Digitalisierung im Mittelstand: Luft nach oben?

Die Digitalisierung hat in vielen deutschen Unternehmen bisher nicht die angestrebten Fortschritte erzielt. Besonders in Bereichen wie Bauteilidentifikation und Prozesssteuerung gibt es weiterhin deutliche Defizite. Wo liegen die Haupthinderungsgründe? Aber es gibt auch Lichtblicke – fünf Beispiele zeigen, wie mit dem Einsatz moderner Technologien bereits in kurzer Zeit beeindruckende Ergebnisse erzielt werden konnten.

Eine Studie der Technischen Hochschule Mittelhessen zeigt deutlich, dass die Digitalisierung in deutschen KMU erheblich nachhinkt. Die Analyse von vier Kategorien offenbarte zahlreiche ungenutzte Potenziale, die für die Zukunftssicherung dringend erschlossen werden müssen. Dabei konnten fünf wesentliche Hinderungsgründe festgestellt werden. Werden diese aber frühzeitig in der Planung berücksichtigt, können Digitalisierungsprojekte in kurzer Zeit einen großen Nutzen bringen. 

Kategorie Planung und Steuerung durch intelligente Produktionssysteme

Für eine bessere Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse wird der zugrunde liegende Bewertungsmaßstab kurz dargelegt.

Die Antworten zu den Fragen der Studie sind in Stufen vorgegeben, denen wiederum Digitalisierungswerte zugewiesen werden. Dies ermöglicht eine mathematische Auswertung. Tabelle 1 zeigt den Bewertungsmaßstab.

Der arithmetische Mittelwert, der aus allen Antworten zu einer Frage gebildet wird, wird als Digitalisierungsgrad bezeichnet. Mittelwerte im Bereich von 2 bis 3 weisen auf einen deutlichen Handlungsbedarf bei der Digitalisierung hin, während Werte über 3 auf einen guten Stand der Digitalisierung deuten. Der Maximalwert beträgt 4 und steht für eine vollständige Digitalisierung.

Die Kategorie „Planung und Steuerung durch intelligente Produktionssysteme“ weist insgesamt die höchsten Digitalisierungsgrade in der ganzen Studie auf. An der Spitze steht der Maschinen- und Anlagenbau mit einem Digitalisierungsgrad von 2,47. Bemerkenswerterweise liegen die Hersteller elektrischer und elektronischer Baugruppen sowie Produkte aus der Gruppe der vier wichtigsten Teilnehmerbranchen mit einem Digitalisierungsgrad von 2,25 an vierter Stelle (Bild 1).

Der Kern der Industrie 4.0, als Vorläufer der Digitalisierung, besteht in der Überlegung, dass ein Bauteil zum bestimmenden Element der Fertigung wird und eigenständig seinen Weg durch die Fabrik sucht [1]. Dies setzt kommunikationsfähige und digital identifizierbare Bauteile voraus. Das Ergebnis der Studie zeigt allerdings, dass insbesondere bei kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU, bis 249 Mitarbeiter) noch immer die Nutzung von Begleitzetteln dominiert (Bild 2). Dies lässt darauf deuten, dass die Bauteile nur klassisch identifizierbar sind. Mit einem Digitalisierungsgrad von 2,02 liegen größere Unternehmen (ab 250 Mitarbeitern aufwärts) jedoch ebenfalls nur geringfügig weiter vorn.

Zwar ist der Stand der Digitalisierung in diesen Bereichen bislang nicht ideal, jedoch ist erkennbar, dass Fortschritte bei der automatischen Rückmeldung von fertigungsrelevanten Daten von der Betriebsdatenerfassungsebene bis zur ERP-Ebene, der automatisierten Datenauswertung und dem Condition Monitoring erzielt werden. Größere Unternehmen sind auch hier deutlich weiter als KMU.

Es kann festgehalten werden, dass größere Unternehmen im Vergleich zu KMU deutlich weiterentwickelt sind. Bei Betrachtung der Kategorie „Planung und Steuerung durch intelligente Produktionssysteme“ im Vergleich zu den drei weiteren Kategorien [2], erkennt man, dass die Unternehmen in Deutschland immer noch stark fertigungszentriert sind. Die Digitalisierung scheint somit besonders in der Fertigung umgesetzt zu werden.

Fünf Gründe, die die Digitalisierung behindern

Die Ergebnisse der Studie aus dem ersten [2] und zweiten Teil dieses Beitrags werfen unmittelbar die Frage „Warum“ auf.

Warum ist die Digitalisierung nach 13 Jahren Industrie 4.0 und zahlreichen Aktivitäten nicht weiter fortgeschritten? Die zugrunde liegenden Herausforderungen werden in der Studie ebenfalls thematisiert und sind in Tabelle 2 zusammengefasst dargestellt.

Die erste Herausforderung, Fachkräftemangel, erinnert an ein Ursache-Wirkung-Problem. Wird weiterhin auf traditionell arbeitsintensive Weise ohne digitale Unterstützung gearbeitet, ist es naheliegend, dass Fachkräfte fehlen, um die Digitalisierung voranzutreiben.

Erfolgreiche Digitalisierung benötigt ein Ziel!

Betrachten wir die Herausforderungen 2 und 3: den zu hohen Kostenaufwand und die fehlenden praktischen Bezügen. Diese müssen für jedes Unternehmen und jedes Digitalisierungsprojekt individuell bewertet werden. Eine Digitalisierung, die lediglich um ihrer selbst willen erfolgt, ist nicht zielführend. Digitalisierungsprojekte sollten stets einen hohen ökonomischen Mehrwert und möglichst eine kurze Amortisationszeit vorweisen. 

An der Technischen Hochschule Mittelhessen wurde eine Methodik zur Wirtschaftlichkeitsrechnung für Digitalisierungsprojekte entwickelt, die auf statischen Investitionsrechnungen basiert [3]. Statische Investitionsrechnungen gehen von der Annahme aus, dass die Effekte einer Investition sich über die Nutzungsdauer nicht signifikant verändern. Ihr wesentlicher Vorteil liegt in der vergleichsweise einfachen Anwendbarkeit im Gegensatz zu dynamischen Verfahren.

Da Digitalisierung aufgrund des rasanten technologischen Wandels häufig eine kurzfristige Amortisation erfordert, sind statische Verfahren in diesem Zusammenhang gerechtfertigt und vorzuziehen. Die an der THM entwickelte Methodik sieht vor, die kostenrelevanten Parameter eines Ausgangszustands systematisch mit denjenigen eines digitalisierten Zustandes zu vergleichen. Auf diese Weise können mögliche Effekte in eine fundierte Amortisationsrechnung integriert werden.

Im Smart Electronic Factory e. V., einem Verein mit rund 30 Mitgliedsunternehmen, der sich der Weiterentwickelung und Umsetzung von Digitalisierungsprojekten in realen Produktionsumgebungen widmet, wurden einige bedeutende Projekte einer Wirtschaftlichkeitsrechnung unterzogen. Eine solche Umsetzung erfolgte beispielsweise auch bei einem „Electronic Manufacturing Service“-Dienstleister. Um die Bewertung der Digitalisierungstechnologien unabhängig von der zufälligen, aktuellen Auslastung der Fabrik vornehmen zu können, wurden sämtliche Analysen auf einen 2-Schicht-Ansatz hochskaliert. Nachfolgend werden fünf ausgewählte Projekte und deren Ergebnisse kurz präsentiert.

Projekt 1: Digitalisierte Materialerfassung verringert Prozesskosten deutlich

Im Wareneingang werden elektronische Bauteile üblicherweise in Form von Rollen oder Gurten angeliefert. Zur Identifikation verwendet jeder Hersteller individuelle Barcodesysteme. Diese werden beim Wareneingang ausgelesen und durch einen unternehmensspezifischen Barcode ersetzt. Mit dieser Harmonisierung wird die Grundlage für einen durchgängigen Identifikationsprozess in der Fertigung gelegt. Zusätzlich werden Leiterplatten-Rohlinge mit einem unternehmenseigenen Data Matrix Code versehen. Mit Hilfe eines Smart Receiving Devices werden die erfassten Daten in das Manufacturing Execution System sowie das ERP-System übertragen.

Effekte: Damit einhergehend konnte die Vorgangszeit beim Wareneingang nicht nur von vier auf eine Minute reduziert, sondern auch die Fehlerquote deutlich minimiert werden.

Resultate: Dies führte dazu, dass die Fixkosten um knapp 50 % verringert werden. Die Gesamtkosten sind durch die Nutzung des Smart Receiving Device gegenüber der früheren manuellen Wareneingangserfassung um 53 % gesunken.

Amortisationszeit: 1, 11 Jahre

Projekt 2: Track-and-Trace-System reduziert Fehlerrate

Ein durchgängiges Tracking-and-Tracing-System ist für viele Kunden eine Grundvoraussetzung für die Zulassung als Lieferant und bietet zugleich wirtschaftliche Vorteile. Es ermöglicht die lückenlose Nachverfolgung von Bauteilen und Produkten über den gesamten Produktionsprozess bis zum Endkunden, wodurch eine eindeutige Chargenverfolgung gewährleistet wird.

Effekte: Elektronische Bauteile weisen beim Kauf typischerweise eine Fehlerquote von 20 ppm auf. Die zentrale Herausforderung besteht darin, fehlerhafte Bauteile im Produktionsprozess zu identifizieren und zu eliminieren. Trotz automatischer optischer Inspektion (AOI) und Funktionstests im Fertigungsprozess lag die Fehlerrate („Schlupf“) beim EMS-Dienstleister bei 5 %. Die Kosten eines bis zum Kunden gelangten fehlerhaften Bauteils übersteigen 1.000 €.

Resultate: Durch den Einsatz des Track-and-Trace-Systems konnte der Schlupf von 5 % auf 0,5 % abgesenkt werden. Damit konnten die damit verbundenen Kosten um 37,65 % verringert werden.

Amortisationszeit: 0, 93 Jahre

Projekt 3: Kommunikation von Bauteil und Maschine verbessert OEE

Bestückungslinien für kleinste Surface Mounted Devices arbeiten mit höchster Geschwindigkeit und Präzision. Dabei werden die SMD-Bauteile auf Leiterplatten positioniert, die zuvor mit Lötpaste bedruckt wurden. Anschließend werden diese bis zum Verlöten weitergeführt. Der Bestückungsprozess erfolgt vollständig automatisch. Eine zentrale Voraussetzung für die korrekte Bestückung ist, dass das passende Bestückungsprogramm in den Maschinen der Linie geladen ist, um die vorgesehenen Bauteile präzise zu platzieren. Die Leiterplatten sind hierfür – wie bereits erläutert – mit einem Data Matrix Code versehen. Dieser Code wird beim Eintritt in den ersten Bestücker ausgelesen und mit dem geladenen Bestückungsprogramm abgeglichen. Die Steuerung dieses Prozesses erfolgt über das MES.

Effekte: Die Gesamtanlageneffizienz konnte von 85 % auf 90 % gesteigert werden. Außerdem konnte durch die MES-Anbindung der Bestückungslinien der Dokumentationsaufwand reduziert werden, sodass sich ein Mitarbeiter an der Linie einsparen ließ.

Resultate: Die Personalkosten verringerten sich um 40 % und die Gesamtkosten pro Leiterplatte um 1,7 %.

Amortisationszeit: 0, 73 Jahre

Projekt 4: MES-Anbindung steigert Ausbringungsmenge

Beim selektiven Wellenlöten werden Bauteile auf der Unterseite der Leiterplatte mittels einer flüssigen Miniwelle aus Lötzinn mit der Leiterplatte verlötet. Anders als beim Wellenlöten werden beim selektiven Wellenlötvorgang die Bauteile einzeln mit der Leiterplatte verbunden. Leiterplatten werden abhängig von ihrer Baugröße in sogenannten Nutzen geliefert, die beispielsweise aus vier identischen Leiterplatten bestehen können. Nicht immer sind alle Leiterplatten auf einem Nutzen qualitätsgerecht. Fehlerhafte Leiterplatten werden als Bad Boards gekennzeichnet. Es ist ineffizient, Bauteile auf dieses Bad Board aufzubringen und anschließend zu verlöten. Durch die Anbindung der selektiven Wellenlötanlage an das MES kann ein Datenabgleich durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass nur qualitätsgerechte Leiterplatten im Prozess berücksichtigt werden.

Effekte: Es wurden Kosten wie Personalkosten, Stromkosten, Lötzinn und Stickstoffkosten in Höhe von 15 % gespart. Trotz Anstieg der Fixkosten durch die Kosten der MES-Anbindung konnte die Ausbringungsmenge guter Leiterplatten um 17,6 % gesteigert werden.

Resultate: Die Gesamtkosten bei gleicher Ausbringungsmenge konnten um 6,79 % gesenkt werden.

Amortisationszeit: 1, 22 Jahre

Projekt 5: MES-Anbindung reduziert Gesamtkosten einer Leiterplatte

Beim Nutzentrennen werden die einzelnen Leiterplatten mit einem kleinen Fräser herausgefräst (siehe Bild 3). Das Herausfräsen von Bad Boards kann entfallen, wenn an der Fräse bekannt ist, ob eine Leiterplatte ein gutes Board oder eben ein Bad Board ist. Über die MES-Anbindung kann diese Information an die Fräse übertragen werden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass unnötiger Aufwand in das Herausfräsen von Bad Boards investiert wird.

Effekte: Durch die MES-Anbindung konnte die Ausbringungsmenge um 17,6 % erhöht und die variablen Kosten konnten um 15 % gesenkt werden.

Resultate: Die Gesamtkosten pro Leiterplatte reduzierten sich um 8,82 %.

Amortisationszeit: 0, 64 Jahre

Auf Bild 4 sind die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsrechnungen zusammenfassend dargestellt.

Roadmap zur Digitalisierung führt zum Erfolg

Es ist nicht zielführend, die Digitalisierung von Prozessen oder dem Geschäftsmodell ohne eine strukturierte Herangehensweise zu beginnen. Eine Roadmap zur Digitalisierung ist unabdingbar. Dabei empfiehlt es sich zunächst, den aktuellen Reifegrad der Digitalisierung im Unternehmen systematisch zu erheben. Im Anschluss ist es entscheidend, zukünftige Entwicklungen und Herausforderungen zu antizipieren. Welchen Trends oder Megatrends wird das Unternehmen in den nächsten Jahren ausgesetzt sein? Was kann die Digitalisierung dazu beitragen? Ein hilfreiches Instrument in diesem Kontext ist das DigiTAMM – Digital Transformation Assessment Maturity Model [4], das praxisnahe Empfehlungen zur Entwicklung einer Digitalisierungs-Roadmap bietet.

Deutsche Unternehmen werden sicherlich auch in Zukunft physische Produkte in den Mittelpunkt stellen. Dennoch lassen sich viele Ideen digitaler Ergänzungen zum Geschäftsmodell betrachten. Viele Hinweise zu Möglichkeiten dazu werden in [5] gegeben. Entscheidend bleibt dabei stets die Perspektive der Kunden: Digitale Erweiterungen eines Geschäftsmodells sind nur dann gerechtfertigt, wenn sie den Kunden einen tatsächlichen Mehrwert bieten.

Bei komplexen Produkten, deren Funktions- und Nutzungsweisen Erkenntnisse für das eigene Unternehmen bieten können, sollte unbedingt eine Kommunikationsfähigkeit gewährleistet werden. Ob dies durch eine SIM-Karte oder die Integration in das WLAN des Kunden erfolgt, ist von den Gegebenheiten abhängig. Die Kommunikationsfähigkeit bildet jedoch eine unverzichtbare Grundlage für zahlreiche Ansätze zur Erweiterung digitaler Geschäftsmodelle.

Medienbrüche in der IT-Pyramide des Unternehmens sind durch Digitalisierung der Prozesse zu eliminieren. Der größte bekannte Digitalisierungskiller ist die Nutzung von Excel im Prozessablauf. Generell sollten die Prozesse digitalisiert werden, die

• am häufigsten laufen,
• das größte Fehlerpotential haben,
• die größten Zeitverschwender in der Durchlaufzeit darstellen.

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