Der lange Weg zur Produktion der Zukunft 

Die vierte Industrielle Revolution ist in vollem Gange. Neue Entwicklungen weisen den Weg zur Umsetzung der Idee von Industrie 4.0: Datenräume, Verwaltungsschalen, Künstliche Intelligenz, Digitale Zwillinge. Allerdings ergab 2019 eine Analyse, dass die Industrie 4.0 runderneuert werden muss, um langfristig ihr Potenzial entfalten zu können. Die SmartFactory Kaiserslautern schärfte das Konzept nach und nannte das Update Production Level 4 (PL4). Doch damit nicht genug: Industrie 4.0 muss jetzt zeigen, dass es auf dem Shopfloor zur Erhöhung der Wertschöpfung beiträgt. Es ist Zeit, die vorhandenen Technologien in die Anwendung zu bringen!

Die letzten Jahre haben die Anfälligkeit der globalen Lieferketten gezeigt. Ereignisse wie Störungen im Suezkanal, der Ukraine-Krieg oder Wirtschaftssanktionen erzwingen ein Umdenken. Dazu kommen Fachkräftemangel und eine ungünstige demografische Entwicklung. Um die deutsche Industrie zukunftsfähig zu halten, formulierte ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaftlern um Prof. Martin Ruskowski, Vorstandsvorsitzender der SmartFactory Kaiserslautern (SF-KL), im Jahr 2019 Eckpunkte für eine resiliente und nachhaltige Produktion: 

• Neue Produktionsstrukturen: Aufbau von Systemarchitekturen im Sinne einer Shared Production: flexibel, verteilt und homogen. Benötigt werden definierte und herstellerunabhängige Schnittstellen sowie Interaktionsoptionen. 
• Neue Infrastrukturen für die Softwarebereitstellung: Zukünftige Services benötigen ein adaptierbares, kontinuierliches Deployment. Für die Umsetzung der Shared Production wird eine Industrial Edge Cloud als neue Ebene vorgeschlagen. 
• Autonomes Verhalten: Die Shared Production besteht aus mehreren dezentralen Teilnehmern und subsidiären Services, die auf der strategischen, taktischen und operativen Ebene kooperieren. Diese müssen in der Lage sein, selbstständig zu handeln und Entscheidungen zu treffen, um ein Ziel sicher zu erreichen. 
• Sustainability by Design: Das primäre Ziel der Shared Production ist Nachhaltigkeit. Sie ist erreichbar über die Transparenz der Daten und die Flexibilität der Prozesse und bildet die Grundlage für die Kreislaufwirtschaft [1]. 

Industrie 4.0 – Geboren aus einem Krisenszenario 

Drei Professoren sind untrennbar mit dem Begriff ­Industrie 4.0 verbunden: Henning Kagermann, Wolfgang ­Wahlster und Wolf-Dieter Lukas. 2023 führte Kagermann aus, dass der Grund für den Entwurf von Industrie 4.0 die Wirtschaftskrise 2009 war. Um auf neue Spannungen reagieren zu können, wurden Agilität, flexible Fertigung und Digitalisierung auf die Entwicklungsagenda gesetzt. Sie verknüpfte das Internet der Dinge, das Internet der Dienste sowie Cyber-Physische Systeme [2].

Industrie 4.0 formulierte als Ziel, IT mit Produktionstechnologien zu verschmelzen, um individuelle Produkte und Leistungen zu ermöglichen. Die Vision nahm eine schnelle Neukonfiguration der Fertigung in den Fokus, in der unterschiedliche, aber kompatible Maschinen autonom in einer Matrix zusammenarbeiten können. Die bisher meist hierarchisch oder linear funktionierende Produktionsarchitektur sollte aufgebrochen werden.

Die Kommunikation zwischen Maschinen sowie zwischen Maschinen und Menschen ist dabei das technische Schlüsselelement, um Informationen (Daten) austauschen zu können [3, 4].

Um die anstehenden Fragen zu beantworten, mussten neue Formen der Zusammenarbeit gefunden werden. So schlossen sich Unternehmen und Forschungseinrichtungen in der SmartFactory Kaiserslautern zusammen, um als Team erfolgreich zu sein. Die bis heute zielführende Zusammenarbeit wurde auch in der Initiative Manufacturing-X aufgegriffen.

Neben der gemeinsamen Forschung wurde Industrie 4.0 erstmals praktisch erprobt und vorgeführt [5, 6]. Am 20. April 2012 schrieben die VDI-Nachrichten: „Für die Hannover Messe wurde in Kaiserslautern eine Musterproduktion aufgebaut, in der Schlüsselfinder für einige Besucher in Hannover hergestellt werden. Die Schlüsselfinder sollen zudem eine individuelle Gravur erhalten. Statt den Prozess von einem Leitrechner aus zu steuern, soll gezeigt werden, wie ein digitales Produktgedächtnis die jeweiligen Bearbeitungsmaschinen steuert. Als Produktgedächtnis dient ein RFID-Funkchip.“

Der Demonstrator bewies den ersten Praxisbezug von Industrie 4.0 [7]. Was damals aufgrund der technologischen Entwicklung mit RFID umgesetzt werden musste, ist heute als Verwaltungsschale (VWS) und mit Cloud-Systemen in der Diskussion. Das ist einer der Gründe, warum Industrie 4.0 ein Update benötigte [4].

Production Level 4 – Das Update von Industrie 4.0 

Industrie 4.0 hatte die Fortschritte in der Informatik im Blick, insbesondere eine universelle Verfügbarkeit von Rechnern und deren Vernetzung. Allerdings kollidieren diese mit den langjährig gewachsenen Steuerungsstrukturen aus dem Maschinenbau und der Elektrokonstruktion. Doch statt niedrigschwellige Integration in existierende Produktionslinien vorzunehmen, dachte das Team der SF-KL die Idee von Industrie 4.0 neu und nannte das Ergebnis Production Level 4 (PL4). Die globalen und umweltpolitischen Herausforderungen erfordern eine wandelbare Produktion, die sich kurzfristig auf dynamische Lieferketten einstellen kann.

Im Kern der Betrachtung stehen dabei die versteckten Kosten und Abhängigkeiten in der Produktionsplanung und der Logistik.

Die heute starren und geschlossenen Produktionsplanungsstrukturen sollen zukünftig offen und flexibel gestaltet werden und den Menschen, der unmittelbar in Abläufe eingreifen können soll, in die Betrachtung einbeziehen,  während sich der automatisierte Teil der Produktion intelligent anpasst. Es handelt sich hierbei um einen aufwendigen, tiefgreifenden und langfristig angelegten Transformationsprozess, der alle Bereiche der Produktion tangiert. PL4 meint einen in allen Dimensionen nachhaltigen Ansatz, der kommende Investitionen in Produktionsmittel langfristig sichert, indem er sie zukunftsfähig macht [8, 9, 10]. 

Technische Umsetzung von Production Level 4 

In einer Shared Production arbeiten Unternehmen in Datenräumen zusammen, um gemeinsam effizient, nachhaltig und vor äußeren Einflüssen geschützt zu produzieren. Die größte Hürde ist dabei das sichere Teilen von Daten untereinander als Voraussetzung für wertschöpfende Kooperation in vernetzten Systemen. Darauf zielt das Plattformprojekt Gaia-X, womit Daten nach europäischen Datenschutzkriterien ausgetauscht werden, ohne dass der Datenowner die Kontrolle darüber abgibt. Es stellte sich heraus, dass die Visionen PL4 und Gaia-X einander ergänzen. So wurde das Forschungsprojekt smartMA-X geboren, das als Ziel die Integration von Produktionseinheiten in einem gemeinsamen Datenraum formuliert, um es Teilnehmern zu ermöglichen, dort Produktionsdienstleistungen (Services) anzubieten oder in Anspruch zu nehmen, wie Maschinenkapazitäten oder Softwarelösungen [11].

Die Shared Production Kaiserslautern besteht aktuell (Stand Juni 2024) aus fünf Produktionsinseln, die für industrielle Unternehmen stehen und in verteilten Rollen einen individuell konfigurierbaren Modell-Lkw produzieren. Der Lkw, der beispielhaft für ein komplexes Produkt steht, setzt sich aus mehreren Bauelementen wie Führerhaus, Radkonstruktionen und Auflieger zusammen. Das Demonstrator-Ökosystem verbindet unterschiedliche Anforderungen und Produktionsformen aus der industriellen Praxis.

Die Produktionsinseln sind über Gaia-X vernetzt. Die Produktionsinsel_MILOS steht an der RPTU Kaiserslautern hunderte Meter entfernt und übernimmt die Rolle eines Zulieferbetriebs. Im SF-KL-Lab werden Automatisierung und Handarbeit mit den Produktionsinseln_JAVA und _CAPRI kombiniert. Außerdem wird _JAVA aktuell so erweitert, dass dort mehrere Produkte auf einer Infrastruktur hergestellt werden können: individuell konfigurierbare USB-Sticks und Teile des Modell-Lkw. Dazu werden spezielle KI-Module entwickelt, die eine schnelle Anpassung für das jeweilige Produkt ermöglichen.

Die Produktionsinsel_KUBA arbeitet mit einem zentralen Logistikelement, an das Module mit unterschiedlichen Skills (Maschinenfähigkeiten) mühelos an- und abgedockt werden können, die zudem mit der Produktionsinsel_JAVA kompatibel und austauschbar sind. Im TSN-Modul wird die Zusammenarbeit (Interoperabilität) zwischen einem Yaskawa-Roboter und einer Achse von Bosch Rexroth erprobt. Integriert ist auch ein Handarbeitsplatz, damit jede Konfiguration des Lkw montiert werden kann [12].

Schlüsseltechnologien für die Produktion der Zukunft 

Im Demonstrator-Ökosystem in Kaiserslautern werden Schlüsseltechnologien getestet, die für die Produktion der Zukunft relevant sind. Eine Auswahl: 

Verwaltungsschale (engl. Asset Administration Shell, kurz AAS)  

Laut DKE bildet die Verwaltungsschale (VWS) das Rückgrat der Industrie 4.0 und des Digitalen Zwillings. Die VWS ist ein branchenneutraler und herstellerübergreifender Standard, der die Kommunikation von Assets auf der ganzen Welt ermöglichen soll. So kann jedes Asset über seine eigene VWS weltweit identifiziert und angesprochen werden. Sie stellt Informationen über Eigenschaften und Fähigkeiten des Gegenstands bereit. Über genormte Schnittstellen und eine einheitliche Sprache können die Assets miteinander kommunizieren. Die VWS wird deshalb auch als „Integrationsstecker für digitale Ökosysteme“ bezeichnet. Als digitaler Repräsentant wird sie gespiegelt zum Digitalen Zwilling des Gegenstands [12, 13, 14]. Die VWS soll dazu beitragen, Produktivität, Effizienz und Transparenz zu steigern und eine zukünftige Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen [13]. 

Datenräume

Datenräume sind als eine föderierte, offene Infrastruktur für souveränen Datenaustausch, die auf gemeinsamen Vereinbarungen, Regeln und Standards beruht, definiert [15]. Gaia-X soll dafür die Rahmenbedingungen schaffen, um interoperable, offene und unabhängige Datenräume umzusetzen [6, 15]. Diese erlauben Unternehmen, Services von Maschinen oder Software anzubieten oder zu mieten. Auch Produkte können darüber angeboten werden. Durch diese Option entstehen dynamische Lieferketten und maximale Flexibilität.

Kunden können in Datenräumen angebotene Fertigungsmittel nutzen, ohne sie kaufen zu müssen. So können in Zukunft in einem Wertschöpfungsnetzwerk aus Endkunden, OEM und Zulieferer Lieferketten nach Bedarf geplant werden. Insgesamt verschiebt sich die zentrale hierarchische Steuerung der Produktion hin zu einer agilen, weitgehend autonomen Produktion, die vom Produkt gelenkt wird [16, 26]. 

Aus ökonomischer Sicht sind Daten ein Wert, der durch Austausch und gemeinsame Nutzung erhöht werden kann. 2022 verabschiedete die EU im Data Act Regeln und Vorschriften zur Nutzung von Daten. Hersteller von Maschinen, Geräten usw. müssen den Zugriff auf die Daten, die beim Betrieb der Maschinen entstehen, den Nutzern zur Verfügung stellen [16]. Ein Beispiel: Nicht den Windkraftanlagenherstellern gehören die Windkraftdaten, sondern den Besitzern oder Betreibern der Windkraftanlagen. Sie können diese beispielsweise an Start-ups oder andere innovative Tech-Unternehmen verkaufen, die damit neue Geschäftsmodelle konzipieren.

Die EU erwartet in den nächsten fünf Jahren ein Wachstum des Bruttoinlandsprodukts um 270 Milliarden Euro allein durch die Nutzung von Maschinendaten [17]. Um Daten sicher austauschen zu können, braucht es rechtlich geregelte Datenräume. Als Vorbild sieht ­Martin ­Ruskowski Softwareprodukte aus dem Bürobereich, wo bereits sichere Datenräume existieren. Entscheidend für die Akzeptanz von Datenräumen sind Sicherheit und Interoperabilität [16]. Der Zugang zu Datenräumen muss auch für KMUs problemlos realisierbar sein. 

Zugang zu Datenräumen für neue Geschäftsmodelle

In den Forschungsprojekten Gaia-X und Catena-X wird aktuell der sogenannte Eclipse Database Connector (EDC) getestet. Er soll es mittelständischen Unternehmen ermöglichen, ohne großen Aufwand an Datenräumen teilzunehmen, da ihnen meist die Kompetenzen oder Kapazitäten fehlen, eigene Entwicklungen zu realisieren [16, 18]. Die SF-KL testet in ihrer datenraumbasierten Fertigung den EDC auf Herz und Nieren. Mit ihm gewann das Team von smartMA-X auf dem Hackathon in Bilbao 2023 den 3. Platz und bewies damit seine technische Anwendung [12, 14, 19].

Skill-based Produktion

Der skillbasierte Ansatz geht davon aus, dass jedes Asset über die VWS selbstbeschreibungsfähig und so in einem Datenraum ebenso arbeitsfähig ist. So erlangen Teilnehmer in Datenräumen Kenntnis über ihre eigenen und alle sonst vorhandenen Services. Ein zu produzierendes Produkt kann dort die zu seiner Herstellung notwendigen Schritte übermitteln, woraufhin Maschinen oder Software ihre Services anbieten, um den Auftrag zu erledigen. Zusätzlich informieren die Services bspw. über Arbeitszeit, Kosten oder CO₂-Verbrauch.

Softwareagenten spielen eine wichtige Rolle, denn sie wählen etwa optimale Services aus und erstellen Lieferketten, die zum Beispiel kosten-, geschwindigkeits- oder nachhaltigkeitsoptimiert sein können. Sie sind aber auch für andere Aufgaben zuständig, wie das Schließen von Verträgen, das Versenden von verschlüsselten Produktdaten oder das Routen eines Produkts zum nächsten Fertigungsschritt. So entfallen unproduktive Rüstzeiten. Nach dem skizzierten Prinzip arbeitet die Shared Production Kaiserslautern [12, 13, 14].

Die Basis bildet das CSS (Capability, Skills, Services)-Modell der Plattform Industrie 4.0. Demnach werden Skills durch Capabilities beschrieben, die wiederum abstrakte, generische Beschreibungen von einem oder mehreren Skills sind, die in einer Reihenfolge ausgeführt werden. Diese bilden ihrerseits Services, die im Datenraum angeboten werden können. Die Skills und Capabilities sind hinter den Services gekapselt, ihre eigene technische Realisierung oder die der Hersteller dahinter spielen erst einmal keine Rolle [14, 20, 21].

Industrie 4.0 in der Anwendung 

Um zu zeigen, dass die Prinzipien von Industrie 4.0 bereits zur Erhöhung der Wertschöpfung führen, sei das Projekt TWIN4TRUCKS beispielhaft genannt sowie das Geschäftsmodell „Pay-per-Part“ von Trumpf SE .

TWIN4TRUCKS für mehr Resilienz und Qualitätssicherheit bei der Daimler Truck AG

Kern des Projekts TWIN4TRUCKS ist die Entwicklung eines übergreifenden Systems für die digital vernetzte Produktion von Nutzfahrzeugen am Standort Wörth der Daimler Truck AG. Aus der bisher vereinzelten Datennutzung soll ein System über sämtliche Produktionsprozesse hinweg entstehen. Die Schwerpunkte sind die Montageprozesse, die Materialversorgung und die Qualitätssicherung. 

Aktuell sind in Wörth an vielen Stellen digitale Lösungen im Einsatz, die große Mehrwerte liefern. Diese sind aktuell aber durch einige händische Prozesse unterbrochen, die ihrerseits einen hohen Aufwand bedeuten, nicht wertschöpfend sind und Fehlerpotenzial enthalten, erklärt Dr. Ekkehard Brümmer, Projektleiter ­TWIN4TRUCKS und Senior Manager Manufacturing Engineering bei der Daimler Truck AG. Konkret nennt er die Fertigung und beschreibt die Schraubvorgänge, bei denen ein Werker per Hand die richtigen Schraubdaten auf dem Schrauberwerkzeug erzeugt. 

Mit der geplanten Lösung soll ein Ortungssystem Produkt und Werkzeug automatisch verheiraten, sodass der nicht wertschöpfende manuelle Scanvorgang ersetzt wird und Datensicherheit entsteht. Das führt zu höherer Resilienz und Qualitätssicherheit im Produktionsprozess. Vom Digitalen Zwilling erhofft sich Daimler Truck Erkenntnisse zu gewinnen, die bisher nicht ersichtlich sind, aber durch eine gezielte Analyse gefunden werden können. In der Automobilindustrie werden Digitale Zwillinge durch die kontinuierliche Erfassung und Analyse von Daten aus realen Fahrzeugen oder Anlagen bereits erstellt. Dadurch können Hersteller und Betreiber verschiedene Szenarien testen, Fehler vorhersagen und Wartungsmaßnahmen optimieren, um die Effizienz zu steigern und Ausfallzeiten zu minimieren. [22, 23]

Das Unternehmen EVIDEN ist Konsortialpartner im Projekt TWIN4TRUCKS. Principal Consultant Oliver Busch sieht für das Unternehmen einen Nutzen der Ergebnisse auch für andere Industriezweige. Dabei nennt er die Entwicklung von Architektur-Blueprints, die als strukturierte Leitfäden für die Gestaltung digitaler Lösungen dienen. Diese Blueprints legen den Rahmen für die Integration von Technologien und Prozessen fest, um eine nahtlose und effiziente Funktionssicherheit und -weise zu gewährleisten. Als weiteren Schwerpunkt nennt er den souveränen und sicheren Datenaustausch innerhalb von Datenräumen, die für Kunden immer wichtiger würden, sowie Künstliche Intelligenz und Machine Learning – Verfahren zur Qualitätssicherung mit Hilfe von Bilderkennungstechnologien. [23]

Produktivitätssteigerung durch „Pay-per-Part“ bei Trumpf SE

Trumpf bietet seinen Kunden seit Ende 2022 das digitale Geschäftsmodell „Pay-per-Part“ für einen Laservollautomaten an. Dabei stellt das Unternehmen dem Kunden die Maschine samt Materiallager zur Verfügung. Zielgruppen sind Firmen mit hoher Auftragslage und wenig Personal. Der Laser ist mit Kameras und Sensoren ausgestattet und über Remotetechnologien mit Trumpf vernetzt. So kann Trumpf aus der Ferne die Produktionsplanung und -steuerung für die Fertigungszelle, die Maschinenprogrammierung und -wartung übernehmen. Auf Ausfälle kann ein 24/7 überwachender Mitarbeiter von Trumpf unmittelbar reagieren. Da der Kunde nur für produzierte Teile zahlt, ist Trumpf daran interessiert, Probleme maximal schnell zu lösen. Mit ersten Pilotkunden konnten Produktivitätssteigerungen von 50 % erzielt werden.

Für Trumpf lohnt sich das Geschäftsmodell mehrfach. Zum einen kann ein Bediener mehrere Maschinen bei Kunden überwachen, zum anderen lernt das Unternehmen die Maschinen durch die Produktionsdaten immer besser kennen und kann dadurch vorausschauend agieren. [24, 25] 

Praxistauglichkeit von Industrie 4.0 erwiesen

Die Beispiele zeigen, dass Industrie 4.0-Technologien bereits praxistauglich sind und die Wertschöpfung erhöhen. Deshalb spricht die SmartFactory Kaiserslautern vom Beginn der „Ära der Anwendung“ [26]. Nun braucht es visionäre und mutige Unternehmen, die weitere Anwendungen nutzen und ausprobieren. Der Begriff der Industrie 4.0 ist noch lange nicht verbraucht – ein Großteil der Besucher der Hannover Messe 2024 gab an, genau deshalb gekommen zu sein. Die vierte industrielle Revolution lebt davon, dass sie auf dem Shopfloor stattfindet. Theoretische Konzepte und Ideen gibt es seit 2011 genug. 

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