Industrie 4.04 Anwendungsbeispiele aus der Praxis

Vier unterschiedliche Beispiele aus der Praxis zeigen, wie digitale Transformation aussehen kann.

Die Ziele von Industrie 4.0 entsprechen im Wesentlichen denen der klassischen Ziele der produzierenden Industrie: Qualität, Kosten- und Zeiteffizienz, Ressourceneffizienz, Flexibilität, Wandlungsfähigkeit sowie Robustheit (oder Resilienz) in volatilen Märkten. Die Frage ist: Lassen sich die Ansätze mit vertretbarem Aufwand in die Praxis überführen? Ja, wie vier Anwendungsbeispiele zum Thema digitale Transformation in der Produktion und Logistik zeigen.

Digitale Planungs- und Produktionsprozesse bedürfen einer optimalen Verzahnung in die reale Welt der Produktion und des Engineerings. Hierzu sind folgende Punkte besonders erfolgskritisch:

  • Ein perfektes Zusammenspiel von Softwaresystemen für das Produktdesign und der Fertigungsautomation.
  • Eine optimale Abstimmung der Betriebs-, Maschinen- und Prozessketten ohne Schnittstellenbrüche beziehungsweise mit einem hohen Harmonisierungsgrad.
  • Eine reibungslose Kommunikation zwischen allen Systemen und Komponenten entlang der logistischen Wertschöpfungskette innerhalb eines Unternehmens oder einer Firmengruppe.

Auf dieser Basis lassen sich Einsparpotentiale realisieren, die bis zu 30 Prozent betragen können. Dabei profitieren oft alle Beteiligten entlang der Wertschöpfungskette: das Unternehmen, die Geschäftspartner, die Kunden, die Mitarbeiter und die Anwender.

Anwendungsbeispiel Medizintechnik: Losgröße 1

Losgröße 1 ist eines der Reizthemen im Rahmen der digitalen Transformation. Hierbei herrscht oft die Meinung vor, dass Losgröße 1 ein idealtypisches Ziel sei, das jedoch nicht wirklich zu realisieren sei. Die damit verbundenen hohen Kosten innerhalb der Etablierung stünden derartigen Vorhaben letztlich im Wege.

Ein Unternehmen aus der Medizintechnik entschied sich bei der Transformation klassischer Prozesse in die digitale Welt nicht dafür, mit den vorhandenen Daten bestmöglich digitale Prozesse zu entwickeln. Man entwickelte einen komplett neuen Ansatz ohne Berücksichtigung der etablierten Systeme, Regeln, Daten oder Ansichten.

Konkret ging es um die Entwicklung einer Methode zur Produktion von Kniegelenken, die im Vergleich zu klassischen Produktionsmethoden Kostenvorteile als auch für den Patienten Vorteile entlang des Heilungsprozesses bieten sollte. Die Entwicklung der Methode lässt sich zu folgenden drei Phasen verdichten:

  1. Problemanalyse mit exakter Formulierung der Anforderung als Analyseergebnis.
  2. Ableitung und Aufbau des hierzu notwendigen Datengerüsts.
  3. Konzeption, Entwicklung und Etablierung der Prozesse nebst den unterstützenden Systemen.

Ziel war es, individuelle Kniegelenke in Serie anstatt, wie sonst üblich, in einem gewissen Rastermaß (klein, mittel, groß) zu produzieren. Die Aufgabe des Arztes bestand darin, die Dimensionen des betreffenden Gelenks mit den Gegebenheiten beim Patienten zusammenzuführen. Dies führte in der Regel stets zu hohem Anpassungsaufwand und komplizierten Heilungsprozessen als Konsequenz dieser notwendigen Maßnahmen.

Die Vorteile bei der Produktion vollständig individualisierter Kniegelenke liegen für den Patienten im Vergleich zur zuvor erläuterten Methode auf der Hand: Notwendige Anpassungen durch den Arzt am Knochenbau reduzieren sich. Der damit verbundene Heilungsprozess beschleunigt sich.

Das innovative Produktionsverfahren

Seit es künstliche Kniegelenke gibt, werden individualisierte Kniegelenke von Spezialisten in Manufakturen hergestellt. Die Innovation beim besagten Unternehmen besteht darin, die Produkte industriell in einer Serienproduktion mit Losgröße 1 zu fertigen. So erhält man am Ende künstliche Kniegelenke, die maßgeschneidert und abgestimmt auf den betreffenden Patienten in einem Bruchteil der Produktionszeit einer Manufaktur vorliegen.

Wie funktioniert dieses Produktionsverfahren? Zunächst wird der Knochen des Patienten vermessen, so dass am Ende ein dreidimensionales Datenmodell des betreffenden Gelenks vorliegt. Hieraus wird ein Prothesenmodell realisiert. Damit lassen sich die Daten und der Produktionsprozess auf Basis des Testergebnisses auf Korrektheit prüfen, denn jeder einzelne Fertigungsprozess liefert ja individualisierte Produkte. Das heißt, eine Stichprobenprüfung würde den zugrundeliegenden Qualitätsanspruch nicht erfüllen können. Wenn die Ergebnisse den Anforderungen vollständig genügen, so wird die eigentliche Produktion durch das Einspielen der 3D-Daten in die CNC-Fräsmaschine begonnen. Das Produkt ist dann nach wenigen Stunden verfügbar.

Der hier beschriebene Ablauf wird über die Vernetzung verschiedener IT- und Anwendungssysteme aus den Bereichen 3D-Modellierung, PLM, Fertigungssteuerung und Fertigungsautomation umgesetzt.

Anwendungsbeispiel Küchenarmaturen: Integration von Pick-by-Voice

Auch wenn bei Industrie 4.0 die holistische Betrachtungsweise gilt, also die horizontale und vertikale Integration entlang der digitalen Transformation, zeigt das zweite Anwendungsbeispiel, dass nicht jeder Prozess und jede Organisationstruktur zwingend komplett neu erfunden werden müssen.

Für das europäische Logistikzentrum eines Anbieters hochwertiger Spülen und Küchenarmaturen mit einem zusätzlichen Sortiment an Abfallsystemen und Zubehör rund um die Spüle sind gemäß der Konzern-Leitlinien folgende strategische Prioritäten von besonderer Relevanz für die täglich anfallenden Geschäftsvorfälle:

  • Sicherstellung einer hohen Lieferbereitschaft, die aktuell aufkommende Bedarfe kurzfristig bedienen kann.
  • Etablierung einer Prozess-Exzellenz mit dem Ziel, Verantwortungs- und Qualitätsbewusstsein sowie Kunden-Aufmerksamkeit stetig zu verbessern.

Optimale Erfüllung der Kundenbedürfnisse durch integrierte IT

Für den Konzern ist letztlich die Qualität der alles entscheidende Faktor, dem alle anderen Ziele untergeordnet werden. Dieser Aspekt ist nicht Teil einer cleveren Marketingstrategie, sondern die gelebte Erkenntnis, ohne herausragende Produkt- und Servicequalitäten keine nachhaltigen Unternehmenserfolge zu generieren.

Ein zentraler Aspekt ist hierbei die optimale Erfüllung aller Kundenbedürfnisse mithilfe einer tief und optimal in die Geschäftsprozesse integrierten IT. Die IT-Landschaft ist sehr stark SAP-orientiert. Fast alle Systeme aus dem SAP-Portfolio residieren im Rechenzentrum, das mit den weltweit verteilten Standorten verbunden ist. Das heißt, dass in den Standorten jenseits der lokalen IT-Infrastruktur keine Serveranwendungen laufen. Hieraus ergeben sich relativ hohe Anforderungen an die Anbindung aller Niederlassungen, die ausnahmslos über Standleitungen realisiert ist. Heute aber ist der Online-Zugriff kostengünstiger. Ferner bietet diese Zugriffsart Vorteile gegenüber Abgleichs-, Replikations- und Puffer-Verfahren lokaler Daten-Silos, da letztere immer auf Kosten der Datenaktualität und Datenqualität gehen.

Anpassung der SAP-Anwendungslandschaft

Das Unternehmen scheut sich nicht vor umfassenden und tiefgreifenden Anpassungen der SAP-Anwendungslandschaft, die weit über triviale ABAP-Code-Änderungen hinausgehen. Auf dieser Basis realisierte die IT zusammen mit dem Logistik-Bereich eine Pick-by-Voice-Lösung mit dem Ziel der Optimierung von Rundgängen beziehungsweise Durchlaufszeiten, Mitarbeitereinsätzen und der Auslastung von Arbeitsplätzen entlang der Kommissionierungsprozesse.

Im Hintergrund arbeiten die SAP-Anwendungssysteme die Kommissionier-Aufträge auf, die aktuell vom Logistikzentrum bearbeitet werden müssen. Je nach Auftragsstruktur unterscheidet die Disposition zwischen drei wesentlichen Planungsarten, die sich im Grad der Planungsdetaillierung unterscheiden. Die Auftragsdaten werden dann vom Rechenzentrum an das Logistikzentrum und letztlich an den betreffenden Mitarbeiter aufs Headset übertragen. Eine Stimme übermittelt ihm die nächsten Arbeitsschritte, die nach der Umsetzung direkt via Headset von ihm quittiert werden. Diese Erfolgsmeldungen werden vom Logistikzentrum an das Rechenzentrum übermittelt, wobei die SAP-Anwendungen die Auftragsdaten aktualisieren und zeitgleich die Daten des nächsten Auftrags übermitteln. Die Dialoge, die Kommunikation und der Datenabgleich finden also stets online statt. Es werden keine wesentlichen Daten gepuffert.

Durch die umfangreiche Technologie-Integration wurde aber nicht Innovation um jeden Preis betrieben, sondern abgewogen, ob ein Einsatz neuer Technologien auch tatsächlich Optimierungspotenziale erschließt. So wird innerhalb des erläuterten Kommissionierungsablaufs auch mit einfachen Farbcodierungen gearbeitet, um Prozesse zu steuern. Innerhalb der SAP-Planung werden hierzu Aufträge, die einer Kommissioniergruppe angehören, farblich markiert. Das Pick-by-Voice-System informiert den Mitarbeiter per Arbeitsanweisung über die Codierung, die er mittels eines Magnetschildes in der entsprechenden Farbe an den Wagen anbringt. So kann innerhalb der Logistikprozesse auf einfache Weise die Wagengruppe erkannt und entsprechend behandelt werden.

Anwendungsbeispiel Glasproduktion: Integrative Automationslösungen

Im Rahmen von Industrie 4.0 kommen entlang der Wertschöpfungskette dem Produktdesign, der Produktionsplanung und dem Produktionsengineering eine besondere Bedeutung zu. Im Vergleich zu klassischen Produktionsmethoden sind hier Kostenanteile in Bezug auf die Gesamtkosten in der Produktion zunächst höher. Wenn aber in den genannten ersten Phasen innerhalb der Produktion optimal gearbeitet wird, so lassen sich in der anschließenden laufenden Produktion Vorteile im Vergleich zu klassischen Ansätzen realisieren.

In diesem Zusammenhang ist die hochintegrale Automation, die auf weitere Optimierungspotenziale innerhalb der Fertigungsautomation hinweist, besonders interessant. Für diesen Ansatz gibt es am Markt unterschiedliche Begriffe. Im Wesentlichen geht es darum, die Automation nicht nur innerhalb einer Hierarchieebene, sondern am besten über alle Ebenen – Unternehmensebene, Betriebsleitebene, Steuerungsebene und Feldebene – innerhalb eines Unternehmens zu etablieren (Totale Integration). Hierbei werden zwei Strategien verfolgt:

  • Weitere Steigerung der Leistungs- und Reaktionsfähigkeit durch Produktionsleitsysteme oder Manufacturing-Execution-Systeme.
  • Verbesserung der Produktionstransparenz durch weitere und leistungsfähigere Vernetzung, so dass das Top-Management direkt bis zur Produktionslinie in Echtzeit Daten einsehen und Änderungen vornehmen kann.

Hoher Automationsgrad und optimale Energieeffizienz

Ein Anwendungsbeispiel aus der Glasproduktion zeigt, wie eine flexible und intelligente Fertigung aussehen kann. In dem Produktionswerk wurde dabei bereits bei der Errichtung der Fertigungsstätte auf einen hohen Automationsgrad und optimale Energieeffizienz geachtet. Beide Aspekte bieten dem Anbieter von Glasprodukten entscheidende Wettbewerbsvorteile hinsichtlich der daraus ergebenden Kostenstrukturen am Markt. Deshalb wurden im Rahmen des Designs und des Aufbaus der Fertigungsanlage hochintegrative Automationslösungen und leistungsfähige Systeme zur Wärmerückgewinnung in Kombination mit einem umfassenden Energiemanagement installiert. Die Glasproduktion und alle Folgeprozesse, beginnend mit der Anlieferung der Rohstoffe über den Schmelzprozess bis zur Auslieferung, sind dabei vollständig automatisiert.

Damit die Anlage unterbrechungsfrei über das ganze Jahr produzieren kann, sind alle Systeme im Bereich der Automatisierung, des Energiemanagements, der Anlagen und der Antriebe miteinander vernetzt. Dabei liefern unzählige Sensoren entlang der Fertigungsstraße in Echtzeit alle relevanten Daten, so dass bei Abweichungen unmittelbar Korrekturen eingeleitet werden können, die sofort und ohne Zeitverlust von den betreffenden Systemen umgesetzt werden. So lassen sich die in der Planung ermittelten Kostenvorteile im laufenden Betrieb realisieren.

Anwendungsbeispiel 4: Simulation und 3D-Modell

Die Vernetzung von virtueller und realer Arbeitswelt gewinnt immer mehr an Bedeutung. Umso schwerer die zu fertigenden Produkte sind, umso dringlicher scheint die Umsetzung dieser Anforderung zu sein.

In diesem Anwendungsbeispiel geht es um die Fertigung einer 85 Tonnen schweren Präzisionsoptikmaschine, die Teleskopspiegel mit bis zu zwei Meter Durchmesser für die Weltraumforschung bearbeitet. Dabei müssen die von der Maschine durchgeführten Schleifprozesse eine Genauigkeit von 30 Nanometer aufweisen, wofür es eigens integrierte Messprozeduren gibt, die die geforderten engen Toleranzen am Produktionsende eines Spiegels sicherstellen.

Eine solche Optikmaschine lässt sich nicht mehr ohne vorausgehende umfassende Planung und Simulation erfolgreich produzieren. Zunächst wurde die Maschine in einem PLM-System mithilfe von CAD-Anwendungen konstruiert. Das Ergebnis ist eine virtuelle Maschine, die die Basis für die notwendigen Simulationen in der Folgephase darstellt. Die aus den Simulationen gewonnen Erkenntnisse führen zu weiteren Optimierungen am 3D-Modell. Die Iterationen zwischen CAD-Design und Simulation werden solange wiederholt, bis das Simulationsergebnis den mit dem Kunden abgestimmten Anforderungen genügt. Erst danach geht es in die eigentliche Einzelfertigung der Maschine.

Aber auch das fertige Produkt selbst verfügt über Industrie 4.0-Kompetenz. Auch hier kommt hochleistungsfähige Hardware sowie CAD-Software zum Einsatz, um in Kombination mit der integrierten Sensorik und komplexen Antriebskomponenten Spiegel mit den geforderten, geringen Toleranzwerten in deutlich reduzierter Durchlaufzeit zu schleifen. Damit können Astronauten noch schneller als bisher mit neuen Weltraumteleskopen bis zu 13,5 Milliarden Lichtjahre ins All blicken.

Fazit

Die Anwendungsbeispiele zeigen unterschiedliche Ansätze und auch Lösungen, wie digitale Transformation aussehen kann. Es gibt kein Patentrezept in dieser Disziplin. Wie findet man also gute Lösungen? Bei Projekten im Bereich Industrie 4.0 ist die holistische Betrachtungsweise ein zentraler Punkt. Denn jedes Detail in der Organisation oder in den Prozessen kann in Bezug auf die Machbarkeit und etwaige Risiken wichtig oder erfolgskritisch werden.

Bei allen avisierten Änderungen und Verbesserungsansätzen sollte stets der Nutzen hinterfragt werden. Dieser beschränkt sich aber nicht nur auf die Zeit und die Kostenreduktion. Auch detaillierte Informationen für den Kunden, bessere Serviceleistungen oder optimal auf das Anwendungsumfeld abgestimmte, intelligente Produkte sollten als mögliche Nutzenpotenziale bei einer Bewertung berücksichtigt werden.

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