Digitale Wirtschaft: Logik des Lego-Prinzips

Produkt und Maschine werden intelligent und kommunizieren miteinander. Industrie 4.0 heißt das neue Konzept, das die vierte industrielle Revolution einläuten soll – was aber steckt konkret hinter dieser Idee?

In Zukunft müssen Fabriken also mobil und vernetzt sein.

Vierte industrielle Revolution

Schöne neue Produktionswelt: Die leere Plastikflasche kontaktiert den Roboter und der weiß danach sofort, wie viel von welcher Reinigungsflüssigkeit abgefüllt werden muss. Darüber hinaus findet er auch noch schnell den passenden Deckel, fertig ist der Seifenspender. Und dank der allgegenwärtigen RFID-Chips kann das so entstandene Produkt sogar nachvollziehen, wer es in Auftrag gegeben hat und wohin anschließend die Reise geht. Was so einfach aussieht, ist in Wirklichkeit aber der erste Schritt auf dem Weg zu einer voll funktionierenden Smart Factory. Vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserlautern ins Leben gerufen, ist sie Teil einer Entwicklung, die Experten bereits als die vierte industrielle Revolution bezeichnen oder einfach nur Industrie 4.0.

Fabriken als soziale Netzwerke

Nach der Einführung der Dampfmaschine, der Fließbandproduktion sowie der Eroberung der Welt durch Computer und Internet folgt nun also die nächste große Umwälzung. Dahinter steckt die Idee, dass in modernen Fabriken Produkte, Maschinen und Menschen wie in einem sozialen Netzwerk miteinander in Verbindung stehen, sich gegenseitig ihre Daten mitteilen und dann bestimmen, was gemacht werden soll. Objekte werden durch ihre Programmierbarkeit, Speicherkapazitäten sowie Sensoren- und Kommunikationstechnik intelligent und können dann via Internet durch eine Art Maschine-zu-Maschine-Kommunikation eigenständig Informationen austauschen, Arbeitsprozesse einleiten und sich gegenseitig steuern - kurzum, die Trennung zwischen realer und virtueller Welt wird aufgehoben. In diesem Internet der Dinge organisieren die Produkte der Zukunft ihre Herstellung selbst.

Paradigmenwechsel in der Produktion

„Smart Homes haben uns vor fast zehn Jahren auf den Plan gebracht“, erinnert sich Detlef Zühlke. „Wir dachten, dass sich das Konzept einer Vernetzung der verschiedenen Haushaltsgeräte und Gebäudefunktionen doch auch auf den Produktionsbereich übertragen lassen müsste“, so der Professor im Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der Technischen Universität Kaiserlautern und Leiter des Forschungsbereichs Innovative Fabriksysteme am DFKI. Die Idee zur Smart Factory war geboren. Doch während die Smart Homes und der immer wieder auf Elektronikmessen gezeigte Kühlschrank mit Internetanschluss irgendwie nicht aus den Startlöchern kommen, sieht es beim Thema Smart Factory völlig anders aus. „Industrie 4.0 wird zweifellos einen Paradigmenwechsel in der Produktion einläuten“, glaubt Zühlke. „Denn im Unterschied zu den Smart Homes gibt es nicht nur auf der Anbieterseite ein Rieseninteresse, sondern diesmal viel stärker noch auf der Nutzerseite und das hat ganz konkrete Gründe.“

Reaktionen in Echtzeit

Die deutsche Industrie steht durch die Konkurrenz auf den Weltmärkten unter enormen Druck. Folgerichtig stoßen Konzepte, die eine Steigerung der Flexibilität und der Produktivität von Herstellungsverfahren versprechen, auf offene Ohren. „Ohne neue Ansätze wird es ansonsten schwierig, die ständig kürzer werdenden Lebenszyklen von Produkten und ihre zunehmende Individualisierung zu managen“, so Zühlke weiter. Der große Vorteil der Smart Factory: Ihre Produktionsanlagen können quasi in Echtzeit auf Veränderungen des Marktumfelds oder innerhalb der Wertschöpfungskette reagieren. Dadurch lässt sich ebenfalls der Umgang mit Ressourcen deutlich effizienter gestalten. „Das ist für kleine und mittelständische Unternehmen gleichermaßen interessant wie für große Konzerne.“ In Zukunft müssen Fabriken also mobil und vernetzt sein.

Industrie vor massiven Effizienzsteigerungen

In welchem Maße die Produktivität dadurch verbessert werden kann, hat jüngst die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (Acatech) ausgerechnet, und sie beziffert das Potenzial mit satten 30 Prozent. Industrie 4.0 bietet daher eine historische Chance für den Standort Deutschland. Doch auch industrielle Revolutionen sind nicht zum Nulltarif zu haben. Eine vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) im Auftrag des Branchenverbands BITKOM erstellte Studie nennt die Zahl von 130 Milliarden Euro an Investitionen in die Netz-Infrastruktur, die notwendig seien, um das Internet der Dinge Realität werden zu lassen. Dafür aber würden sich die positiven gesamtwirtschaftlichen Effekte innerhalb von zehn Jahren auf die stattliche Summe von 336 Milliarden Euro addieren, heißt es darin ferner.

Kompatibel wie Lego-Steine

Doch ohne Standardisierung und Kompatibilität keine Smart Factory, glaubt Professor Zühlke. „Ich vergleiche das gerne mit Lego-Steinen.“ Ein Bauklotz von 1973 ist auch mit einem aus dem Jahr 2013 noch problemlos kombinierbar. „Genau das sollte Software ebenfalls leisten können.“ Standards müssen langfristig mit einem Blick in die Zukunft entwickelt werden. „Ist dies nicht der Fall, sind auch die Daten eines Unternehmens irgendwann nicht mehr verwertbar“, gibt Axel Sikora zu bedenken. „Das gilt für alle Bereiche der Organisation“, so der Professor für Embedded Systems und Kommunikationselektronik an der Hochschule Offenburg. Entwicklung und Anwendung der Technologien allein reichen nicht aus. Vielmehr sind das reibungslose Zusammenspiel und die intelligente Interaktion zwischen Datenquellen, Anlagen und Produkten erfolgsentscheidend. Die besondere Herausforderung neben dieser schon ohnehin komplexen und vertikalen Integration entsteht aus der zusätzlichen zeitlichen Dimension. Eine Anlage, die im Jahr 2013 installiert wird, muss auch noch im Jahr 2020 und wahrscheinlich darüber hinaus – in der Lage sein, mit ihren Partnern zu kommunizieren. Aber die Fähigkeit des gegenseitigen Verstehens ist nicht nur für die Maschinen eine Voraussetzung, sondern ebenfalls für die Ingenieure. Maschinenbauer, Elektrotechniker und Informatiker müssen eine gemeinsame Sprache sprechen.

Cloud hilft bei der Umsetzung

Die dank Industrie 4.0 omnipräsenten Sensoren, RFID-Chips, aber auch die zum Einsatz kommenden GPS-Systeme und Smartphones erzeugen Unmengen von Daten, die die vorhandenen IT-Systeme der Unternehmen rasch an ihre Grenzen bringen können. „Nur die Cloud ist in der Lage, ausreichende Speicherkapazitäten wirtschaftlich zur Verfügung zu stellen“, sagt Professor Bauernhansl von der Uni Stuttgart. „Gerade Mittelständler erhalten so die Möglichkeit, zusätzliche Rechenleistung zu einem Preis anzumieten, die sie sich ansonsten gar nicht leisten könnten. Zudem eröffnen sich ganz neue Geschäftsperspektiven.“ Beispielsweise kann ein Maschinenbauer einem Kunden neue und individualisierte Dienstleistungen anbieten, wenn dieser seine Nutzerdaten in der Cloud ablegt und ihm frei zur Verfügung stellt.

Sicherheit erfolgsentscheidend

Doch dafür müssen Mittelständler an der Sicherheit ihrer IT feilen. Bisher wurde unter IT-Sicherheit vornehmlich die Abwehr der eigenen Anlagen, Steuerung und Hardware gegen den Zugriff von außen betrachtet. Doch nun zirkulieren Statusmeldungen, Anforderungen von Rohstoffen, Informationen über den Energieverbrauch oder sogar relevante Konstruktionsdaten in einem wesentlich höheren Maße im Netz. Wenn diese nicht ausreichend geschützt werden, dann ist die schöne neue Produktionswelt schnell in Gefahr und die vierte industrielle Revolution scheitert bevor sie richtig begonnen hat.

Maschinenbau: Auf Wachstum programmiert

Die chinesischen Maschinenbauer mögen weltweit extrem erfolgreich sein - die technischen Standards der Branche kommen hingegen nach wie vor aus Deutschland. Und die Hersteller zeigen keinerlei Anzeichen, dass sie sich auf Ihren Lorbeeren ausruhen wollen.

Internationale Vorzeigebranche

Der Maschinenbau bleibt weiterhin die Vorzeigeindustrie der deutschen Wirtschaft. Dank seiner internationalen Ausrichtung sowie einer breiten Produktpalette eilt die Branche von Rekord zu Rekord und eine Rezession ist nicht in Sicht. Während in anderen Branchen wie der Stahl- oder Automobilindustrie aufgrund der Eurokrise und der wirtschaftlichen Turbulenzen in vielen Regionen dieser Welt die Konjunkturskepsis erneut steigt, blickt der deutsche Maschinenbau auch weiterhin optimistisch in die Zukunft.

Die ungebremste Innovationskraft sowie der hohe Grad der Internationalisierung sorgen dafür, dass die Erfolgsgeschichte fortgeschrieben wird.

Größter Arbeitgeber in Deutschland

Der konjunkturelle Einbruch im Jahr 2009 scheint schon fast vergessen. In den beiden Folgejahren ging es in Sachen Produktion mit einem Plus von 9 und 12 Prozent geradezu stürmisch aufwärts. Und auch das Jahr 2012 lief besser als anfangs noch erwartet. Am Ende konnte ein Anstieg von beachtlichen 2 Prozent verzeichnet werden. Der Umsatz der gesamten Maschinenbauindustrie betrug im Jahr 2012 rund 207 Milliarden Euro und befindet sich damit annähernd wieder auf dem Niveau des Rekordjahres 2008. Zudem ist man mit 978.000 Beschäftigten noch vor der Elektrotechnik und den Fahrzeugherstellern der größte Arbeitgeber in Deutschland.

Weltweite Spitze

Die ungebremste Innovationskraft sowie der hohe Grad der Internationalisierung sorgen dafür, dass die Erfolgsgeschichte fortgeschrieben wird. Denn trotz eines sich erneut langsam eintrübenden konjunkturellen Umfelds rechnet der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) auch in diesem Jahr mit einem Produktionsplus von 2 Prozent. Fast die Hälfte aller VDMA-Mitgliedsunternehmen blickt ausgesprochen optimistisch in die Zukunft und glaubt, dass sie in fünf Jahren besser dastehen werden als heute, so das Resultat einer aktuellen Umfrage des Verbandes. Auch allgemein herrscht in der Branche ein äußerst gesundes Selbstvertrauen vor. So betrachtet sich knapp ein Fünftel der Befragten als Weltmarktführer, weitere 43 Prozent sehen sich unter den Top-Fünf in ihrem Segment.

Maschinenbau weltweit im Aufwind

Auf jeden Fall war 2012 für die Maschinenbauer auf der ganzen Welt ein Jahr der Superlative. Um satte 10 Prozent stiegen die Erlöse auf 2,25 Billionen Euro. Zum Vergleich: Das Bruttoinlandsprodukt der gesamten Bundesrepublik hat ein Volumen von knapp 2,6 Billionen Euro. Gemessen an den Erlösen nimmt China den ersten Platz unter den Maschinenbaunationen ein. Doch wenn es um die Exporte geht, ist Deutschland Weltmeister. Über drei Viertel der Produktion hierzulande geht ins Ausland. 2012 führte die Branche Waren im Wert von 149,4 Milliarden Euro aus und stellte damit einen neuen Rekord auf. Dies überrascht umso mehr, weil gerade im wichtigen Wachstumsmarkt China der Import von Maschinen und Anlagen „Made in Germany“ um 9,6 Prozent zurückging. Auch die Lieferungen nach Indien, Brasilien und in den krisengeschüttelten Mittelmeerraum fielen deutlich geringer aus als im Vorjahr.

Chinesische Konkurrenz schläft nicht

All das konnte aber durch die überproportional gestiegene Nachfrage in Nordamerika, Russland, Australien-Ozeanien sowie den ASEAN- und OPEC-Staaten mehr als nur aufgefangen werden. Doch die Konkurrenz schläft nicht. Bereits heute haben chinesische Maschinenbauer in sechs Fachzweigen weltweit eine führende Position. Zum Vergleich: Deutschland befindet sich mit 15 Fachzweigen bei der Ausfuhr noch an erster Stelle. Darüber hinaus wächst die Zahl der Akquisitionen aus der Volksrepublik in der deutschen Schlüsselindustrie. Auch ein Ende der Einkaufstour chinesischer Unternehmen scheint nicht in Sicht. Die Erschließung neuer regionaler Märkte und die intensive Pflege bestehender Kundenbeziehungen im Ausland stehen bei den deutschen Maschinenbauern daher ganz oben auf der Agenda.

Aber: große Unterschiede innerhalb der Branche

Doch nicht allen Teilbereichen im Maschinenbau geht es gleich gut. Während die Hersteller von Werkzeug- oder Bekleidungsmaschinen von der Dynamik auf den Märkten überdurchschnittlich profitieren konnten, sieht es bei anderen wie beispielsweise den Druckmaschinenbauern deutlich schlechter aus. Laut VDMA liegen in der Branche deshalb Licht und Schatten eng beieinander: In den verschiedenen Zweigen des Maschinenbaus reichen die Veränderungsraten im Vergleich zum Vorjahr von einem Plus von 27 Prozent bis hin zu einem Minus von ebenfalls 27 Prozent. Zudem bedrohen die immer rascheren Konjunkturschwankungen langfristig die Existenz vieler Unternehmen. Auf- und Abschwung liegen heute oft nur noch zwei oder drei Jahre auseinander. Maschinenbauer sind diesen Turbulenzen jedoch besonders stark ausgesetzt, weil die Investitionen in neue Anlagen in einer Rezessionsphase in einem weitaus höheren Maße zurückgefahren werden als die Gesamtnachfrage. Dann geht nicht wenigen die Puste aus. Selbst traditionsreiche Firmen unterbrechen wichtige Entwicklungsprozesse und gefährden auf diese Weise ihren Innovationsvorsprung.

„Mensch übernimmt höherwertige Wertschöpfungsaufgaben“

Interview mit Prof. Dr-Ing. Thomas Bauernhansl, Leiter des Instituts für industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart.

Die so genannte Smart Factory steht im Mittelpunkt der vierten industriellen Revolution. Wie habe ich mir diese Fabrik der Zukunft konkret vorzustellen?

Prof. BauernhanslDie Grundidee der Smart Factory besteht darin, alle an den Produktionsprozessen beteiligten Objekte mit Kommunikationsfähigkeit und Intelligenz auszustatten und sie miteinander zu vernetzen. Aber auch das auf diese Weise entstandene Produkt sollte alle wichtigen Informationen in sich tragen und beispielsweise in der Lage sein, diese an den Lieferanten zu kommunizieren. Diese Vernetzung von physischen Objekten ist das Prinzip des Internets der Dinge.

In einer Smart Factory kommunizieren Maschinen und Produkte wie in einem sozialen Netzwerk miteinander. Welche Rolle nimmt in diesem Kontext da noch der Mensch ein?

Prof. BauernhanslDas Internet der Dinge bedeutet keinesfalls, dass eines Tages Menschen nicht mehr an den Produktionsprozessen beteiligt sein werden. Doch anders als zuvor greift er nicht mehr selbst in die Abläufe ein, sondern gestaltet in allererster Linie die Rahmenbedingungen. Dies ist eher mit der Rolle eines Dirigenten zu vergleichen. Der Mensch übernimmt nur noch einzelne, dafür aber deutlich höherwertige Wertschöpfungsaufgaben.

Vernetzung und Intelligenz verleihen der Interaktion in der Fabrik eine ganz neue Basis und verbessern somit die Wettbewerbsfähigkeit eines Hochlohnlands wie Deutschland.
Professor Thomas Bauernhansl

Ist das Konzept der Smart Factory auch für den Mittelstand interessant?

Prof. BauernhanslFlexibilität sowie der sehr sparsame Umgang mit Ressourcen sind die großen Themen in der Produktion. Zugleich wird das Umfeld einer Fabrik immer komplexer und kleinteiliger. Die Smart Factory scheint der einzige gangbare Weg zu sein, diesen Herausforderungen sinnvoll zu begegnen. Das betrifft große Unternehmen genauso wie den Mittelstand.

Flexibilität und ein schonender Umgang mit Ressourcen werden immer wieder als Argumente genannt, wenn es um die Smart Factory geht. Bedeutet das die Renaissance der industriellen Produktion in Europa?

Prof. BauernhanslDas Konzept der Smart Factory hat weniger die reine Massenproduktion im Blick. Diese wird auch in Zukunft wohl ausschließlich in Fernost stattfinden. Im Vordergrund steht vor allem die Produktion variantenreicher und hochkomplexer Güter mit vielen Bauteilen. Vernetzung und Intelligenz verleihen der Interaktion in der Fabrik eine ganz neue Basis und verbessern somit die Wettbewerbsfähigkeit eines Hochlohnlands wie Deutschland. Schon heute nutzt die Automobilindustrie RFID-Chips, in denen die Identität des Fahrzeugs abgespeichert ist und an jeder Station entlang der Wertschöpfungskette lässt sich erkennen, welcher Auftrag gerade vorliegt. Das ist der erste Schritt Richtung cyber-physische Systeme.

Wie muss sich die Organisation eines Unternehmens verändern?

Prof. BauernhanslEine reibungslose Maschine-zu-Maschine-Kommunikation funktioniert nur, wenn die IT-Strukturen entsprechend ausgerichtet sind. Dabei wird die klassische IT-Abteilung, die Maßnahmen im Alleingang einfach nur implementiert und steuert, wohl bald der Vergangenheit angehören. Denn das Konzept einer Smart Factory betrifft ausnahmslos alle Hierarchieebenen eines Unternehmens. Entsprechend müssen sich diese öffnen und für relevante Prozesse durchlässig sein.

Welche Auswirkungen hat die vierte industrielle Revolution auf die IT?

Prof. BauernhanslDie IT wie wir sie heute kennen, steht vor gravierenden Umwälzungen. Noch haben die großen Softwareentwickler zumeist rein monolithische Systeme im Angebot. Sie erfordern im Regelfall einen sehr hohen Investitions- und Pflegeaufwand, den sich oftmals aber nur große Unternehmen leisten können. Zudem beinhalten die gängigen Standardangebote eine Fülle von Funktionen, die vielleicht nur zu einem Teil wirklich gebraucht werden. In Zukunft werden sich kleine Applikationen mit hoher Funktionalität durchsetzen. Doch funktioniert das nur, wenn auch massiv an der Standardisierung gearbeitet wird.

Wie ist es um die Sicherheit einer Smart Factory bestellt? Ist ein derart vernetztes System nicht besonders anfällig für Angriffe von außen?

Prof. BauernhanslDie Vernetzung stellt zweifellos völlig neue Anforderungen an die Sicherheit. Wichtige Daten müssen dezentral gesichert werden und dafür eignet sich allein die Cloud. Deshalb kommt niemand an dieser Technologie vorbei. Trotzdem muss die Sicherheit kontinuierlich verbessert werden, um ein Höchstmaß an Vertrauen zu schaffen. Das Fraunhofer-IPA befasst sich deshalb gerade ganz konkret mit dem Projekt eines Virtual Fort Knox, das in enger Kooperation mit der Industrie, unter anderem mit Hewlett-Packard sowie mittelständischen Unternehmen, eine sichere Cloud-basierte Plattform vorsieht.

Zur Person

...(43) leitet seit 2011 das Institut für industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart und des Frauenhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart. Seit Ende 2012 ist er zudem Leiter des Instituts für Energieeffizienz in der Produktion (EEP) der Universität Stuttgart. Professor Bauernhansl war unter anderem für die fachliche Führung der Produktion bei der Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik GmbH & Co. KG verantwortlich. Außerdem war er bei der Freudenberg Anlagen- und Werkzeugtechnik GmbH fünf Jahre als Geschäftsführer tätig. Er studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen mit dem Schwerpunkt Fertigungstechnik.

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