Intelligente Fertigung: Die Antwort auf Anforderungen im Wandel

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„Warum Atome liefern, wenn man Bits übermitteln kann?“

Nicholas Negroponte, Mitbegründer des MIT Media Lab und erster Investor in das Magazin WIRED, stellte diese Frage 1995 in seinem Bestseller „Being Digital“. Damals konnte man in den 9.100 Filialen der Blockbuster-Videotheken noch Videokassetten („Atome“) ausleihen. Blockbuster gibt es nicht mehr, aber Netflix, das anfangs noch CDs per Post an seine Kunden schickte, konnte sich der Digitalisierung anpassen und ist durch Streamingdienste („Bits“) zu einem Unternehmen im Wert von 223 Milliarden US-Dollar geworden.

Dass auch Ihre Branche den Videokassetten in die Versenkung folgt, mag zwar unwahrscheinlich sein, aber die Pandemie zeigt uns, dass es jederzeit zu enormen Schwankungen in der Nachfrage nach Ihren Produkten kommen kann. Diese Schwankungen bringen auch die Notwendigkeit einer flexiblen Mischung aus digitalen und physischen Fähigkeiten mit sich, die mittlerweile eine Voraussetzung für den Erfolg ist.

Unabhängig davon, was Sie herstellen, muss alles in Ihrem Betrieb, was in jeglicher Form digitalisiert werden könnte, digitalisiert werden. Nur dann können Sie Bits intern und extern übermitteln und cyber-physische Systeme nutzen, um die Bits bei Bedarf und in der benötigten Menge in Atome umzuwandeln.

Laut dem National Institute for Standards and Technology (NIST) bestehen cyber-physische Systeme (CPS) aus miteinander interagierenden digitalen, analogen, physikalischen und menschlichen Komponenten, die durch integrierte Physik und Logik funktionsfähig gemacht werden. Diese Systeme bilden die Grundlage unserer wichtigen Infrastruktur, sind die Basis für neue und zukünftige intelligente Dienste und verbessern unsere Lebensqualität in vielen Bereichen.1 Die Grundlage von CPS bilden wiederum die Ingenieurtechnik (ET), die Betriebstechnik (OT) und die Informationstechnik (IT):

• ET ermöglicht die Entwicklung und Herstellung oder den Kauf der in Fabriken eingesetzten Geräte und Systeme.

• OT-Hardware und -Software erkennen oder bewirken Fertigungsanpassungen durch direkte Überwachung oder Steuerung von Anlagen, Abläufen und Ereignissen.

• IT-Software integriert die von den Fertigungssystemen generierten Daten in Ihre Geschäfts- und Finanzmanagement-Plattformen.

Doch wie lassen sich die daraus resultierenden Rechen- und Speicheranforderungen bewältigen? Netflix hat mehr als 100 Millionen Mitglieder weltweit, die täglich 125 Millionen Stunden Fernsehsendungen und Filme ansehen, und nutzt Amazon Web Services (AWS) für fast seinen gesamten Rechen- und Speicherbedarf. Dabei kommen mehr als 100.000 Serverinstanzen auf AWS zum Einsatz.2 Der Zugang zu elastischen Rechenressourcen bedeutet, dass Netflix seine IT-Hardwareanforderungen von Kapitalkosten zu Betriebsausgaben gemacht hat. Auch wenn Ihr IT-Bedarf vielleicht nicht so enorm ist wie der von Netflix, kann ein Cloud-Infrastruktur- und Plattformdienst dennoch notwendig sein.

Und Ihre Anforderungen an die Fertigungsausrüstung können womöglich von den Anbietern von 3D-Drucktechnologie und Druckunternehmen erfüllt werden, die Managed Services anbieten. Kunden nutzen die Dienste solcher Anbieter bei Kapazitätsengpässen und greifen auf die nötige Produktionselastizität zu, um das Defizit im 3D-Druck zu überwinden. Kritisch wird es jedoch dann, wenn die Bedingungen nicht vorhersehbar waren und sich negativ auf die Kunden auswirken. Intelligente Fertigung bietet die Möglichkeit, Ihre cyber-physischen Systeme so zu synthetisieren, dass sie Ihre Abläufe verbessern und Sie auf veränderte Angebots- und Nachfragefaktoren aufmerksam machen.

Was ist intelligente Fertigung?

Intelligente Fertigung, auch Smart Manufacturing genannt, ist die Verschmelzung technischer, betrieblicher und Informationstechnologien zur Erfassung, Analyse und Darstellung von Leistungsdaten für automatisierte oder menschliche Entscheidungen, die den sich wandelnden Bedingungen in Werkshallen, Lieferketten oder Märkten entsprechen.

Fertigungsunternehmen nutzen intelligente Fertigungstechnologien, indem sie cyber-physische Technologien einsetzen, um die betriebliche Agilität und Effizienz zu verbessern und gleichzeitig Innovationen freizusetzen. Die unter Zuhilfenahme künstlicher Intelligenz (KI) analysierten Echtzeitdaten über die Leistung Ihrer Systeme ermöglichen es Ihnen, Menschen, Produktionsprozesse und Lieferkettenressourcen optimal aufeinander abzustimmen. Die Analysefunktionen optimieren, gekoppelt mit einer konsolidierten Ansicht über Ihre Fertigungsanlagen, die globale Entscheidungsfindung.

Flexible Maschinen und Montageprozesse ermöglichen kurzfristige Entscheidungen darüber, wann, wo und wie viele Produkte herzustellen sind. Die Großserienproduktion mit Spezialmaschinen wie Spritzgussanlagen wird zwar nicht verschwinden, aber die Herstellung kleinerer Mengen und kundenspezifischer Produkte, die durch 3D-Druck ermöglicht wird, rückt zukünftig in den Vordergrund. Heineken beispielsweise nutzt 3D-Drucker, um kundenspezifische Sicherheits-, Wartungs- und Qualitätskontrollgeräte herzustellen, Ersatzteile zu drucken und seine Fertigungslinien zu optimieren. Eine intelligente Fertigungsplattform zeigt auf, wo Abläufe effizienter gestaltet werden, Kosten gesenkt und auf Nachfrageschwankungen reagiert werden kann.

Das Potenzial intelligenter Fertigung

Zweifellos ist Ihr Unternehmen bis zu einem gewissen Grad digitalisiert und nutzt CAD-Zeichnungen von Produkten und Teilen, digitale Stücklisten, Online-Bestellungen und vieles mehr. Aber wenn es um die Fertigung geht, ist die Software, die das Ganze steuert, oft nicht in die Unternehmensplattformen integriert. Das führt zu Ineffizienzen, die sich negativ auf den Zeit- und Kostenaufwand der Produktion auswirken. Die cyber-physikalische Integration intelligenter Fertigung hilft Ihnen, diese Einschränkungen zu überwinden.

Der Zugriff auf unschätzbare, relevante Produktionsdaten ermöglicht die Auswertung und Diagnose des Verhaltens und der Trends in Ihrer Fabrik in Echtzeit. Kombiniert mit flexiblen Produktionssystemen ergibt sich daraus eine agile Reaktionsfähigkeit der Fertigung, die anders nur schwer oder gar nicht zu erreichen wäre. Bei Augmented Reality werden zum Beispiel digitale Versionen von Geräten und Systemen auf dem Tablet oder dem Heads-up-Display eines Wartungsarbeiters angezeigt. Dem Arbeiter werden relevante Informationen, einschließlich Schritte zur Fehlerbehebung, angezeigt, wenn er ein Gerät betrachtet. In ähnlicher Weise ermöglicht 3D-Druck den schnellen Austausch defekter Teile, für die Ersatzteile entweder nicht existieren oder nicht ohne Weiteres verfügbar sind. Das defekte Teil wird gescannt, eine CAD-Datei wird erstellt und die wichtige Komponente kann mit einem 3D-Drucker hergestellt werden.

Diese Vorteile erstrecken sich nicht nur auf die Fertigung, sondern auch auf die Entwicklung neuer Produkte und die Zeit bis zur Markteinführung. Die Smart Manufacturing Leadership Coalition stellte in intelligenten Fabriken eine 75-prozentige Senkung der Kosten für die Implementierung von Modellierung und Simulation und eine 40-prozentige Reduzierung der Zykluszeiten fest.4 Digitalisierung ist der Schlüssel zur Verbesserung Ihrer physischen Produktionsprozesse.

Intelligente Fertigung wird durch so genannte „digitale Zwillinge“ ermöglicht, die Maschinen und Produktionsprozesse verwalten, überwachen und am Laufen halten. Digitale Zwillinge sind eine Simulation des physischen und digitalen Verhaltens Ihrer Fertigungsabläufe, einschließlich der Maschinen- und Produktleistung, der Bedienerleistung, der Qualitätsziele und -ergebnisse, der Einhaltung von Sicherheitsvorschriften, der Terminplanung und der Auslastung. Aaron Frankel, Vice President für Additive Manufacturing bei Siemens, merkt an, dass ein umfassender digitaler Zwilling bei Entwurf, Durchführung und Optimierung der Fertigungsumgebung von Vorteil ist:

• Produkt (Designelemente einschließlich mechanischer, elektronischer und Software-Elemente)

• Fertigungsprozess (Darstellung der einzelnen Schritte, Montagepläne für Hauptkomponenten)

• Produktionssystem und -linie (Stückliste, Layout)

• Produktionsbetrieb (technisches Paket zur Verwaltung der Produktion von Baugruppen und Unterbaugruppen)

• Produktleistung (um nachzuvollziehen, wie sich der Artikel in seiner Betriebsumgebung bewährt hat)

Ein umfassender digitaler Zwilling erleichtert Ihnen die Analyse der aktuellen Systeme und optimiert diese Abläufe, um zukünftige Marktanforderungen zu antizipieren.

Hindernisse der intelligenten Fertigung

Digitalisierung ist in allen Branchen wichtig, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und in anderen Bereichen, in denen es auf höchste Präzision und eine niedrige Fehlerquote ankommt. Prozesszertifizierungen, Testergebnisse und Rückverfolgbarkeit der Produkte müssen dem Kunden heute zur Verfügung gestellt werden und auch noch Jahre oder gar Jahrzehnte später verfügbar sein, unabhängig davon, ob sie mit konventionellen oder 3D-Drucktechnologien hergestellt wurden. Künstliche Intelligenz sollte bei der Analyse des aktuellen Zustands Ihres Betriebs zum Einsatz kommen, und wenn es darum geht, Daten zu katalogisieren und später bei Nachbestellungen oder zum Zwecke der Produktrückverfolgung abzurufen.

Doch wie Sie vermutlich selbst wissen, werden die Systeme im Fertigungsbereich nicht so häufig modernisiert. Betriebsleiter sind von Natur aus risikoscheu – und das zu Recht, da sie den Ablauf, mit dem Produkte zu akzeptablen Kosten und in akzeptabler Qualität produziert werden, nur ungern stören wollen. Es stehen nur begrenzte Mittel zur Verfügung, um in etwas anderes als Produktionsanlagen zu investieren. Das behindert die Implementierung einer intelligenten Fertigungsplattform. Das Ergebnis ist eine Mischung aus Maschinen, die mit proprietären, oft inkompatiblen Datensätzen und Formaten funktionieren. Eine erfolgreiche Implementierung intelligenter Fertigung erfordert jedoch einen strategischen Blick nach vorn und eine Investition in das gesamte Unternehmen und die Lieferkette.

Ein erhebliches potenzielles Hindernis besteht häufig darin, dass die dazu nötige Plattform Unmengen an Daten nutzt, die präzise integriert, verwaltet und zeitnah an verschiedenen Stellen ausgetauscht werden müssen. In vielen Fertigungsunternehmen nutzen die einzelnen Geschäftsbereiche jedoch häufig unterschiedliche Systeme, die womöglich nicht miteinander zu vereinbaren sind. Diese Systeme, die nicht schnell oder gut genug miteinander kommunizieren, unter einen Hut zu bringen, ist eine schwierige, oft unternehmenspolitische Aufgabe, die für den Erfolg Ihrer intelligenten Fertigungslösung jedoch unabdingbar ist.

Empfehlungen

Fünfundzwanzig Jahre nach Nicholas Negropontes bahnbrechender Arbeit ist die Digitalisierung auch im Fertigungsbereich angekommen. Nehmen Sie sich die folgenden Empfehlungen zu Herzen, um dafür zu sorgen, dass Ihr Unternehmen von der Digitalisierung profitiert:

• Überprüfen Sie Ihre digitalen, physischen und menschlichen Systeme, um festzustellen, ob sie alle umfassenden Echtzeitinformationen generieren, die für eine reaktionsfähige Fertigung erforderlich sind.

• Vereinfachen Sie durch den Einsatz künstlicher Intelligenz komplexe Datenmengen und generieren Sie aussagekräftige Analysen, die Echtzeit- und strategische Entscheidungen unterstützen.

• Entwickeln Sie eine agile, anpassungsfähige Fertigung, indem Sie flexible digitale Systeme und physische Prozesse zunächst an einem einzelnen Fließband oder innerhalb einer Fertigungshalle testen, bevor Sie sie auf den Rest der Fertigung ausweiten.

• Implementieren Sie eine intelligente Fertigungsplattform, die Liefer- und Produktionsanforderungen mit einer agilen Fertigung kombiniert und auch 3D-Druck einsetzt, um flexibel auf spezifische Kundenwünsche reagieren zu können.

1. National Institute of Standards and Technology, US-Handelsministerium, https://www.nist.gov/el/cyber-physical-systems

2. Netflix auf AWS, https://aws.amazon.com/solutions/case-studies/netflix/

3. „How the Smart Factory Can Make Your Shop Floor Smarter“, https://www.ey.com/en_gl/alliances/how-the-smart-factory-can-make-your-shop-floor-smarter

4. „Smart Manufacturing Leadership Coalition“, https://smartmanufacturingleadershipcoalition.org

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