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Fertigung der Zukunft

Die Bestandteile der Smart Factory

| Redakteur: Benedikt Hofmann

In der Smart Factory sind Maschinen, Systeme und Anwender intelligent miteinander vernetzt.
In der Smart Factory sind Maschinen, Systeme und Anwender intelligent miteinander vernetzt. (Bild: ©kinwun - stock.adobe.com)

Digitalisierung. Industrie 4.0. Internet der Dinge. Smart Factory. Diese vier Begriffe sind mittlerweile allgegenwärtig in der Industrie. Es geht um Effizienzsteigerung und die Optimierung von Produktionsabläufen. Gerade die Vision Industrie 4.0 wird in diesem Bereich immer weiter vorangetrieben: Die Smart Factory nimmt dabei einen ganz besonders hohen Stellenwert ein.

Im Zentrum der so bezeichneten Industrie 4.0 steht die Smart Factory. Hinter dem Begriff Smart Factory verbirgt sich die Vision einer intelligenten Fabrik. Dabei stellt Smart Factory im Grunde genommen eine Art Produktionsumgebung zur Verfügung, die sich im Idealfall autark – also auch ohne menschliche Eingriffe – stets selbst organisiert und strukturiert. Zu diesen Produktionsumgebungen im Rahmen von Smart Factory zählen zum Beispiel Logistiksysteme und automatisierte Fertigungsanlagen. Als wesentliche Kernkomponenten der Smart Factory kommen dabei in erster Linie eine intelligente Vernetzung und cyber-physische Systeme zum Einsatz. Der Mensch selbst muss bei einer auf diese Art und Weise konzeptionierten Smart Factory mit seiner Arbeitskraft in den eigentlichen Fertigungsprozess von Waren und Teilen nicht mehr eingreifen.

Smart Factory: Cyber-physische Systeme nehmen einen entscheidenden Stellenwert ein

Den zur Verfügung stehenden cyber-physischen Systemen kommt bei der Smart Factory respektive bei der Vision Industrie 4.0 eine entscheidende Rolle zu. Denn mittels dieser Systeme sowie der cleveren Vernetzung von Produkt und Fertigungsmaschine wird das jeweilige Produkt in die Lage versetzt, alle für die Produktion erforderlichen Informationen selbstständig der Smart Factory mitzuteilen. Dank der entsprechenden Daten und Werte steuern Maschine und Produkt die einzelnen Fertigungsschritte bis hin zum fertigen Produkt beziehungsweise zum gewünschten Endergebnis. Optimalerweise verläuft der Informationsaustausch zwischen Maschine und Produkt dabei immer via drahtloser Kommunikation, wobei das Internet der Dinge die jeweilige Kommunikationsgrundlage darstellt.

Cyber-physischen Systeme: Wichtig für die Steuerung komplexer Infrastrukturen

In einem cyber-physical system (CPS) werden in einer Smart Factory dabei verschiedene mechanische Komponenten über moderne Informationstechnik und Netzwerke miteinander verbunden. Sie erlauben die Kontrolle und Steuerung von komplexen Fertigungsanlagen, Systemen sowie Infrastrukturen. Die cyber-physischen Systeme bestehen aus mechanischen Komponenten, der jeweils kompatiblen Software sowie Informationstechnik. Im Rahmen der Digitalisierung und von Industrie 4.0 werden die einzelnen Komponenten über entsprechende Netzwerke zusammengefügt, sodass sie etwa über das Internet selbst hochgradig komplexe Infrastrukturen steuern, regeln und überprüfen können. Der Austausch von Daten respektive Informationen der vernetzten Systeme und Gegenstände in einer Smart Factory erfolgt entweder in Echtzeit drahtlos oder aber kabelgebunden.

Auf dem Weg zur Smart Factory: Die Digitalisierung verändert Unternehmen nachhaltig

Smart Factory und das dahinter stehende Konzept bieten der Industrie viele neue Möglichkeiten und Chancen, erfordern allerdings gleichzeitig auch ein Umdenken in den Führungsetagen und den gesamten Unternehmen. Explizite Ausarbeitungen, wie zum Beispiel die viel beachtete Studie „Smart Factory – Wie die Digitalisierung Fabriken verändert“ zeigen diesbezüglich auf, dass gerade die Branchen Automobil, Chemie, Maschinenbau, Elektrotechnik, ITK oder auch Landwirtschaft vor einem drastischen Wandel stehen. Branchen dieser Art werden im Rahmen dieser Entwicklung nahezu vollständig umgekrempelt. Der Wandel durch die Digitalisierung, Industrie 4.0 oder auch dem Internet der Dinge wird Schätzungen zufolge eine zusätzliche Wertschöpfung von rund 80 Milliarden Euro generieren.

Industrie 4.0: Mit Smart Factory die industrielle Wertschöpfung industrialisieren

Die Smart Factory fungiert dabei als das Herzstück von Industrie 4.0. Zukünftig gefragt sind vernetzte und intelligente Fabriken. Bei Industrie 4.0 respektive bei dem Begriff Small Factory geht es hier zum einen um effizientere Abläufe in der Produktion, Logistik sowie der Lieferkette. Zum anderen aber steht vor allem das Ziel im Fokus, die industrielle Wertschöpfung zu flexibilisieren und gezielt an den Kundenwünschen auszurichten. Es kommt hier also quasi zu einem gewaltigen Paradigmenwechsel aufgrund von Industrie 4.0 und der immer weiter voranschreitenden Digitalisierung. Allerorts stehen die Zeichen auf Veränderung. Wer als Unternehmen in diesen Bereichen wettbewerbsfähig bleiben möchte, muss die Vision Smart Factory im eigenen Unternehmen umsetzen. Die industrielle Massenfertigung wird nämlich immer mehr zu einem Relikt vergangener Tage werden. Abgelöst wird diese Massenfertigung zukünftig von der kundenindividuellen Produktion im Rahmen von Industrie 4.0.

Digitalisierung und Internet der Dinge sind für eine Smart Factory unabdingbar

Die Digitalisierung, Industrie 4.0 und nicht zuletzt eben die Smart Factory erfassen dabei nicht nur einzelne Bereiche eines Unternehmens oder bestimmte Teile einer Wertschöpfungskette. Stattdessen müssen Smart Factory, Industrie 4.0 und die Digitalisierung an sich immer ganzheitlich betrachtet werden. Es genügt nicht lediglich einzelne Teilbereiche und Stellen im Sinne der Smart Factory zu verändern und andere Segmente nicht im Rahmen der Digitalisierung und von Industrie 4.0 neu zu strukturieren. Denn nur wenn Sie eine Prozesskette ganzheitlich durchgängig optimieren, spielt die Smart Factory auch tatsächlich ihr gesamtes Potenzial und ihre Intelligenz voll aus. Smart Factory und die damit verquickte Digitalisierung oder auch das Internet der Dinge setzen dabei konsequent insbesondere auf intelligente Maschinen und Anlagen, auf eine ausgefeilte Sensoren-Technologie sowie auf funktionale Steuerungssysteme.

Internet der Dinge: Gerade Unternehmen profitieren von den neuen Möglichkeiten

Das Internet der Dinge nimmt dabei in Bezug auf Industrie 4,0 und Smart Factory eine besondere Rolle ein. Im wesentlichen besteht das Internet der Dinge aus insgesamt drei Komponenten: einem Netzwerk, mehreren Sensoren und einem komplexen System, das die Signale von den jeweiligen Sensoren aufnimmt beziehungsweise verarbeitet und gegebenenfalls entsprechende Aktionen auslöst. Das mag zwar auf den ersten Blick äußerst kompliziert wirken, ist es aber nicht. Schon alltägliche Gegenstände wie zum Beispiel Ihr Smartphone oder ein einfacher Türkontakt werden mit integrierten Sensoren ausgerüstet, mittels derer dann Daten über das Internet erfasst werden können. Möglich ist es beispielsweise auch, die Beleuchtung oder die Temperatur in einem Raum automatisch zu regeln. Auch oder gerade Unternehmen profitieren vom Internet der Dinge. So können sie zum Beispiel bei einer Fertigungsanlage die jeweiligen Zustände via integrierten Sensoren überwachen. Werden dabei Grenzwerte über- oder unterschritten, bemerken die Sensoren sofort diese Abweichung woraufhin das Wartungspersonal alarmiert wird. Ob das tägliche Leben oder der Alltag in der Fertigungsindustrie – im Rahmen der Digitalisierung wird das Internet der Dinge zukünftig die Produktionsabläufe in einem Unternehmen deutlich effizienter gestalten.

Beispiele für die Anwendung des Internets der Dinge:

  • Intelligente Transportlösungen reduzieren den Kraftstoffverbrauch, beschleunigen gleichzeitig Verkehrsströme und optimieren zum Beispiele Reparaturzyklen für Fahrzeuge oder auch für Maschinen und Anlagen.
  • Intelligente Stromnetze verbessern die allgemeine Systemzuverlässigkeit, da sie erneuerbare Ressourcen effizienter nutzten und miteinander verknüpften.
  • Diagnosesensoren in Anlagen und Maschinen stellen selbstständig fest, wann erforderliche Wartungsbedarfe bestehen. Je nach Sensoren-Technik können Schäden oder Instandhaltungsaufgaben sogar vorhergesehen werden. Somit können Sie Reparaturen präventiv einplanen und dadurch etwaigen Produktionsausfällen bereits im Vorfeld vorbeugen.
  • Datenbasierte Systeme verhelfen auch der Infrastruktur zu mehr Effizienz. Am Ende stehen dann so bezeichnete Smart-Cities. Aber auch Unternehmen profitieren von infrastrukturellen Verbesserungen dieser Art. So hilft das Internet der Dinge, Aufgaben zum Beispiel in der Industrie wie Abfallentsorgung oder das Recycling effizienter zu gestalten.

Industrie 4.0 und Smart Factory: Es geht immer auch um Big Data

Aus diesen Beispielen folgt, dass es in diesem Zusammenhang immer auch um den effektiven Einsatz von Big Data geht. Denn ein industrielles Unternehmen beziehungsweise eine Fabrik erzeugt grundsätzlich eine Unmenge an Daten und Informationen. Diese müssen identifiziert, gespeichert, übertragen und letztendlich auch verarbeitet werden. Das funktioniert aber nur dann, wenn die Kommunikationsnetze auch tatsächlich höchsten Anforderungen genügen. So müssen sie hochverfügbar, echtzeitfähig und ausfallsicher sein. Außerdem müssen auch die herkömmlichen Speicher- und Verwaltungsmethoden gegen moderne Technologien ausgetauscht werden. Sie kommen im Rahmen von Industrie 4.0, der Smart Factory und dem Internet der Dinge daher nicht umhin, Cloud Computing für die Datenverarbeitung zu nutzen. Bestenfalls kreieren Sie ein Szenario, dass die Integration sowohl von schnellen Mobilfunknetzen als auch von sicheren Lösungen aus Rechenzentren sowie dem infrastrukturell passenden Cloud-Ökosystem gewährleistet.

Smart Factory - der Erfolg ist abhängig von Details und Nuancen

Aber auch wenn die Digitalisierung und Smart Factory im Rahmen von Industrie 4.0 immer als ganzheitliches Konstrukt betrachtet werden muss, sind gerade die Details die entscheidenden Erfolgsfaktoren bei der Umsetzung der Smart Factory. Denn, um überhaupt einer Smart Factory zu ermöglichen, die jeweiligen Prozessschritte effektiv auf Basis der von den Produkten bereitgestellten Fertigungsinformationen über den gesamten Produktionsweg zu steuern, müssen Sie wichtige Details in Form von zentralen Merkmalen aufweisen. Einer der entscheidenden Aspekte dabei: Die Vernetzung der jeweils involvierten Komponenten sollten Sie immer in die Bereiche interne und externe Vernetzung aufgliedern. Innerhalb der internen Vernetzung der Smart Factory stehen dabei sämtliche interne Komponenten des Fertigungsprozesses und deren intelligente Vernetzung im Fokus. Die externe Vernetzung geht hierbei noch einen Schritt weiter im Hinblick auf die Digitalisierung, Industrie 4.0 und das Internet der Dinge. So geht es hier in erster Linie um die Kommunikation mit anderen Unternehmen, die ebenfalls auf Smart Factory setzen.

Digitalisierung und Mass Construction - effizient nur mit einer Smart Factory möglich

Ein weiterer entscheidender Aspekt ist die Gestaltung der individualisierten Produktion. Im Detail kommt es diesbezüglich auf die intelligente Vernetzung der unterschiedlichen Fertigungsanlagen an. Smart Factory bietet Ihnen hier mit seinen Vernetzungsstrategien rund um Sensoren und cyber-physische Systeme die Option, dass die zur Produktion benötigten Maschinen und Anlagen die Fähigkeit zur Selbstorganisation und -kontrolle erlangen. Dadurch lassen sich Prozessschritte und Fertigungsabläufe flexibel und dabei hochgradig individuell modellieren. Für Ihr Unternehmen bedeutet dies, dass Sie mithilfe intelligenter Automation Individualprodukte oder zum Beispiel auch Kleinserien in einem überschaubaren Kostenrahmen produzieren können, die sich mit den herkömmlichen respektive konventionellen Maschinen und Anlagen nur im Rahmen der Massenproduktion produzieren lassen. Durch die exakte Angabe der gewünschten Ziele wie Funktion, Abmessungen, Form oder Menge eines Produkts wird die durch die Smart Factory bereitgestellte Produktionsumgebung selbstständig auf die optimalen Produktionsprozesse und Fertigungsverfahren ausgerichtet. Der Begriff Mass Customization, also die individuelle Massenproduktion, ist hier stets im Kontext der Smart Factory, Industrie 4.0 oder auch dem Internet der Dinge zu sehen.

Digitalisierung: Die wichtigsten Instrumente und Komponenten der Smart Factory

Wie bereits ausgeführt, kommt es bei der Digitalisierung in Form einer Smart Factory auf das Zusammenspiel vieler verschiedener Details an. Nach aktuellem Stand in der Smart Factory Thematik zählen hierbei folgende Faktoren zu den erfolgssensiblen Kriterien:

  • Integration von cyber-physischen Systemen.
  • Einsatz von eingebetteten Systemen (auf englisch: embedded system) zur Überwachung und Steuerung der Smart Factory sowie des Fertigungsprozesses mittels binärwertiger digitaler Systeme.
  • Verwendung von intelligenten und flexiblen Logistiksystemen.
  • Einführen von Big Data Technologien.
  • Nutzen von leistungsfähiger, moderner Informations- und Kommunikationstechnik.
  • Nutzen von Services des Cloud Computing.
  • Implemetieren von drahtlosen Kommunikationstechniken wie zum Beispiel RFID (Radio Frequency Identification) oder Bluetooth.

Big Data Technologien sorgen für einen reibungslosen Austausch der Daten

Die Komponenten, Werkzeuge und Instrumente der Smart Factory sind dabei nicht nur als einzelnes Segment wichtig. Vielmehr geht es bei Industrie 4.0 oder auch beim Internet der Dinge – beides wesentliche Grundlagen für das Funktionieren einer Smart Factory – um ein Zusammenspiel aller involvierten Faktoren. Für die grundsätzliche Vermittlung zwischen den virtuellen und den realen Komponenten sind dabei in erster Linie die cyber-physischen Komponenten verantwortlich. Diese Systeme müssen im Rahmen der Digitalisierung beziehungsweise der digitalen Transformation mit moderner Prozessor-, Funk- und Sensortechnik ausgestattet werden, um so einen zuverlässigen, vollständigen und schnellen Austausch der Daten zu gewährleisten. Als Schnittstelle zwischen der Smart-Factory-Intelligenz und der genutzten Hardware müssen sie dabei alleine schon aufgrund der Fülle an Informationen höchsten physischen Belastungen begegnen. In diesem Bereich rund um das Internet der Dinge und die Vision Industrie 4.0 sollten Sie daher auch keinesfalls Kompromisse eingehen, sondern konsequent auf Technologien vertrauen, die im Big Data Umfeld angesiedelt sind. Systeme dieser Art können große Mengen an Daten selbst in unstrukturierter Form sicher speichern und effizient verarbeiten. Dadurch sind eine mehrwertige Datenverarbeitung und ungemein kurze Zugriffszeiten garantiert. Genau diese beiden Attribute bilden letztendlich dann auch die Basis für das ganzheitliche Konzept Smart Factory.

Die Aufgaben der Mitarbeiter und ihre Herausforderungen wandeln sich

Geht es um Negativfaktoren im Hinblick auf die Digitalisierung, Industrie 4.0, das Internet der Dinge oder eben die Smart Factory, wird von den Kritikern häufig die vermeintlich unwichtige Rolle des Menschen angeführt. Aber stimmt das überhaupt? Die Smart Factory organisiert sich zwar selbstständig und auch die jeweiligen Produktionsprozesse werden direkt automatisch gestaltet, trotzdem ist die Rolle des von Arbeitnehmern immer noch ein zentraler Punkt. Lediglich die Aufgabenstellungen und damit auch die Herausforderungen verändern sich oder haben sich zu einem großen Teil auch schon verändert. Mussten die Mitarbeiter in einem Unternehmen unter konventionellen Bedingungen und Gegebenheiten stets in den jeweiligen Fertigungsprozess eingreifen, ist dies in der Smart Factory oder etwa beim Internet der Dinge nicht mehr erforderlich. Dafür aber steigen die Aufgaben und die Verantwortung für die involvierten Mitarbeiter innerhalb eines Industrieunternehmens. Im Mittelpunkt steht dabei sowohl die Optimierung der Fertigungsprozesse und -abläufe als auch die stetige Kontrolle und Überprüfung sämtlicher Funktionen innerhalb einer Smart Factory Szenerie.

Digitalisierung und Smart Factory - die virtuelle Realität als wichtiges Instrument

Damit ist die Rolle der Mitarbeiter in einer Fabrik aber längst noch nicht erschöpft. Ebenso wichtig für die Smart Factory und auch für Industrie 4.0 oder das Internet der Dinge im Ganzen ist nämlich der Umstand, dass Smart Factory ein grundlegendes, in der Regel unternehmensspezifisches Design erhält. In diesem Zuge müssen Mitarbeiter das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten steuern und zum Beispiel auch die Kompatibilität von Komponenten gewährleisten. Zudem werden Mitarbeiter benötigt, die Schnittstellen zu anderen Smart-Factory-Unternehmen sowie zu externen Systemen abstimmen. Von explizit hoher Bedeutung für den Menschen ist dabei die virtuelle Realität, denn diese Technologie ist für Sie sowohl als Führungskraft wie auch als Mitarbeiter in einer Fabrik eines der wichtigsten Werkzeuge in der Smart-Factory-Thematik. Mithilfe der virtuellen Realität können Sie nämlich jederzeit auf die von Ihrem Unternehmen genutzten Systeme einwirken, ohne dass überhaupt ein physischer Kontakt zu Fertigungsmaschinen und -anlagen besteht.

Auf den Punkt gebracht: Die Vorteile einer Smart Factory

Wenn Sie die Unterschiede zwischen konventionellen Produktionsanlagen bzw. Fertigungsverfahren und der Smart Factory mit ihrem Bezug zu Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge einmal genau unter die Lupe nehmen, werden Ihnen zahlreiche Unterschiede ins Auge fallen. Viele dieser Unterschiede bringen Ihnen dabei im Rahmen einer Smart Factory wesentlichen Mehrwert und zahlreiche Vorteile. Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Vorteile und Vorzüge von Smart Factory:

  • Prozesse werden im Rahmen von Industrie 4.0 verschlankt und spezifisch verschlankt.
  • Aufgrund der Digitalisierung und Automatisierung kommt es zu kürzeren Produktionszeiten und auch zu geringeren Produktionskosten.
  • Mass Construction ist möglich; also die Fertigung von individuellen Waren zu günstigen Preisen der Massenproduktion.
  • Smart Factory steigert durch schnelle Zugriffszeiten und bedarfsgerecht abgestimmter Prozesse die Produktivität.
  • Für die eigentliche Produktion wird eine höhere Flexibilität erreichen.
  • Innerhalb der Fertigungsprozesse und -abläufe ist ein geringerer Personalaufwand erforderlich.
  • Smart Factory bietet Ihnen eine transparente Lieferkette und effiziente Bestellvorgänge, die automatisch ablaufen.
  • Im Gegensatz zu konventionellen Herstellungsverfahren können Sie bei der Smart Factory mit niedrigeren Lagerhaltungskosten kalkulieren.
  • Dank der Vorteile hinsichtlich einer schnelleren und flexiblen Fertigung sind für neue Produkte kürzere Markteinführungszeiten realisierbar
  • Innovationen lassen sich in einer Smart Factory Umgebung leichter und schneller umsetzen.
  • Auch kurzfristige Eingriffe sind möglich; dank einer vergleichsweise kurzen Reaktionszeit erfolgt grundsätzlich eine schnelle Anpassung an veränderte oder sogar gänzlich neue Produktanforderungen.
  • Die Produktion profitiert von einer grundsätzlich verbrauchsgesteuerten Versorgung.
  • Schwankungen im Hinblick auf die Nachfrage bzw. den tatsächlichen Bedarf am Markt werden durch agile Reaktionen des Fertigungsprozesses berücksichtigt.
  • Durch die in der Small Factory optimierten Fertigungsverfahren können Sie Liefertermine besser und zuverlässiger einhalten; Sie profitieren also von einer gesteigerten Liefertreue.

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