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Industrie 4.0 bringt Vorteile, die Führungskräfte nicht übersehen dürfen

Gary McCormick, Senior Design Engineer

Technologietrends

Industrie 4.0 – die vierte industrielle Revolution

Industrie 4.0 ist in aller Munde, aber was bedeutet das Schlagwort wirklich? Industrie 4.0 umschreibt die „vierte industrielle Revolution“, die jüngste in einer Reihe entscheidender Entwicklungsschübe, die die Geschichte der Industrie in den letzten 250 Jahren geprägt haben.

Industrie 4.0 bringt für die Fertigung höhere Effizienz und Flexibilität sowie bisher unerreichbare Möglichkeiten der Produktion, darunter etwa die wirtschaftliche Fertigung kleinster Stückzahlen, ohne auf Skaleneffekte Rücksicht nehmen zu müssen.

Die erste industrielle Revolution begann ca. 1760 und läutete den Anfang des Maschinenzeitalters ein, in dem die von manueller Arbeit geprägte Agrargesellschaft von der Industriegesellschaft abgelöst wurde. Damals waren es die Wasser- und die Dampfkraft, die Menschen und Tieren die Arbeit abnahmen und die zunehmende Mechanisierung einleiteten, die bis heute anhält. Die zweite industrielle Revolution brachte den elektrischen Strom, die dritte Computer und IT. Jetzt ist es die leistungsstarke Kombination aus Erfassung, Analyse und Bearbeitung von Daten, automatisiertem Informationsaustausch zwischen Maschinen und radikal neuen Fertigungsverfahren, die den aktuellen industriellen Wandel auslöst.

In einem Zeitalter, in dem disziplinenübergreifende Teams für eine integrierte Entwicklung und Fertigung immer wichtiger werden, verspricht Industrie 4.0 funktionsüberspannendes Teamwork zwischen Entwicklung, Einkauf, Fertigung und Kundendienst.

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Den Rahmen von Industrie 4.0 bilden die sogenannten „neun Säulen des technologischen Fortschritts“ zur Automatisierung, Integration und Optimierung von Fertigungstechnologien. Diese neun Säulen sind:

  • Big Data und Analysen
  • Robotik
  • Simulation
  • Horizontale und vertikale Systemintegration
  • Das industrielle Internet der Dinge
  • Cybersecurity
  • Cloud-Computing
  • Additive Fertigung

Industrie 4.0 wird häufig mit dem industriellen Internet der Dinge verwechselt. So wie sich das Internet und das World Wide Web auf die Vernetzung von Millionen von Computerknoten auf der ganzen Welt beziehen, bezeichnet das industrielle Internet der Dinge im Zusammenhang mit Industrie 4.0 die lokale – oder zumindest auf Unternehmensebene beschränkte – Interkonnektivität von Maschinen und Systemen in der Industrie. Das gewöhnliche (nicht industrielle) Internet der Dinge hingegen meint Verbraucherelektronik wie Wearables (tragbare Geräte wie etwa Fitnessarmbänder), Klimageräte, Alarmanlagen oder Haushaltsgeräte. Integrierte Rechenkapazitäten erlauben neben der traditionellen Verbindung mit zentralen Steuerungsgeräten auch die direkte Kommunikation zwischen Maschinen und Geräten. Dies ermöglicht dezentrale Analyse- und Entscheidungsfähigkeiten, sodass in Echtzeit und ohne Verzögerungen auf geänderte Anforderungen oder Bedingungen in der Fertigungsumgebung reagiert werden kann.

Industrie 4.0 bringt für die Fertigung höhere Effizienz und Flexibilität sowie bisher unerreichbare Möglichkeiten der Produktion. Die wirtschaftliche Fertigung kleinster Stückzahlen, ohne auf Skaleneffekte Rücksicht nehmen zu müssen, ist nur einer von zahlreichen Vorteilen. Daneben überwachen kommunikationsfähige, miteinander verbundene Maschinen und Geräte ihren eigenen Zustand und ihre Betriebsbereitschaft und können erforderliche Wartungsarbeiten selbst planen. So kann die Produktion planmäßig und automatisch von einer Maschine auf eine andere verlagert werden, wodurch Ausfallzeiten und Produktionsunterbrechungen verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden.

Auch die direkte Verbindung und Kommunikation mit der übergeordneten industriellen Infrastruktur kann Vorteile mit sich bringen. Empfangen Maschinen beispielsweise eine Benachrichtigung über Probleme bei der Stromversorgung oder können eine solche selbstständig ermitteln, werden nicht produktionskritische Maschinen automatisch vom Netz genommen, um den Stromverbrauch zu reduzieren und Gefahren durch Spannungsabfälle entgegenzuwirken, ohne die kritischen Prozesse zu unterbrechen. Dasselbe Prinzip kann natürlich auch auf andere Versorgungsgüter ausgedehnt werden, etwa auf Wasser oder auf Brennstoffe wie Erdgas.

Auch die restlichen „Säulen“ der Industrie 4.0 können mit sehr speziellen Vorteilen aufwarten. Der erweiterte und verbesserte Zugang zu Informationen dank Big Data, Analysen und Cloud-Computing ermöglicht eine breiter gestreute Datennutzung und erhöht so den Wert der Daten, die von den Geräten im industriellen Internet der Dinge erfasst werden. Umfassendere und auf Echtzeitdaten basierende Simulationen verbessern die Möglichkeiten der Modellierung von Produkten und Szenarien und erlauben voraussagende Verhaltens- und Leistungstests sowie weitreichendere Optimierungsmöglichkeiten für Konstruktionen, ohne dass Testexemplare gebaut und physisch getestet werden müssten.

Vom verbesserten Informationsaustausch und dem Cloud-Zugang profitieren die vertikale Integration unternehmensinterner Abteilungen, von der Entwicklung über die Produktion bis zum Vertrieb, sowie die horizontale Integration mit Zulieferern und Kunden.

Der Einsatz von Robotik sowie der neuesten additiven Fertigungsverfahren in Form von 3D-Druck sorgen für neue Möglichkeiten in der Produktion und Fertigung: Multifunktionsroboter flexibilisieren die Fertigungsschritte und verhalten sich kooperativ, d. h. sie haben die Fähigkeit, voneinander zu lernen, und sie arbeiten sicher und zuverlässig mit Menschen zusammen. Die additive Fertigung ermöglicht die Herstellung nicht nur von Prototypen, sondern von Endprodukten direkt aus Computermodellen. Die Möglichkeiten des 3D-Drucks gehen mittlerweile weit über den frühen Prototypenbau im Labor hinaus. Additive Fertigungssysteme der aktuellen Generation können einerseits Strukturen fertigen, die größer sind als sie selbst, und andererseits sehr komplexe Formen produzieren, die mit traditionellen Herstellungsverfahren nur unter höchstem Aufwand realisierbar wären.

Wenn so viele, größtenteils sehr sensible Daten im System kursieren, stellt sich natürlich die Frage der Sicherheit. Dies ist der Grund für die neunte Säule: Cybersecurity dient zum Schutz der übrigen acht Säulen und ist in Industrie 4.0 so wichtig wie nie zuvor.

Die tausendfach vernetzten, lernfähigen Fertigungsumgebungen von Industrie 4.0 haben das Potenzial zur Schaffung ungeahnter Effizienzen in allen Aspekten der modernen Fertigung. Damit wird klar, warum Industrie 4.0 in den Führungsetagen vieler Fertigungsunternehmen auf großes Interesse stößt.

Effizienz ist das A und O der Produktentwicklung. In der Statik bedeutet Effizienz maximale Tragkraft bei minimalem Gewicht und minimalem Materialeinsatz, in der Elektronik maximale Leistung bei minimalen Energieverbrauch, in der Mechanik minimales Gewicht für bewegliche Teile, damit sie möglichst wenig Energie verbrauchen und tragende Strukturen möglichst wenig beanspruchen.

Effizient konstruierte Produkte verbrauchen weniger Material und weniger Energie. Da Material und Energie Geld kosten, bedeutet Effizienz in Konstruktion und Entwicklung gleichzeitig auch Kosteneffizienz und hat somit eine geschäftliche Komponente. Energieeffizienz in der Fertigung, beim Betrieb und bei der Lieferung von Gütern wird immer wichtiger, da Energie immer knapper und damit immer teurer wird. Die Möglichkeiten, die sich mit Industrie 4.0 durch die Integration des Informationsaustauschs und des Datenmanagements für die Fertigung ergeben, ermöglichen effiziente Prozesse in den Fertigungsverfahren selbst und in deren gesamter Umgebung und dehnen das Effizienzkonzept aus der Entwicklung und Konstruktion auf die gesamte Fertigungslandschaft aus.

Industrie 4.0 stammt aus Deutschland. So ist es nur schlüssig, dass das deutsche Automatisierungstechnik-Unternehmen Beckhoff als Lieferant für verschiedene Branchen eine führende Rolle bei der Einführung von Industrie 4.0 und des industriellen Internets der Dinge spielt. Das Unternehmen hat die Möglichkeiten von Industrie 4.0 bereits auf zahlreichen Messen vorgestellt. Das Spektrum reicht dabei von der Tire Technology Expo über die Hannover Messe bis hin zur drupa, der Leistungsschau für die Druck- und Druckmedienindustrie in Düsseldorf.

Mittlerweile haben auch zahlreiche Großkonzerne wie Oracle, AT&T, Ericsson und Google das Konzept aufgegriffen, ebenso wie eine Vielzahl kleinerer IT-, Telekom- oder Consulting-Unternehmen, die mit ihrem speziellen Angebot viele Nischenmärkte im Industrie-4.0-Modell bedienen.

Deutsche Experten sagen Industrie 4.0 eine große Zukunft voraus: Unter Berücksichtigung der Materialkosten gehen sie von einer Produktivitätssteigerung von 5 bis 8 % in den nächsten fünf bis zehn Jahren aus. Wie stark die Entwicklung ausfällt, hängt von der jeweiligen Branche ab. Mit 20 bis 30 % wird der höchste Zuwachs für Hersteller von Industriekomponenten erwartet, während man für den Automobilsektor von 10 bis 20 % ausgeht.

Industrie 4.0 steht vor allem für eines: die Schaffung neuer Effizienzen in allen Phasen des Fertigungsablaufs, von der Beschaffung über die Produktion bis zur Auslieferung. Viele Unternehmen weltweit haben diese Vorteile entdeckt und beginnen bereits, sie für sich zu nutzen.

 

Gary McCormick
Autor

Gary McCormick, Senior Design Engineer, ist Maschinenbauingenieur mit 35 Jahren Erfahrung in Konstruktion, Produktion und Qualitätssicherung im Maschinenbau bei einem großen US-amerikanischen Maschinenbauunternehmen.

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