Die Zukunft ist „on“

Maschinen, die denken können, komplexe Bauteile aus dem 3-D-Drucker. Datenbrillen, die mit Maschinen kommunizieren, und eine Logistik, die sich selbst organisiert – das sind keine Science-Fiction-Fantasien, sondern ist bereits Realität in Deutschlands Fabriken.

Quelle: gettyimages/golero

WWW – Wer weiß was … über Industrie 4.0?

Jeden Tag liest, hört oder sieht man es – auf allen Wirtschaftskanälen wird über Industrie 4.0 berichtet. Doch was bedeutet das eigentlich? Welche Fachbegriffe sollte man kennen?

Industrie 4.0 steht für eine komplett vernetzte und integrierte Wertschöpfung, in der Industrietechnologien mit Informations- und Kommunikationstechnik verzahnt sind. Menschen, Maschinen, Anlagen, Logistik und Produkte kommunizieren und kooperieren via Internet miteinander. Industrie 4.0 wird auch als vierte industrielle Revolution bezeichnet (siehe auch Reportage „Arbeit 4.0“). Diese Kommunikation kann sowohl vertikal – lokal, innerhalb eines Produktionsstandortes – als auch horizontal – dezentral, über mehrere Standorte hinweg – erfolgen.

Internet der Dinge, Internet of Things (IoT)

Der Begriff „Internet of Things“ oder „Internet der Dinge“ bezeichnet die zunehmende Vernetzung zwischen intelligenten Gegenständen – sowohl untereinander als auch nach außen hin mit dem Internet. Verschiedene Objekte, Alltagsgegenstände oder Maschinen werden dabei mit Prozessoren und eingebetteten Sensoren ausgestattet, sodass sie in der Lage sind, via Internet miteinander zu kommunizieren.

Cyber-physische Systeme, Cyber-physical Systems (CPS)

Cyber-physische Systeme sind Systeme, bei denen informationstechnische und softwaretechnische Komponenten mit mechanischen und elektronischen Teilen verbunden sind. Der Datentransfer und -austausch sowie die Kontrolle bzw. Steuerung erfolgen dabei in der Regel in Echtzeit über das Internet.

Big Data

Mit Big Data bezeichnet man Datenmengen, die zu groß, zu komplex, zu unstrukturiert sind oder sich zu schnell ändern, um sie mit klassischen Methoden der Datenverarbeitung auszuwerten.

Digitalisierung

Die Digitalisierung beschreibt den Wandel hin zu digitalen Produkten, digitalen Prozessen und digitalem Denken mittels Informations- und Kommunikationstechnologien. Diese Transformation erfordert einen umfassenden Wandel in den Unternehmen (Struktur, Strategie, Kultur) und bei ihren Mitarbeitern.

Smart Factory

Smart Factory beschreibt eine dezentrale und hochautomatisierte Produktionsumgebung, in der sich intelligente Werkstücke, Fertigungsanlagen sowie Logistiksysteme weitgehend selbst organisieren. Die Grundlage hierfür sind digital-vernetzte Systeme, die Maschinen und Ressourcen digital abbilden und über das „Internet der Dinge“ eine Kommunikation in Echtzeit ermöglichen.

Smart Products

Smart Products verfügen über die Fähigkeit, Daten zum eigenen Herstellungs- und Betriebsprozess während der Fertigungs- und Nutzungsphase zu sammeln und zu kommunizieren. Dies ermöglicht es, Herstellungsprozesse im Maschinenbau digital abzubilden und den Kunden in der Nutzungsphase datenbasierte Dienstleistungen anzubieten – wie zum Beispiel 3-D-Darstellungen von ihrem zukünftigen Produkt.

0 oder 1, wahr oder falsch, ein oder aus

Ganz so einfach ist die Digitalisierung natürlich nicht. Jedoch bildet der sogenannte Binärcode die Grundlage dafür, dass Informationen in elektronischer Form via Internet immer und überall verfügbar sind. Denn den technologischen Möglichkeiten, die mit der globalen Vernetzung verbunden sind, kann sich heutzutage keiner mehr entziehen.

Das gilt für das private Leben, wo die Nutzung von Internetinformationen, Mediatheken, Streaming Diensten und sozialen Medien längst zum Alltag gehört, genauso wie für die Wirtschaft, wo die Digitalisierung für die Industrie 4.0 völlig neue Perspektiven für die industrielle Produktion eröffnet. Mit Innovationen aus Technik und IT bleibt „Made in Germany“ auch zukünftig ein Erfolgsversprechen.

Mithilfe des Binärcodes lassen sich Informationen als Sequenz von zwei verschiedenen Symbolen (zum Beispiel 0 und 1) darstellen bzw. in digitale Daten umwandeln. Die kleinste Informationseinheit besteht aus 0 oder 1 und wird in der Informatik als Bit bezeichnet. Der Binärcode für 125 lautet übrigens 1111101.

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Frag doch mal den Roboter

Quelle: iStock/jpgfactory
Quelle: Festo AG & Co. KG

Den freundlichen Support von Maschinen gibt es längst nicht nur im Kino. Mit Menschen interagieren, das Umfeld erfassen, Probleme erkennen und Lösungen vorschlagen – zu all diesem sind reale Maschinen bereits heute in der Lage. Die Basis dafür bildet die Künstliche Intelligenz (KI), mit deren Hilfe Maschinen das Denken lernen und zu sogenannten kognitiven Systemen werden. So lernen sie zum Beispiel, Sprachsignale zu verstehen und mit dem Nutzer zu kommunizieren. Die gängigen Sprachassistenzen für Smartphones oder Internetservices zeigen bereits die Alltagstauglichkeit dieser Technologien.

Intelligente maschinelle Assistenz erleichtert die Arbeit

Der Einsatz von KI in der Produktion zielt nicht darauf ab, den Menschen durch Maschinen mit künstlichem Bewusstsein zu ersetzen. Es geht vielmehr darum, die Arbeit durch intelligente maschinelle Assistenz zu erleichtern. So erledigen Roboter mit kognitiven Fähigkeiten – wie dem Erkennen von Abständen oder dem Ausführen feinmotorischer Aufgaben – physisch anstrengende, monotone oder auch gefährliche Arbeiten. Zudem sind KI-Lösungen in der Lage, komplexe Situationen überschaubar zu gestalten. Aus einer Unzahl an Informationen und Betriebsdaten die richtigen Schlüsse zu ziehen – darin bestehen weitere Stärken für den Einsatz von KI in der Produktion. Potenziale liegen vor allem in den Bereichen vorausschauende Wartung und Instandhaltung sowie Energie- und Ressourcenmanagement.

Gib mir deine Hand

Das Unternehmen Festo hat die ExoHand entwickelt, die als Exoskelett konzipiert ist und wie ein Handschuh angezogen werden kann. Mit ihr lassen sich die Finger aktiv bewegen, die Kräfte in den Fingern verstärken sowie Bewegungen der Hand aufnehmen und in Echtzeit auf Roboterhände übertragen.

Digitalisierung für jeden Geschmack

Ein Kaiserstüpfler ist ein Werkzeug aus der industriellen Brötchenproduktion. Die spiralförmige Geometrie wird in einer rotierenden Bewegung in einen Teigrohling eingedrückt und erzeugt einen Kringel, der dem späteren Kaiserbrötchen sein charakteristisches Aussehen verleiht. Dieses Werkzeug, das höchste Hygieneanforderungen erfüllen muss, ist das Ergebnis eines industriellen 3-D-Drucks bzw. eines additiven Fertigungsverfahrens.

Um schmackhafte Kaiserbrötchen industriell herzustellen, braucht man spezielle Backwerkzeuge. Quelle: Fotolia/Arkadiusz Fajer
Der Stüpfler aus Polyamid wird mittels Selective Laser Sintering gefertigt. Er gibt den Kaiserbrötchen ihre charakteristische Form. Quelle: VDMA

Was ist ein digitaler Zwilling?

Der digitale Zwilling ist die digitale Abbildung eines realen Objekts, zum Beispiel eines Bauteils, einer Maschine oder einer Anlage. Die Basis dafür bildet ein dreidimensionales CAD-Modell, das mit allen Eigenschaften, Funktionen und Prozessparametern des realen Objekts versehen ist. Die Vorteile, die sich durch den Einsatz dieses digitalen Werkzeugs ergeben, erstrecken sich über die gesamte Lebensdauer eines Bauteils oder einer Anlage.

Die Abkürzung CAD steht für Computer-aided Design und bedeutet das Konstruieren mithilfe eines Computers.

Quelle: Fotolia/peshkova

Vorteil Nr. 1: Effiziente Produktentwicklung mit reibungsloser Inbetriebnahme

Schon bei der Entwicklung erlaubt das digitale Abbild, das noch gar nicht hergestellte Produkt virtuell zu testen und zu verbessern. Das ist möglich, weil bereits funktionale Eckdaten der zukünftigen Nutzung in den digitalen Zwilling eingespeist wurden. Die Inbetriebnahme kann man ebenfalls bereits während der Produktentwicklungsphase virtuell durchführen und das Produkt auch dahingehend optimieren. Mit dieser Herangehensweise vermeidet man Fehler, spart Zeit und Kosten, weil man nicht mehr teure Prototypen anfertigen muss. Darüber hinaus kann das digitale Abbild in die übergeordnete Produktionsplanung integriert werden, sodass letztlich die digitale Abbildung der kompletten Fertigung möglich ist. Auf diese Weise entsteht ein reales Produkt, das sich durch eine hohe Qualität und ein optimales Design auszeichnet.

Vorteil Nr. 2: Optimaler Betrieb durch Transparenz und Simulation

Der digitale Zwilling bleibt via Internet auch nach der Herstellung ständig mit seinem realen Pendant in Verbindung und tauscht Informationen aus. Dazu dient eine Vielzahl von Sensoren, die laufend den Betriebsstatus des realen Objekts an das digitale Abbild weitergeben. Auf diese Weise spiegelt der digitale Zwilling den aktuellen, physischen Anlagenzustand wider. Darüber hinaus bieten Betriebsdatenanalysen und Simulationsszenarien – hier können auch KI-Konzepte zum Einsatz kommen – die Möglichkeit, Fehler früher zu erkennen oder zu vermeiden, Modernisierungsmaßnahmen optimal zu planen und Umrüstzeiten zu verkürzen. Treten dennoch Störungen auf, können entsprechende Lösungen virtuell entwickelt und getestet werden.

Quelle: VDMA

INDIE40 ist ein Papier-Prototyp. Bei seinem Zusammenbau erfahren Sie auf spielerische Art und Weise mehr über die Industrie-4.0-Grundidee des digitalen Zwillings. Probieren Sie es aus: http://www.indie40.org/de/

3D-Druck – In einem Schritt vom digitalen Bauplan zum realen Bauteil

Bei der additiven Fertigung werden Bauteile Lage für Lage aus einem schichtförmig aufgebauten Computermodell erstellt. Dazu kommen pulverförmige Hochleistungswerkstoffe – Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe – zum Einsatz, die mithilfe eines Lasers gemäß dem digitalen Bauplan verschweißt werden. Mittlerweile lassen sich auch hochkomplexe Bauteile wie Gasturbinenschaufeln additiv fertigen – dies kommt einem Ritterschlag für das Verfahren gleich. Die gedruckten Turbinenschaufeln werden aus einer pulverförmigen, hochtemperaturbeständigen Superlegierung mit polykristallinem Nickel hergestellt. Die Schaufeln widerstehen so dem hohen Druck sowie den enormen Temperaturen und Fliehkräften, die beim Turbinenbetrieb entstehen.

Aufgrund seiner Vorteile – schnell, flexibel und effizient – wird der 3-D-Druck einen festen Platz in der industriellen Wertschöpfung einnehmen – sowohl für die Prototypen- als auch für die Serienfertigung.

Was ist ein digitaler Zwilling?

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Alles im Fluss

Mit Industrie 4.0 wachsen auch die Ansprüche an die Logistik. Höchste Transparenz, Termintreue und individualisierte Produkte oder Leistungen sind gefragt. Mit ihren vielfältigen Lösungen sind die Unternehmen der Intralogistik im wahrsten Sinne des Wortes Wegbereiter für die vernetzte Produktion.

„Durch Industrie 4.0 ist die Intralogistik zu einem Schlüsselelement in der Produktion geworden. Autonome Transportgeräte, eine intelligente Lagerautomation und eine selbstoptimierende Materialflussplanung sind wichtige Lösungen für eine flexible Produktionsversorgung.“

Dr. Klaus-Dieter RosenbachVorstandsvorsitzender des VDMA-Fachverbands Fördertechnik und Intralogistik und Mitglied des Vorstands der Jungheinrich AG

Ich sehe was, was du nicht siehst

Die Spielumgebung von Pokémon Go basiert auf dem Prinzip der Augmented Reality. Quelle: iStock/Wachiwit
Auch bei Wartungsarbeiten an einer Maschine ist der Einsatz von Augmented-Reality-Technologien häufig schon selbstverständlich. Quelle: Ergosign GmbH

Eintauchen in fremde Welten und die Wirklichkeit hinter sich lassen – das kann man mit anspruchsvollen Computerspielen erleben. Fachleute sprechen dabei von Immersion, einem Zustand, bei dem der Nutzer die virtuelle – also digital erzeugte – Umgebung als real empfindet. Virtual Reality (VR) heißt die Technik, die dahintersteckt. Die Vermischung von physischer und virtueller Welt wird Augmented Reality (AR) genannt. Fast jeder kennt oder nutzt AR; die populären Beispiele reichen vom Einblenden von Entfernungslinien beim Fußballspiel bis hin zu Apps zum Spielen und Sternebetrachten.

Datenbrillen sorgen für Durchblick

Diese erweiterte Realitätswahrnehmung hat auch in der Industrie erfolgreich Einzug gehalten. Datenbrillen unterstützen die Produktionsmitarbeiter bei ihren Aufgaben. Sie informieren sie über die Arbeitsabfolge und blenden Anweisungen ein, zum Beispiel zur Materialauswahl oder zum richtigen Zeitpunkt. Dadurch haben die Mitarbeiter die Hände bei der Arbeit frei und können zudem Fehler schneller erkennen. Da sie sich via Internet direkt mit einem Expertenteam austauschen können, finden sie für Fehler schneller eine Lösung. Wartung und Instandhaltung sind daher auch ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet für Datenbrillen.

Auch VR-Technologien sind für die Produktion interessant. Beispiele sind die optimierte Auslegung von Fertigungssystemen oder die beschleunigte Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen mithilfe eines VR-gestützten Modells. Durch diese Simulation der Wirklichkeit lassen sich Aufwände für die Konstruktion und die Durchführung von Testreihen drastisch reduzieren.

Augmented Reality in echt

Bei der Wartung von industriellen Rollendruckern setzt das Unternehmen KBA auf Augmented-Reality-Technik. Die KBA-Experten im Servicezentrum sehen in Echtzeit genau das, was die Techniker vor Ort beim Kunden machen. Auf diese Weise lassen sich Störungen schneller und effizienter beheben.

Was steckt hinter Predictive Maintenance?

Quelle: Fotolia/Andrey Popov
Quelle: Fotolia/zapp2photo

Wissen, wie fit man ist, oder einen optimalen Trainings- und Ernährungsplan erstellen – das sind nur zwei Beispiele für die Möglichkeiten, die sogenannte Gesundheits-Apps bieten. Sie versprechen Unterstützung bei der Gesundheitsvorsorge auf Basis der Analyse von relevanten Daten wie zum Beispiel Puls, Blutdruck oder Schlafstunden. Übertragen auf Maschinen und Anlagen funktioniert Predictive Maintenance nach einem ganz ähnlichen Prinzip: Überblick über den Anlagenstatus, Vergleich mit Referenzwerten, Ableitung und Empfehlung von Maßnahmen.

Mit Transparenz und intelligenter Prognose zu weniger Produktionsausfällen

Mit Predictive Maintenance bezeichnet man die vorausschauende Wartung und Instandhaltung sowie die Prognose der Rest-Lebensdauer von Maschinenkomponenten auf Basis einer kontinuierlichen Messung und Auswertung von Betriebsdaten. Störungen und drohende Ausfälle von Maschinenkomponenten lassen sich durch eine permanente Zustandsüberwachung und Datenauswertung vermeiden. Die Erfassung der Echtzeit-Informationen erfolgt durch eine intelligente Sensorik. Leistungsfähige Kommunikationsnetzwerke und Computing-Plattformen sorgen für die Datenübertragung und -auswertung. Bei der Auswertung kommen Simulationsmodelle zum Einsatz, mit denen Muster in den Betriebsparametern erkannt, simuliert und interpretiert werden können. Erst diese Muster erlauben die exakte Berechnung von Lebensdauervorhersagen sowie die Vernetzung aller Betriebsdaten.

Die Prognosefähigkeit ermöglicht es somit, Abläufe und Entscheidungen im Produktions- und Serviceumfeld des Unternehmens zielgerichtet zu unterstützen. Dadurch ergeben sich auch neue Möglichkeiten der Zusammenarbeit, bei denen Anbieter von Predictive-Maintenance-Lösungen als Wertschöpfungspartner mit den Kunden zusammenarbeiten. Aufgrund dieser vielfältigen technischen und unternehmerischen Potenziale ist es nicht verwunderlich, dass sich laut einer aktuellen VDMA-Studie bereits über 80 Prozent der Maschinenbauunternehmen intensiv mit dem Thema Predictive Maintenance beschäftigen. Weitere Informationen zur Studie sind hier zu finden.

Viel mehr als „Bits and Pieces“

Weit über die Hälfte der deutschen Bevölkerung besitzt ein Smartphone – das ist eine von vielen Zahlen, die die fortschreitende Digitalisierung eindrucksvoll belegen.

Was steckt hinter Predictive Maintenance?

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80

Prozent

aller EU-Bürger (16 bis 74 Jahre) nutzen das Internet mindestens einmal pro Woche.
(Quelle: Bitkom)

50

Mrd.

Geräte, Maschinen, Anlagen und Roboter werden im Jahr 2020 durch das IoT miteinander verbunden sein.
(Quelle: Massachusetts Institute of Technology, Ericsson, Cisco)

21

Prozent

mehr Umsatz mit Industrie 4.0 in Deutschland im Jahr 2017.
(Quelle: Bitkom)

2007

kam das erste iPhone auf den Markt.

27

Jahre

ist das kommerzielle Internet jetzt online.
(Quelle: BMWi)

Digitaler Alltag

Ein Streifzug durch die digitalen Technologien, die aus dem Maschinen- und Anlagenbau nicht mehr wegzudenken sind

Wie gut kennen Sie sich mit der Digitalisierung aus?

Frage 1/6

1 Im Jahr 2017 feiert der VDMA sein 125-jähriges Jubiläum. Wie lautet der Binärcode für die Zahl 125?

  • 5060102
  • 1111101
  • 110000

Frage 2/6

2 Was versteht man unter Augmented Reality?

  • Erweiterte Realitätswahrnehmung
  • Eintauchen in fremde Welten
  • Digitalisierte Welt

Frage 3/6

3 Was bedeutet Predictive Maintenance?

  • Prognose der zukünftigen Produktionskapazitäten
  • Vorausschauende Wartung und Instandhaltung
  • Ablaufplan für eine Maschineninstandhaltung

Frage 4/6

4 Wann begann die kommerzielle Nutzung des Internets?

  • 2007
  • 2001
  • 1990

Frage 5/6

5 Welche Werkstoffe lassen sich mithilfe des industriellen 3-D-Drucks verarbeiten?

  • Kunststoffe und Verbundwerkstoffe
  • Metalle
  • Kunststoffe, Metalle und Verbundwerkstoffe

Frage 6/6

6 Was sind cyber-physische Systeme?

  • Methoden, mit denen man sich Zugang zu fremden Softwaresystemen verschafft
  • Systeme, bei denen informationstechnische und mechanische Komponenten miteinander verbunden sind
  • Plattformen für Computerspiele

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Nützliche Links

Forum Industrie 4.0

Im Forum Industrie 4.0 hat der VDMA sein verbandsinternes Know-how gebündelt. Das Forum besteht aus einem interdisziplinären Team von VDMA-Experten. Als Partner bieten sie den Mitgliedsunternehmen sowie den Fachverbänden und Abteilungen des VDMA in den maßgeblichen Handlungsfeldern Unterstützung an.

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Fachverband Fördertechnik und Intralogistik

Mit aktuell 225 Mitgliedsfirmen, die ein Produktionsvolumen von ca. 20,8 Mrd. Euro (2016) erwirtschaften, ist der Fachverband Fördertechnik und Intralogistik der bedeutendste Intralogistik-Fachverband Europas.

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Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing

Die Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA bietet ihren Mitgliedern aus Industrie und Forschung alles rund um die Technologien des industriellen 3-D-Drucks. Hier kommen branchenübergreifend potenzielle Anwender und Entwicklungspartner aus der Industrie zusammen.

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Fraunhofer: Künstliche Intelligenz und kognitive Systeme

Die Fraunhofer-Gesellschaft bearbeitet an vielen ihrer Institute Forschungsfelder der Künstlichen Intelligenz (KI) und deren Anwendungen in den Bereichen Robotik, Bild- und Sprachverarbeitung sowie Prozessoptimierung.

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Fachverband Software und Digitalisierung

Das Beratungsangebot des Fachverbandes Software und Digitalisierung zeigt Wege zu Industrie 4.0 und erfolgreichen Digitalstrategien.

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VDMA Startup-Machine

Im Jahr seines 125jährigen Bestehens hat der VDMA die Startup-Machine ins Leben gerufen: Dabei handelt es sich um eine neue Gruppierung, die Startup-Firmen und Maschinenbaubetriebe zusammenbringen und bei gemeinsamen Projekten unterstützen soll.

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BMWi: Den digitalen Wandel gestalten

Auch bei der Bundesregierung steht die Digitalisierung ganz oben auf der Agenda. Mit den Chancen, die sich für den Wirtschaftsstandort Deutschland ergeben, und mit den Möglichkeiten, wie man diese nutzen kann, hat sich das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) auseinandergesetzt.

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BMBF: Digitale Wirtschaft und Gesellschaft

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) setzt sich mit vielfältigen Aktivitäten und Fördermaßnahmen für die Entwicklung hin zu einer digitalen Gesellschaft ein.

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Die Autoren

Dr. Beate Metten

VDMA-Forum Industrie 4.0

Seit 2014 ist Dr. Beate Metten für die Mitgliederkommunikation im Forum Industrie 4.0 zuständig. Die promovierte Geowissenschaftlerin verantwortet seit 1997 in verschiedenen Organisationseinheiten des VDMA das Thema Öffentlichkeitsarbeit und ist Chefredakteurin verschiedener VDMA-Publikationen.

Thomas Riegler

Fachverband Software und Digitalisierung

Seit 1999 ist Thomas Riegler als Referent im VDMA tätig. Er betreut den Bereich Kundendienst/Service unter IT-Gesichtspunkten. Wichtige Themen dabei sind Servicemanagementsysteme, Teleservice, Wissensmanagement, elektronische Ersatzteilkataloge sowie Web 2.0/Enterprise 2.0 und Big Data.

Dr. Claudia Weise

rubicondo – Agentur für Projektmanagement und Kommunikation

Dr. Claudia Weise ist seit 2007 als selbstständige Beraterin tätig. Als promovierte Verfahrenstechnikerin unterstützt sie ihre Kunden aus den Branchen Energie und Maschinen- und Anlagenbau bei Consulting-, Innovations- und Kommunikationsprojekten.