Um produzierenden Unternehmen eine systematische Herangehensweise an das Thema Industrie 4.0 zu ermöglichen, hat die Plattform Industrie 4.0 die wichtigsten Anwendungsszenarien für die Digitalisierung der Industrie ausgearbeitet. [...]
Um aufzuzeigen, wie durch Digitalisierung neue Wege in der produzierenden Industrie gegangen werden können, hat die deutsche Plattform Industrie 4.0 entsprechende Anwendungsszenarien ausgearbeitet. Diese beschreiben die Vision der digitalen Zukunft in der Industrie und zeigen, mit welchen Innovationen in Technologie, Arbeitsorganisation, Recht und Gesellschaft diese digitale Zukunft möglich wird. Die Anwendungsszenarien zeigen aber auch auf, wo zentrale Herausforderungen und Fragen, beispielsweise in den Bereichen Standards, Forschung, Sicherheit, rechtlicher Rahmen und Arbeit, liegen.
Auftragsgesteuerte Produktion
Das Anwendungsszenario „Auftragsgesteuerte Produktion“ (AGP) beschreibt eine flexible Fertigungskonfiguration. Dank einer werks- und unternehmensübergreifenden Vernetzung von Produktionsfähigkeiten und Kapazitäten kann sie sich schnell an verändernde Markt- und Auftragsbedingungen anpassen und die Fähigkeiten und Kapazitäten bestehender Produktionsmittel bestmöglich ausnutzen. So wird das Potential der Vernetzung mit anderen Fabriken über die Grenzen des eigenen Werks hinaus dazu genutzt, das eigene Portfolio und insbesondere die Produktion im Hinblick auf die sich immer rascher ändernden Kunden- beziehungsweise Marktanforderungen auszurichten. Konkret werden die Fertigungsketten mit Blick auf unterschiedliche Parameter wie etwa Kosten und Zeit optimiert.
Das Anwendungsszenario „Auftragsgesteuerte Produktion“ (AGP) beschreibt eine flexible Fertigungskonfiguration. Dank einer werks- und unternehmensübergreifenden Vernetzung von Produktionsfähigkeiten und Kapazitäten kann sie sich schnell an verändernde Markt- und Auftragsbedingungen anpassen und die Fähigkeiten und Kapazitäten bestehender Produktionsmittel bestmöglich ausnutzen. So wird das Potential der Vernetzung mit anderen Fabriken über die Grenzen des eigenen Werks hinaus dazu genutzt, das eigene Portfolio und insbesondere die Produktion im Hinblick auf die sich immer rascher ändernden Kunden- beziehungsweise Marktanforderungen auszurichten. Konkret werden die Fertigungsketten mit Blick auf unterschiedliche Parameter wie etwa Kosten und Zeit optimiert.
Im Kern beruht die Auftragsgesteuerte Produktion auf einer Standardisierung der einzelnen Prozessschritte einerseits und der Selbstbeschreibung von Fähigkeiten der Produktionsmittel andererseits. Diese Standardisierung erlaubt die automatisierte Auftragsplanung, -vergabe und -steuerung zur Einbindung aller benötigten Fertigungsschritte und Produktionsmittel. Einzelne Prozessmodule können so wesentlich flexibler als früher miteinander kombiniert und ihre spezifischen Fähigkeiten genutzt werden.
Auf der einen Seite eröffnet sich für produzierende Unternehmen damit die Möglichkeit, die eigenen Fertigungsfähigkeiten und Kapazitäten ad hoc entsprechend der Auftragslage durch die Einbindung externer Produktionsmodule weitgehend automatisiert zu erweitern. Investitionsmittel werden dabei nicht gebunden. Sie werden so in die Lage versetzt, sehr flexibel auf veränderte Markt- und Kundenanforderungen zu reagieren. Auf der anderen Seite können Unternehmen, die ihre Maschinen auf dem Markt anbieten, ihre Kapazitätsauslastung optimieren.
Die Wandlungsfähige Fabrik
Das Anwendungsszenario der „wandlungsfähigen Fabrik“ (WFF) beschreibt den schnellen und unter Umständen auch weitgehend automatisierten Umbau einer Fertigung, sowohl im Hinblick auf geänderte Fertigungskapazitäten als auch auf geänderte Fertigungsfähigkeiten. Ein zentrales Konzept zur Umsetzung ist ein modularer und somit wandlungsfähiger Aufbau der Produktion innerhalb einer Fabrik. Intelligente und interoperable Module, die sich weitgehend selbstständig an eine veränderte Konfiguration anpassen, und standardisierte Schnittstellen zwischen diesen Modulen ermöglichen einen einfachen und schnellen Umbau, der sich an geänderte Markt- und Kundenanforderungen anpasst.
Das Anwendungsszenario der „wandlungsfähigen Fabrik“ (WFF) beschreibt den schnellen und unter Umständen auch weitgehend automatisierten Umbau einer Fertigung, sowohl im Hinblick auf geänderte Fertigungskapazitäten als auch auf geänderte Fertigungsfähigkeiten. Ein zentrales Konzept zur Umsetzung ist ein modularer und somit wandlungsfähiger Aufbau der Produktion innerhalb einer Fabrik. Intelligente und interoperable Module, die sich weitgehend selbstständig an eine veränderte Konfiguration anpassen, und standardisierte Schnittstellen zwischen diesen Modulen ermöglichen einen einfachen und schnellen Umbau, der sich an geänderte Markt- und Kundenanforderungen anpasst.
Für produzierende Unternehmen wird mit der WFF ein schnelles, aufwandsarmes und zuverlässiges Umbauen der Fertigung möglich, sodass schnell auf sich ändernde Anforderungen reagiert werden kann. Die zunehmende Standardisierung und Modularisierung erweitern zudem die Möglichkeiten, Fertigungseinheiten unterschiedlicher Anbieter zu kombinieren und somit für jedes einzelne Modul die jeweils wirtschaftlichste Lösung zu realisieren.
Selbstorganisierende adaptive Logistik
Kern dieses Anwendungsszenarios ist die Erhöhung der Flexibilität und Reaktionsgeschwindigkeit industrieller und logistischer Systeme. Die selbstorganisierende adaptive Logistik umfasst dabei die gesamte Wertschöpfungskette der horizontalen Integration (End-to-End-Logistik), beginnend mit der Intralogistik innerhalb der Fabriken über die adaptive Distributionslogistik mit ihren Zuliefer- und Auslieferprozessen des Supply-Chain-Managements bis hin zur Endkundenlogistik für das auszuliefernde Produkt.
Kern dieses Anwendungsszenarios ist die Erhöhung der Flexibilität und Reaktionsgeschwindigkeit industrieller und logistischer Systeme. Die selbstorganisierende adaptive Logistik umfasst dabei die gesamte Wertschöpfungskette der horizontalen Integration (End-to-End-Logistik), beginnend mit der Intralogistik innerhalb der Fabriken über die adaptive Distributionslogistik mit ihren Zuliefer- und Auslieferprozessen des Supply-Chain-Managements bis hin zur Endkundenlogistik für das auszuliefernde Produkt.
Adaptive selbstlernende Logistik unterstützt die Individualisierung der Produkte und die damit einhergehende Flexibilisierung der Produktion. Kürzere Lieferzeiten, geringere Lagerbestände, niedrigere Preise und eine bessere Ausnutzung der vorhandenen Infrastruktur können so erreicht werden. Die Logistik wird zudem transparent, intelligent und flexibel. Durch optimierte Ausnutzung der Kombinationsmöglichkeiten und Wege im Netzwerk wird sie in sich robuster und kann möglichen Störungen in der Lieferkette durch innere oder äußere Einflüsse mittels besserer Entscheidungen auf Basis einer effizienten Datenanalyse entgegenwirken.
Value Based Services
Im Kern dieses Anwendungsszenarios stehen IT-Plattformen, die Daten aus der Nutzung von Produkten – beispielsweise können das Maschinen und Anlagen für Produktionszwecke sein – sammeln, analysieren, aufbereiten und daraus bedarfs- und nutzergerechte individuelle Services anbieten. Dies umfasst beispielsweise eine optimierte Wartung zum richtigen Zeitpunkt oder auch die rechtzeitige Bereitstellung der richtigen Prozessparameter für die aktuell geforderte Fertigungsaufgabe. Bei den erfassten Daten handelt es sich beispielsweise um die Betriebsparameter für die Produkte, wie die für die Fertigung benötigten Maschinen und Anlagen, ihre Zustandsdaten, Daten aus dem Herstellungsprozess oder dem vorgelagerten Zulieferprozess. Aber auch die Eigenschaften der verarbeiteten Rohstoffe oder die betroffenen Einzelteile des Produkts gehören dazu.
Im Kern dieses Anwendungsszenarios stehen IT-Plattformen, die Daten aus der Nutzung von Produkten – beispielsweise können das Maschinen und Anlagen für Produktionszwecke sein – sammeln, analysieren, aufbereiten und daraus bedarfs- und nutzergerechte individuelle Services anbieten. Dies umfasst beispielsweise eine optimierte Wartung zum richtigen Zeitpunkt oder auch die rechtzeitige Bereitstellung der richtigen Prozessparameter für die aktuell geforderte Fertigungsaufgabe. Bei den erfassten Daten handelt es sich beispielsweise um die Betriebsparameter für die Produkte, wie die für die Fertigung benötigten Maschinen und Anlagen, ihre Zustandsdaten, Daten aus dem Herstellungsprozess oder dem vorgelagerten Zulieferprozess. Aber auch die Eigenschaften der verarbeiteten Rohstoffe oder die betroffenen Einzelteile des Produkts gehören dazu.
Ziel ist, diese Daten im Sinne eines Rohstoffs für die Optimierung von Produkten und Produktionsverfahren sowie für neue Services zu nutzen. Dadurch können nicht nur bestehende Wertschöpfungsketten verbessert, sondern gegebenenfalls auch neue Wertschöpfungselemente geschaffen werden.
In diesem Anwendungsszenario resultiert der Mehrwert aus der Verfügbarkeit einer Vielzahl von Prozessdaten unterschiedlichster Anwendungsfälle, die er für die Weiterentwicklung seines Portfolios an Produkten nutzen kann. Als Betreiber entsprechender IT-Plattformen kann der Produkt-Provider neue Services anbieten. Er stärkt so die Kundenbindung und steigert seinen Anteil an der Wertschöpfung.
Der Mehrwert für den Nutzer hingegen resultiert beispielsweise aus einem besseren Einsatz des Produkts, einer höheren Verfügbarkeit des Produkts durch beispielsweise verbesserte Wartung oder einer Optimierung der Produktnutzung durch eine bestmöglich angepasste Parametrierung des Produkts.
Transparenz und Wandlungsfähigkeit ausgelieferter Produkte
Dieses Anwendungsszenario beschreibt den Übergang der aus dem Softwarebereich bekannten Geschäfts- und Nutzungsmodelle auf weitere Produkte, die im Gegensatz dazu heute zunehmend veränderbar gestaltet werden. Diese werden künftig mehr und mehr über Speicher, Prozessoren und Kommunikationsmodule verfügen, die sie direkt mit dem Internet verbinden. Dadurch können Hersteller während des gesamten Produktlebenszyklus sehr kostengünstig auf Informationen über Produkte zugreifen und diese nachträglich umkonfigurieren und aktualisieren.
So besteht die Möglichkeit, beispielweise Betriebsdaten in Echtzeit zu erfassen und Konfigurationen an die aktuellen Einsatzbedingungen anzupassen. Auch lassen sich individualisierte After-Sales-Services anbieten. Ein Beispiel für einen solchen Service ist die zustandsbasierte Wartung, bei der eine Wartung aufgrund des aktuellen Zustands des Produkts erfolgt und nicht auf der Basis fester Wartungsintervalle.
Der Mehrwert wandlungsfähiger Produkte liegt zum einen darin, dass diese besser an ihre jeweiligen, aktuellen Einsatzbedingungen angepasst werden können, beispielsweise durch eine ferngesteuerte Konfigurationsänderung in den Betriebsparametern, und zum anderen darin, dass eine bessere Produktpflege, beispielsweise durch Software-Updates, erfolgen kann. Diese Möglichkeit gewinnt mehr und mehr an Bedeutung, da die Lebenszyklen der Software häufig deutlich kürzer sind als die des Gesamtprodukts.
Die erhöhte Transparenz über den Nutzen der Produkte durch in Echtzeit verfügbare Betriebsdaten kann vielfältig genutzt werden. Ein wichtiger Mehrwert sind hier sicherlich individualisierte, maßgeschneiderte Dienstleistungen im After-Sales-Geschäft. Zusätzlich zu verbesserten Dienstleistungen können die Informationen über Produkte auch zur Optimierung unterschiedlichster Geschäftsprozesse genutzt werden. So können beispielweise die Auslastung von Maschinen und die Nutzung von Containern besser analysiert werden und Kosteneinsparpotentiale erkannt werden. Ferner helfen die Betriebsdaten den Herstellern, Schwachstellen und Verbesserungspotentiale in den Produkten schneller zu erkennen und somit eine effizientere Produktpflege umzusetzen.
Der Kunde profitiert von Dienstleistungen, die besser auf den individuellen Einsatz seines Produkts zugeschnitten sind, von einer effizienteren Produktwartung – zum Beispiel Aktualisierung von Softwareständen oder Condition-based Maintenance – und von stärker individualisierbaren Produkten. So ist es beispielsweise denkbar, dass bestimmte Produkt-Features nur einem speziellen Kundenkreis zur Verfügung gestellt werden. Ausgewählte Produkteigenschaften könnten einem Kunden auch nur zeitlich befristet angeboten werden, solange er sie auch tatsächlich benötigt. Bezahlen würde der Kunde für dieses Feature dann nur für die Zeit, in der er es auch tatsächlich nutzt.
Mensch-Technik-Interaktion in der Produktion
Das Anwendungsszenario beschreibt verschiedene Aspekte von Industrie 4.0, bei denen Menschen in ihren unterschiedlichen Rollen und Tätigkeiten mit technischen Systemen in der Produktion interagieren. Das Spektrum umfasst sowohl die physische Assistenz durch Unterstützung körperlicher Fähigkeiten mithilfe entsprechender Geräte (Fähigkeitsverstärker) wie auch Assistenzfunktionen zur Unterstützung bei Analysen oder der Entscheidungsfindung.
Das Anwendungsszenario beschreibt verschiedene Aspekte von Industrie 4.0, bei denen Menschen in ihren unterschiedlichen Rollen und Tätigkeiten mit technischen Systemen in der Produktion interagieren. Das Spektrum umfasst sowohl die physische Assistenz durch Unterstützung körperlicher Fähigkeiten mithilfe entsprechender Geräte (Fähigkeitsverstärker) wie auch Assistenzfunktionen zur Unterstützung bei Analysen oder der Entscheidungsfindung.
Anwendungsbeispiele hierfür reichen von der kontextsensitiven Diagnose technischer Störungen oder komplexer Arbeitsprozesse bis hin zur ortsbezogenen Wartungs- und Planungsassistenz. Ein weiterer Aspekt der Mensch-Technik-Interaktion kommt bei personalisierten und an die jeweilige Situation angepassten Lernsystemen zum Tragen.
Flexiblere und intelligente Maschinen können vom Menschen schnell und einfach auf neue Aufgabenstellungen ausgerichtet werden. Der Umstand, dass Menschen und Roboter heute ohne trennenden Schutzzaun eng und sicher zusammenarbeiten können, ermöglicht eine neue, sinnvolle Aufteilung von Arbeitsinhalten. Der Mensch kann sich auf die hochwertigen Tätigkeiten wie beispielsweise Qualitätsmanagement konzentrieren und wird zunehmend von körperlichen Anstrengungen sowie von gefährlichen, schmutzigen und monotonen Tätigkeiten entlastet.
Moderne Kommunikationstechnologien wie mobile Endgeräte, Smart Watches oder Datenbrillen erlauben einen flexiblen Zugriff auf benötigte Informationen vor Ort, beispielsweise zum Abruf von Betriebsmitteldaten in Text und Bild für den Service vor Ort oder Einstellanleitungen als Video. Außerdem kann der Wissenstransfer im gesamten Unternehmen unterstützt werden. So können zum Beispiel wertvolle Erfahrungen aus der Fehlersuche in elektronischen Logbüchern dokumentiert und mit Kollegen weltweit geteilt werden, um so bei wiederkehrenden Fragestellungen zu helfen. Schnelle Hilfe bei der Lösung komplexer Probleme kann die Remote-Unterstützung durch Experten mit Livebild-Übertragung, beispielsweise in Kombination mit Augmented Reality, bringen.
Zielgerichtete Informationen in Echtzeit befähigen den Mitarbeiter, Gesamtzusammenhänge zu erkennen und auf unvorhergesehene Ereignisse adäquat zu reagieren. So können etwa Verbesserungsmaßnahmen ergriffen werden, wenn Qualitätsmeldungen vom Prüfstand an die Montageplätze übermittelt werden. Durch aktuelle Information des Mitarbeiters über Variantenwechsel und die erforderlichen Montageschritte wird die hohe Variantenvielfalt beherrschbar.
Smarte Produktentwicklung für die smarte Produktion
Das Anwendungsszenario einer „Smarten Produktentwicklung für die smarte Produktion“ beschreibt die Datentransparenz und -nutzung im Umfeld der Produktentwicklung. Produkte werden im Rechner digital entwickelt und erprobt, wozu beispielsweise die Anforderungen und die Funktionen des Produkts modelliert werden müssen, und nutzen, als System im System, die digitalen Materialdaten ihrer Zulieferer.
Das Anwendungsszenario einer „Smarten Produktentwicklung für die smarte Produktion“ beschreibt die Datentransparenz und -nutzung im Umfeld der Produktentwicklung. Produkte werden im Rechner digital entwickelt und erprobt, wozu beispielsweise die Anforderungen und die Funktionen des Produkts modelliert werden müssen, und nutzen, als System im System, die digitalen Materialdaten ihrer Zulieferer.
Gleichzeitig wird das entwickelte Produkt durch den Kunden verwendet, in andere Lösungen eingebaut, und diese wiederum werden dessen Kunden physisch und digital zur Verfügung gestellt. Dieses physische und virtuelle Produkt – Cyber-Physisches System – beinhaltet Anteile der Beschreibung des Zulieferteils, des Produktherstellers und des Lösungslieferanten. In der Umsetzung des virtuellen Produkts, als Typ eines Produkts, in eine gefertigte Instanz werden die Daten in der Produktionsplanung und dem Produktionsprozess genutzt. Es werden die für die Produktion notwendigen Anforderungen an die Produktionssysteme und deren Programmier- und Projektieraufgaben zur Verfügung gestellt.
In der Produktverwendung stellt dann das virtuelle Produkt Informationen für die Produktinstallation und -nutzung bis hin zur Entsorgung beziehungsweise Materialwiederverwendung zur Verfügung.
Die derzeit starren Engineering-Ketten werden aufgebrochen, um Zulieferer, Hersteller, Produzenten, Systemlieferanten und Kunden schon in der Engineering-Phase in die Lage zu versetzen, die Anforderungen gemeinsam zu definieren, Funktionalitäten in Technologie und Produktion abzugleichen und zusätzlichen Nutzen in nachfolgenden Prozess- und Wertschöpfungsschritten zu ermöglichen. Qualitätsdaten aus der gesamten Wertschöpfungskette führen bereits im Engineering zu Prozessstabilisierung und Qualitätskostenreduzierung.
Innovative Produktentwicklung
Kern dieses Anwendungsszenarios sind Prozesse zur innovativen Produktentwicklung auf der Basis der intelligenten Vernetzung und Kollaboration unterschiedlichster Akteure. Das Spektrum reicht dabei von verschiedenen Engineering-Disziplinen über Engineering-Dienstleister, Technologie-Lieferanten, Anbieter spezialisierter Fertigungsverfahren wie Additive Manufacturing, Provider von Kollaborationsplattformen bis hin zu Communities wie Open Source oder Open Innovation und den Kunden des Produkts.
Kern dieses Anwendungsszenarios sind Prozesse zur innovativen Produktentwicklung auf der Basis der intelligenten Vernetzung und Kollaboration unterschiedlichster Akteure. Das Spektrum reicht dabei von verschiedenen Engineering-Disziplinen über Engineering-Dienstleister, Technologie-Lieferanten, Anbieter spezialisierter Fertigungsverfahren wie Additive Manufacturing, Provider von Kollaborationsplattformen bis hin zu Communities wie Open Source oder Open Innovation und den Kunden des Produkts.
Möglich wird dies durch neue Formen der internetbasierten Zusammenarbeit. Deren Potential muss jedoch durch eine durchgängige Gestaltung von Engineering-Prozessen und die Unterstützung durch eine geeignete Engineering-Werkzeuglandschaft erschlossen werden.
Voraussetzung für die Entwicklungskooperation ist ein modellbasierter Entwurf, der das System, seinen Kontext und alle Beziehungen zwischen System und Kontext sowie System und Subsystemen in einem Modell beschreibt, um auf dieser Basis beispielsweise einen Produktentwurf optimieren oder vereinfachen zu können. Darüber hinaus bedarf es einer Simulations- und Visualisierungsumgebung, die es potentiellen Nutzern erlaubt, virtuelle Produkte bereits frühzeitig zu bewerten. Auf diese Weise können zukünftige Produkte im Hinblick auf zentrale Anforderungen validiert und ganzheitlich optimiert werden. Damit die Zusammenarbeit effizient gelingt, werden die vielen unterschiedlichen Engineering- und Analyse-Werkzeuge mithilfe einer IT-Plattform integriert.
Ein besonderes Augenmerk muss auch auf die adäquate Spezifikation und vollständige Verifikation der angestrebten Produkteigenschaften gelegt werden. Dies gilt insbesondere auch für nicht-funktionale Anforderungen. Die notwendigen Informationen müssen so weit aufbereitet sein, dass effektiv Entscheidungen getroffen werden können und insbesondere auch ein Synchronisieren der Produktentwicklung mit der Geschäftsstrategie möglich ist.
Mit der Umsetzung des Anwendungsszenarios können Unternehmen dem steigenden Innovationsdruck und den immer kürzeren Produktzyklen sowie dem immer häufigeren Wunsch nach individualisierten Produkten begegnen. Die effiziente Produktentwicklung unter Einbindung unterschiedlichster Partner erlaubt es, das Rad nicht immer selbst erfinden zu müssen, und reduziert so die time-to-market. Durch die Ad-hoc-Einbindung zusätzlicher Kompetenzen und die flexible Nutzung eines breiten Spektrums von Diensten der „On-Demand Economy“ wird es für Unternehmen möglich, komplexere Produkte zu entwickeln. Zudem können neue (Fertigungs-)Technologien wie Additive Manufacturing und innovative Materialien bereits in den frühen Phasen der Produktentwicklung berücksichtigt werden.
Durch die Einbeziehung der späteren Produktnutzer und die Nutzung des Potentials von Crowdsourcing für die Ideen- und Produktentwicklung wird eine optimale Befriedigung von Kundenbedürfnissen erreicht. Unter Umständen können so auch disruptive Marktveränderungen früher erkannt werden.
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