften ermittelte das Beratungsunternehmen Deloitte 2020, dass Unternehmen mit einer Industrie-4.0-Strategie wirtschaftlich erfolgreicher sind. 18 Prozent der strategiebasierten Firmen wuchsen im Jahr vor der Befragung um 20 Prozent oder mehr. Hingegen nur 3 Prozent der Unternehmen ohne eine solche Strategie erzielten ein vergleichbar starkes Wachstum.

Zum Wachstum trägt auch bei, dass Industrie 4.0 neue kundenzentrierte Prozesse und „Losgröße 1“ möglich macht: Damit lassen sich in der industriellen Produktion die Effizienz steigern, der Ressourcenverbrauch verringern und Warentransporte optimieren. Eine weitere Möglichkeit, die „Industrie 4.0“ eröffnet, heißt in der Fachsprache „Losgröße Eins“: Die völlige Vernetzung bis auf die Fertigungsebene macht die individuelle Produktion von Einzelstücken exakt nach Kundenwunsch technisch realisierbar – und bleibt dabei sogar wirtschaftlich profitabel. Die Smart Factory verändert damit nicht nur die Art, wie wir Dinge vom Entwurf über den Prototypen bis zur Serie entwickeln und fertigen. Sie beseitigt zugleich auch viele Kostenvorteile, die früher erst aus riesigen Stückzahlen erwuchsen und macht die Industrie damit ungleich flexibler.

Hinter dem Konzept steht zugleich ein fundamentaler Wandel: So werden zum Beispiel Kunden und Geschäftspartner stärker als je zuvor in Geschäfts- und Wertschöpfungsprozesse einbezogen, Produktionsverfahren werden agiler.

Kunden geben dann beispielsweise via Cloud ihre Rohdaten für die CNC-Fertigung oder den sinterbasierten 3D-Druck an den Hersteller in der Industrie 4.0, der diese überprüft, auf Machbarkeit hin kontrolliert und dann zeitnah umsetzt und an den Kunden ausliefert. Dabei kann dieser Kunde auch inhouse sitzen – beispielsweise die eigene Entwicklungsabteilung, die damit noch kurz vor der anstehenden Großserienfertigung letzte Optimierungen am 1:1-Modell vornimmt.

 

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Smart Factory: Wettbewerbsfähiger dank vernetzter Produktion

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Potenziale und Chancen für Ihr Unternehmen

Was genau bedeuten Digitalisierung und Industrie 4.0 über die Vernetzung hinaus und welche IT-Infrastruktur brauchen Sie dafür? Nehmen wir an, Sie möchten Entwicklungszeiten verkürzen und das Prototyping optimieren, um schneller und kostengünstiger mit neuen Produkten auf den Markt zu kommen. Dann können Sie beispielsweise im Zeichen von Industrie 4.0 für Planung und Entwicklung mit Digital Twin-Modellen arbeiten, um später im laufenden Betrieb frühzeitig zu erkennen, wenn es Wartungs- oder Reparaturbedarf gibt. 

Um das zu erreichen, ist natürlich eine umfassende Vernetzung aller beteiligten Sensoren und Maschinen notwendig. Experten schätzen, dass innerhalb des nächsten Jahrzehnts 50 bis 100 Milliarden Endgeräte mit dem Internet verbunden sein werden.Angetrieben wird diese Entwicklung durch das Internet der Dinge und die M2M-Kommunikation. Im Zuge der Vernetzungswelle werden Massen an Daten zwischen Milliarden von Geräten transportiert.

Das wiederum geht nur mit einer leistungsstarken Cloud-Anbindung, da die immensen Datenmengen, die anfallen, nur hier sinnvoll bewältigt und ausgewertet werden können. Das trifft umso mehr zu, wenn Sie mit mehreren Standorten arbeiten, die untereinander kommunizieren müssen und voneinander abhängig sind. Haben Sie diese Strukturen einmal aufgesetzt, können Sie die damit verbundenen Kostenvorteile und Zeitgewinne fortan immer wieder aufs Neue nutzen.

Der eigentliche Siegeszug von Cloud-Integration in der industriellen Fertigung scheint indes unaufhaltsam. Laut der Studie Cloud-Monitor 2021 von Bitkom im Auftrag von KPMG sind bereits 82 Prozent der deutschen Unternehmen mit mehr als 20 Mitarbeitenden bereits in der Cloud. Gegenüber dem Vorjahr ein Plus von 6 Prozent.

Industrie 4.0 bedeutet auch, Mitarbeiter:innen die hierbei anfallenden großen Datenmengen überall zur Verfügung zu stellen, beispielsweise auch im Homeoffice.  So können laufende Geschäftsprozesse jederzeit aufrechterhalten und analysiert werden, egal von wo gerade gearbeitet wird. Auch hier geht Industrie 4.0 also mit Cloud-Computing einher, das genau solche ubiquitären Services für die Mitarbeiter:innen bereitstellt. 

 




Video: YouTube / Fraunhofer ISST

  

Anforderungen und Herausforderungen

Der Umbau zur Industrie 4.0 – er stellt neben dem gesamtwirtschaftlichen Aspekt auch direkte Anforderungen an Unternehmen und deren Beschäftigten. Zum Beispiel braucht es die Bereitschaft, bestehende Strukturen zu verändern und ein Management, das mehr berät, als dass es führt. Es muss auf allen Ebenen die Bereitschaft vorhanden sein, Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter weiter zu qualifizieren und ihnen auch mehr Freiräume zu geben, wo neue Prozesse dies notwendig machen.

Was Industrie 4.0 konkret für Sie bedeutet und welche Ziele Sie hiermit erreichen:

  • Flexibilität in der Produktion: Bis ein fertiges Produkt entstanden ist, sind oft mehrere Standorte desselben Unternehmens, aber auch Zulieferer beteiligt. Durch intelligente Vernetzung arbeiten diese deutlich besser zusammen.
  • Vorausschauende Wartung: Bevor eine Maschine ausfällt und dadurch möglicherweise die gesamte Produktionskette lahmlegt, warnen entsprechende Sensoren vor erhöhtem Verschleiß und drohenden Defekten. Außerdem wird nur noch das getauscht, was unbedingt notwendig ist.
  • Flexible Produktionsstraßen: Ändern sich die Anforderungen am Markt, können Unternehmen mit modularen Produktionsstraßen viel besser und schneller reagieren. Maschinen, die nach Programmierung grundsätzlich verschiedene Bauteile fertigen können, lassen sich leichter anpassen als solche, die auf ein bestimmtes Halbzeug (Vormaterial) festgelegt sind.
  • Optimale Logistik-Prozesse: Auch die Lieferkette spielt eine entscheidende Rolle beim Thema Effizienz. Das Thema „Just in time” wird in der Industrie 4.0 auf ein völlig neues Level gehoben – die Ankunftszeit benötigter Ressourcen kann teils auf die Minute genau vorhergesagt werden. Unnötige Lagerhaltung wird auf ein Minimum reduziert.
  • Der Kunde im Mittelpunkt: Die Ansprüche der Kunden an Individualität wachsen zusehends. Schon länger können Kunden beispielsweise Sportschuhe nach eigenen Bedürfnissen anpassen und konfigurieren – die Maschinen im Hintergrund erledigen dann die Produktion, ohne dass sie händisch eingestellt werden müssen.
  • Effizienter Ressourceneinsatz: Nicht zuletzt leistet die vernetzte Industrie einen wesentlichen Beitrag zum effizienten Umgang mit Rohstoffen – und damit auch zum Umweltschutz. Außerdem kann in der Industrie 4.0 viel besser der gesamte Lebenszyklus eines Produktes simuliert und bereits bei der Herstellung berücksichtigt werden.
  • On-Premise-Vernetzung mit 5G und Portierung von Unternehmensdaten in die Cloud: Alle relevanten Informationen müssen in der Industrie 4.0 überall und schnell verfügbar sein. Autonome Flurförderfahrzeuge für die direkte Beschickung von Produktionsstraßen beispielsweise orientieren sich per 5G-Mobilfunk selbständig auf dem Unternehmensgelände. So werden die interne Logistik optimiert und Bedarfe just in time befriedigt. Ein wichtiger Nebeneffekt: Kürzere Rüst- oder Stillstandszeiten.

 




Video: YouTube / Vodafone Deutschland

 

Industrie 4.0 – Beispiele aus der Praxis

 Kärcher M2M-Kommunikation

Es gibt inzwischen eine Menge Beispiele für die erfolgreiche Umsetzung der digitalisierten Industrie: So ermöglicht die Firma Kärcher ihren Großkunden mit Hilfe von IoT ein effizientes Flottenmanagement ihrer Reinigungsmaschinen. Auch in anderen Branchen lassen sich solche Erfolgsbeispiele finden: Maschinen melden Fehler oder Wartungsbedarf automatisch mit Hilfe von M2M (Maschine-zu-Maschine-Kommunikation) und vermeiden so kostenintensive Ausfallzeiten. Lagerbestände lassen sich genauer und aktueller erfassen, um etwa Nachbestellungen oder die Produktion zeitnah und passgenau steuern zu können. Verkaufsautomaten oder öffentliche Müllcontainer übermitteln ihre Füllstände und erlauben so eine effizientere Logistik bei der Befüllung beziehungsweise Abholung.

 

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Cobots bei BMW

Lange Zeit arbeiteten Industrie-Roboter in der Auto-Industrie nur in großen Draht-Käfigen oder hermetisch abgeriegelten Fabrikbereichen, um Menschen vor Verletzungen durch schnelle Roboterarm-Bewegungen zu schützen.

Die neue Generation moderner Industriemaschinen im Zeitalter von Industrie 4.0 hingegen kann auch sanft: Modernste Sensoren, Failsafe-Programme und Schnellstopp-Sicherheitsmechanismen machen es möglich, dass Mensch und Maschine am selben Ort arbeiten und der Mensch sich die Stärken der Technik zunutze macht.

Cobots werden die neuen, smarten Roboter etwa beim Autohersteller BMW genannt – ein Kunstwort aus Co-Worker und Robot. Bereits 2004 vertrieb der Robotikspezialist Kuka erste computergesteuerten Cobots, die über eine Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt worden waren.

Die Maschinen sind programmierbare Zuarbeiter, die einfache Abläufe auch schon einmal durch Abgucken beim menschlichen Vorbild erlernen. Ihre Stärken: Sie können Gegenstände schnell und exakt positionieren oder fixieren, schwerste Lasten bewegen oder durch den Luftraum per Lieferdrohne Dinge in Hochregallager transportieren. Dank Industrie 4.0 und kompletter Vernetzung per IoT „weiß“ die smarte Fabrik dabei stets, wo welche Maschine im Einsatz ist und was sie gerade bewegt. Auch die kabellose Kommunikation über das Unternehmensgelände hinaus ist hierbei kein Problem und dank entsprechender Mobilfunktarife leichter als je zuvor.

In der Industrie 4.0 prüft der Mensch zunehmend nur noch, was die Maschine macht und überlässt ihr allein dreckige oder gefährliche Arbeiten. Aber auch in anderen Sektoren wird an Cobots geforscht, etwa in der Feinmechanik oder der Chirurgie und der Telemedizin, wo es überall auf höchste, exakt wiederholbare Präzision ankommt.

 

Potenziale von Industrie 4.0 im Einzelfall erkennen und umsetzen

Die Digitalisierung bisher analoger Prozesse, die Nutzung von Cloud-Anwendungen, die Gewinnung neuer Informationen aus intelligenten Analysen längst vorliegender Daten, die Vernetzung bislang isolierter Maschinen – solche Maßnahmen sind es, die zu eindeutigen Verbesserungen führen und damit die Versprechen der „Industrie 4.0“ einlösen.

Erfreulicherweise ist das Sortiment an Lösungen und Technologien, die in diesem Zusammenhang zum Einsatz kommen, sehr umfangreich. Daher lässt sich daraus für Unternehmen jeder Größe aus so gut wie allen Branchen sehr konkretes Optimierungs- und Innovationspotenzial identifizieren und umsetzen. 

Sie als Unternehmer stehen diesen Veränderungen nicht allein gegenüber. Es gibt eine Vielzahl von Beratungsangeboten und Förderprogrammen, sowohl bundesweit wie auch in den einzelnen Bundesländern. Um solch anspruchsvolle Lösungen umzusetzen, sind hochmoderne und leistungsfähige Netze die Grundvoraussetzung. Sie stellen eine sichere und zuverlässige Vernetzung von Geräten und Komponenten sicher. Mehr Infos zu unserem Giga-Netz erfahren Sie auf vodafone.de/ready.

 

Datenschutz und -sicherheit mit Industrie 4.0

Der besondere Charme von Industrie 4.0 liegt im Informationsgewinn durch intelligente Analyse der neuen Datenströme. Unternehmen hoffen, in ihren Daten neue Wettbewerbsvorteile zu entdecken. Doch können sie auch Erkenntnisse zutage fördern, die möglicherweise die Rechte anderer verletzen. Wie geht man mit diesen Erkenntnissen um?

Diese gesamtheitliche Sicht ist im „Security by Design“ verwirklicht, einem der wichtigsten Ansätze bei Industrie 4.0-Entwicklungen. Daneben haben sich hier Technologien wie Whitelisting oder Trusted Computing etabliert. Bei ersterem wird eine Liste vertrauenswürdiger Befehle erstellt, davon abweichende Eingaben akzeptiert das System nicht. Bei letzteren werden sämtliche sicherheitsrelevanten Regeln durch einen eigenständigen Sicherheitschip festgelegt und überwacht.

Hand in Hand mit der technischen Sicherung gibt es aber viel institutionelle Arbeit zu leisten: Standards für IT-Sicherheits- und Datenschutzstrategien müssen entwickelt werden, auf die Firmen vertrauen können und die dazu beitragen, ihre Industrie 4.0-Investitionen zu schützen. Diese Standards dürfen dabei nicht bei den Ländergrenzen ihre Wirksamkeit verlieren, sondern müssen international abgestimmt sein. Das ist insbesondere beim Umgang mit sensiblen und personenbezogenen Daten wichtig.

Dieser Prozess wird Zeit kosten und scheint dem allgegenwärtigen Ruf nach mehr Geschwindigkeit, Flexibilität und Interoperabilität zuwider zu laufen. Jedoch müssen Datensicherheit und Datenschutz vor Implementierungsgeschwindigkeit gehen – für die Industrie 4.0 ist das erfolgsentscheidend.

 

Die Arbeitswelt ist heute voll digital   

Industrie 4.0 und digitale Transformation verändern gerade die Arbeitswelt, wie wir sie kennen. Die Chancen für Gesellschaft und Unternehmen sind groß: Überall ergeben sich für Berufseinsteiger ganz neue Perspektiven und Karrieremöglichkeiten. Gerade High Potentials nutzen ihre Verhandlungsposition und heuern zunehmend bei Firmen mit spannendem technischen Background und vielversprechenden Hierarchien an.

Die Industrie 4.0 liegt somit nicht nur vorne im Wettkampf um die besten und klügsten Köpfe. Sie verbindet auch nachhaltiges Wachstum und die Option auf ressourcenschonendere Herstellungsverfahren dank der sorgfältigen Auswertung von Big Data. Gleichzeitig ergeben sich neue Produktionsprozesse, die dank Losgröße 1 ohne Ausschuss oder aufwändiges Prototyping auskommen.

Dabei darf nicht übersehen werden: Veränderung weckt bei manchen Beteiligten auch Sorgen. Es muss deshalb zentraler Bestandteil einer jeden Industrie-4.0-Strategie sein, im Unternehmen Prozesse so zu gestalten, dass Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sich an allen Schritten der Transformation zur Industrie 4.0 beteiligen – durch Vorschläge und Ideen, durch Weiterqualifikation und ganz praktisch auch durch die Entwicklung eigener Verfahren und Prozessschritte. Schließlich sind es die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, die das Unternehmen und ihren Arbeitsplatz besonders gut kennen.

Eine Arbeitswelt ohne Menschen wird es hingegen auch mit Industrie 4.0 nicht geben. Der Wandel wird aber helfen, dort zukünftig Wachstum zu generieren, wo der Mangel an gut ausgebildeten Spezialistinnen und Spezialistinnen bisher Entwicklungen behindert.

So beziffert etwa die Beratungsgesellschaft Korn Ferry die Einnahmeausfälle für die deutsche Wirtschaft allein durch den Fachkräftemangel auf rund 500 Milliarden Dollar bis zum Jahr 2030.  Gerade mittelständische Unternehmen können hierdurch schnell in Schieflage geraten – etwa wenn Produktionslinien stillstehen und Kunden deshalb zum Wettbewerb abwandern. Langfristig kann deshalb gerade die Transformation zur Industrie 4.0 kleinere und mittelständische Unternehmen stärken, resilienter machen und so deren Arbeitsplätze sichern.

 

Ist Ihr Unternehmen bereits fit für Industrie 4.0? In welchen Bereichen ist Ihre Branche vielleicht sogar Vorbild für andere? Schreiben Sie uns in den Kommentaren.

 


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