Vernetzte Planung und Fertigung nützt der Umwelt und der Unternehmensbilanz

Von Stephen Hooper
- 10. Jul 2018 - 8 min-LEKTÜRE
connected manufacturing

Dieser Beitrag entstand in Zusammenarbeit mit Lynelle Cameron, Vice President für Nachhaltigkeit bei Autodesk, als Mitautorin.

Als Unternehmer sind Sie im Bilde, wie schnell sich die Verhältnisse im produzierenden Gewerbe ändern können. Und Sie wissen auch, dass wechselnde Trends in der Nachfrage, technische Fortschritte und Veränderungen in der Personalstruktur diesen radikalen Wandel beschleunigen. Haben Sie sich jedoch schon einmal Gedanken über die potenziellen Vorteile – sowohl finanzieller als auch ökologischer Art – einer Vernetzung Ihrer Planungs- und Fertigungsabläufe gemacht?

Die Überlagerung verschiedener Entwicklungen in der Fertigung kann zu Chaos aber auch neuen Chancen führen. Wer diese Chancen optimal nutzen will, muss seine Fertigungs- und Lieferverfahren einer so gründlichen wie kritischen Revision unterziehen. Im Idealfall kommen diese radikalen Veränderungen sowohl dem Unternehmen als auch der Umwelt zugute. Dies setzt jedoch voraus, dass in drei Primärbereichen Vorarbeit geleistet wird:

1. Gesteigerte Produktivität zur Befriedigung der wachsenden Nachfrage. Kaum zu glauben, aber wahr: Bis 2050 ist mit einem Anwachsen der Weltbevölkerung auf 10 Milliarden Menschen zu rechnen. Die Hälfte davon wird der Mittelschicht angehören. Konkret heißt das: sehr viel mehr Menschen mit verfügbarem Einkommen, die die Nachfrage nach den entsprechenden Gütern für ihren großstädtischen Lebensstil kräftig ankurbeln werden. Die Befriedigung dieser Nachfrage ist ebenso mit enormen Herausforderungen verbunden wie die Verwaltung der schieren Unmengen an Nutzerdaten, die dabei entstehen – bereits 2020 sollen sie einen Umfang von 600 Zetabytes erreichen.

crowded city street

2. Verbesserte Qualität durch effiziente Nutzung neuer Technologien. Hardware- und Software-Technologien entwickeln sich ständig weiter. Fortschritte auf den Gebieten Künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen verschaffen Produktdesignern Zugriff auf ganze Berge von Kundendaten, mit deren Hilfe Innovationen noch schneller vorangetrieben werden. In der Fertigung setzt sich die Nutzung vernetzter Hardware (Stichwort: industrielles Internet der Dinge) und neuartiger Automatisierungstechnologien immer mehr durch. Durch Zusammenwirken dieser hochentwickelten Technologien lassen sich beträchtliche Verbesserungen in Bezug auf Produktqualität und -streuung sowie wirtschaftliche Leistung erzielen.

3. Reduzierung der negativen Umweltfolgen herkömmlicher Fertigungsmethoden. Global entfallen ca. 20 Prozent aller CO2-Emissionen auf den Industriesektor – 2015 waren dies allein in der Europäischen Union über 800 Millionen Tonnen. Sechzig Prozent der 8,3 Milliarden Tonnen Plastik, die sich weltweit im Umlauf befinden, sind entweder auf Mülldeponien oder in der Natur gelandet. Dabei handelt es sich um die unbeabsichtigten Folgen der Entwicklungen, mit denen das produzierende Gewerbe im Laufe der vergangenen 100 Jahre auf Marktwachstum und sozioökonomischen Wandel reagiert hat.

Wenn wir es ernst meinen mit dem Vorhaben, zugleich die Produktivität steigern, die Qualität unserer Produkte verbessern und die Umwelt entlasten zu wollen, müssen wir die Daten, die wir erzeugen, zur zuverlässigeren Prognose zukünftiger Verbraucherbedürfnisse nutzen, unsere Produktion entsprechend anpassen und Planungs- und Fertigungsabläufe enger miteinander verzahnen.

Zukunftsweisend: Fertigung auf Knopfdruck

Die Vernetzung von Planungs- und Fertigungsabläufen ist dabei entscheidend, weil sich aus der Verknüpfung bislang getrennter Betriebsabläufe neuer Mehrwert schöpfen lässt. Verfechter nachhaltiger Planungs- und Konstruktionsverfahren betonen die Wichtigkeit des Systemdenkens und der laufenden Analyse der Kosten- und Umweltfolgen bereits in den frühesten Planungsphasen. Der Grundgedanke, der hinter Systemdenken und Vernetzung steht, ist die Identifizierung und gewinnbringende Nutzung bislang verborgener Chancen, bevor daraus zu hohe Kostenfaktoren entstehen. Systemdenken wiederum fördert man am besten durch fundierte Kenntnisse sämtlicher Bestandteile des jeweiligen Systems und Vernetzung der entsprechenden Daten von der Planung bis zur Fertigung.

Durch die Vernetzung von Produktion und Planung lassen sich zum Beispiel mithilfe fortschrittlicher Fertigungstechniken – hier sei etwa auf hybride additive und subtraktive Verfahren verwiesen – potenzielle Gestaltungsoptionen, aber auch technische Sachzwänge identifizieren, die ohne diese neuen Möglichkeiten verborgen geblieben wären. Bei der Verknüpfung dieser Abläufe kann wiederum maschinelles Lernen eine wichtige Rolle spielen. Die Software kann Daten aus der Fertigung zur Erstellung neuer Entwürfe unter optimaler Umsetzung komplexer Gestaltungsvorgaben und Abwägungen nutzen – von der Optimierung der Nachhaltigkeit einzelner Bauteile über die Gewährleistung der Einhaltung sämtlicher einschlägigen Vorschriften bei der Werkstoffauswahl bis hin zur Überwachung der Produktionskosten.

airbus partition
Airbus nutzte Generative Design zur Auswertung einer Vielzahl von Gestaltungsoptionen anhand konkreter Zielvorgaben. Mit freundlicher Genehmigung von Airbus.

Welche Vorteile eine durchgängige Vernetzung der Arbeitsabläufe bietet, führte Airbus mit dem bionischen Design leichtgewichtiger Trennwände vor. Nach dem Prinzip des Generative Design – der Erstellung einer möglichst großen Auswahl an Gestaltungsoptionen unter Berücksichtigung von Zielvorgaben und Sachzwängen – vernetzte der Flugzeughersteller Arbeitsabläufe in sämtlichen Fertigungs- und Planungsphasen mit Daten und maschinellem Lernen und konnte dadurch das Gewicht der Trennwände um satte 45 Prozent reduzieren. Insgesamt spuckte die Software über 10.000 unterschiedliche Entwürfe aus, die den Zielvorgaben einer Gewährleistung der strukturellen Integrität und Sicherheit bei niedrigerem Gewicht entsprachen. Angesichts von Treibstoffkosten in Höhe von 1,1 Milliarden Euro pro Jahr bedeutet dies eine enorme Entlastung – nicht nur für die Unternehmensbilanz, sondern auch für die Umwelt.

Nicht zuletzt wird die durchgängige Vernetzung sämtlicher Arbeitsabläufe mit den entsprechenden Daten die Entwicklung des wichtigen neuen Trends zur Kreislaufwirtschaft beschleunigen. Dabei geht es um die – im Idealfall sogar mehrmalige – Wiederaufbereitung bzw. Veredelung von Werkstoffen, die durch die Vernetzung zwischen Lieferkette, Ressourcenströmen und Altproduktentsorgung ermöglicht wird. Die Förderung und Verarbeitung von Rohstoffen ist kostspielig, anfällig für Marktschwankungen und schädlich für die Umwelt. Ein Prozent aller globalen Treibhausgas-Emissionen entstehen allein bei der Gewinnung und Herstellung von Primäraluminium. Die andere Seite der Medaille ist die stetig wachsende globale Elektroschrotthalde, die 2018 einen jährlichen Zuwachs von 50 Millionen Tonnen erreichen soll.

Apple hat kürzlich das ehrgeizige Vorhaben angekündigt, künftig nur noch mit erneuerbaren bzw. wiederaufbereiteten Werkstoffen produzieren zu wollen. Erreicht werden soll dies unter anderem durch die Verknüpfung von herstellerseitigen Produktrücknahmen und Altgerätentsorgung mit dem Anfang der Lieferkette mithilfe eines Roboters namens Liam, der ein iPhone in elf Sekunden in seine Einzelteile zerlegen kann. (Das entspricht ungefähr 1,2 Millionen iPhones im Jahr.) Diese Einzelteile werden dann wiederaufbereitet und in neue iPhones eingebaut, wodurch sich die Verarbeitung von Rohstoffen drastisch reduzieren lässt. Die Identifizierung und Bewertung der sich hier ergebenden Chancen werden durch die durchgängige Vernetzung sämtlicher Arbeitsabläufe und die effektive Weitergabe und Auswertung von Daten überhaupt erst möglich. Es wird also quasi das Produktlebenszyklusmanagement mit Demontagewerkzeugen und Planungssystemen vernetzt. Vorstellbar wäre sogar, dass Apple noch einen Schritt weiter geht und die aus der Nutzung und Zerlegung dieser Produkte gezogenen Lehren zur Entwicklung neuer Produkte auswertet, die eine längere Lebensdauer bis zur Rücknahme aufweisen und sich von Liam und seinen Roboterkollegen noch schneller auseinanderbauen lassen.

Für die Zukunft tun sich dadurch Möglichkeiten auf, die weit über die hier vorgestellten Beispiele hinausgehen. Neuartige Planungs- und Fertigungsmethoden, die durch die Datenexplosion im produzierenden Gewerbe im Verbund mit weiteren Fortschritten bei der Entwicklung von maschinellem Lernen und Künstlicher Intelligenz überhaupt erst in den Bereich des Machbaren rücken, werden die Fertigung revolutionieren, sodass künftig ein Knopfdruck genügt, um die durchgängige Prozesskette in Gang zu setzen. Zur Verwirklichung des Traums von der Fertigung auf Knopfdruck kommt es entscheidend darauf an, dass Erkenntnisse aus den einzelnen Schritten ausgewertet und effektiv nutzbar gemacht werden; dass überraschende Lösungsansätze identifiziert und umgesetzt werden; und dass innovative, hochgradig optimierte Methoden zur Vernetzung zwischen Lieferkette, Planung, Fertigung, Nutzung und Entsorgung von Produkten entdeckt werden. Bei Airbus wurden Planungs- und Fertigungsabläufe miteinander vernetzt. Und Apple verknüpfte Abfall- mit Werkstoffströmen. In herkömmlichen Verfahren bzw. ohne die Nutzung neuer technologischer Möglichkeiten wäre weder das eine noch das andere möglich gewesen.

Die Rolle des Staats

Neben der rapiden technologischen Weiterentwicklung stellt die Vernetzung von Arbeitsabläufen und Daten zur Steigerung der Produktivität, Verbesserung der Qualität und Entlastung der Umwelt auch aus anderen Gründen ein dringendes Thema dar. Staatliche und überstaatliche Initiativen – wie etwa die Vorgaben der Europäischen Union zur Müllvermeidung, Wiederverwertung und Beschränkung der Verwendung gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten oder das Pariser Klimaschutzabkommen – zielen seit Jahren auf eine Reduzierung der negativen Umweltfolgen des Industriesektors ab. Während viele andere Länder den Schwerpunkt auf erneuerbare Energiequellen und nachhaltige Verkehrsmittel legen, setzt China explizit auf ressourcenschonende und energiesparende Maßnahmen, die unmittelbare Konsequenzen für Fertigungsunternehmen haben.

Jeder dritte Verbraucher achtet beim Kauf auf Nachhaltigkeit.

Diese Bemühungen staatlicherseits wirken sich wiederum auf die Nachfrage in sämtlichen Sparten – von Verbraucherelektronik über Automobilbau bis hin zu Haushaltsgütern – aus. Aktuellen Studien zufolge kauft jeder dritte Verbraucher lieber Produkte nachhaltigerer Marken; in der Bevölkerungskohorte der sogenannten „Millennials“ – also der zwischen 1980 und 2000 Geborenen – sind sogar drei Viertel der Befragten bereit, höhere Preise für nachhaltigere Produkte und Dienstleistungen zu zahlen.

Den Unternehmen sind diese Trends natürlich nicht entgangen. Der US-Großkonzern Walmart hat vor kurzem angekündigt, die CO2-Emissionen entlang seiner Lieferketten um insgesamt eine Gigatonne reduzieren zu wollen. Das geht nur, wenn alle Beteiligten zusammenarbeiten und die Abläufe und Daten unternehmensübergreifend vernetzen. Bei den Autoherstellern wiederum führt der Wettbewerb um die Marktführerschaft in der lukrativen Elektro-Sparte dazu, dass herkömmliche Entwicklungsverfahren von Grund auf überdacht werden und sich stattdessen ein ganzheitliches Systemkonzept durchzusetzen beginnt.

Letztlich werden sich diejenigen Hersteller am Markt behaupten, die in der Lage sind, den Verbrauchern ein Mehr an Leistung, kundenspezifischer Maßanfertigung und Qualität zu bieten und gleichzeitig ihre Arbeitsabläufe zu straffen. Wer bei der Entscheidung, welche Produkte mit welchen Verfahren hergestellt werden, die richtigen Weichen stellt, kann die eigene Unternehmensbilanz verbessern und die negativen Folgen für Mensch und Umwelt reduzieren. Vernetzte Arbeitsabläufe bieten die Chance, mit weniger mehr und besser zu produzieren – man muss sie nur ergreifen.

Eine längere Fassung des englischen Originaltextes wurde im Februar 2018 in der zweimonatlich erscheinenden Zeitschrift Manufacturing Leadership Journal veröffentlicht. Der auszugsweise Nachdruck erfolgt mit freundlicher Genehmigung.

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