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Metallumformung 4.0

August 2016 — Künstliche Intelligenz, Smart Factory, Big Data: Schlagwörter wie diese motivieren die Industrie zu ungeahnter Innovation. Produktionsabläufe werden selbstlernend, ganze Fabriken ferngesteuert per Cloud. Gestern noch Science-Fiction, bis 2025 womöglich Realität: ein erster Überblick.  

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Das Internet der Dinge oder auch „Internet of Things“ (IoT) wurde begrifflich 1999 erstmals geprägt. Die darunter liegende Vision reicht zurück bis 1991. IoT bezeichnet die Verknüpfung realer, physischer Werkstücke mit einem virtuellen - via Internet - vernetztem Abbild. Grundlage ist die Identifikation des „Dings“. Einprägsames Beispiel ist die heute selbstverständliche Paketverfolgung der Kurier-Express-Paket-Dienste (KEP). Sender, Empfänger sowie KEP-Dienstleister wissen jederzeit, wo sich das Paket befindet. Ist der Empfänger zum errechneten Zeitpunkt nicht zu Hause, kann er das Paket via Internet umleiten oder verzögern. Dieses relativ einfache System basiert auf eindeutiger Identifizierbarkeit des „Dings“. Jedoch bedingt es weiterhin menschliche Interaktion.

Das Umformen von Metall ist ein erheblich komplexerer Prozess: angefangen von der Vorbehandlung über die einzelnen Stadien bis zur dahinter folgenden Logistikkette. Während die Verfolgbarkeit des Umformstücks keine allzu große Schwierigkeit darstellt, so ist doch ein fertigungsbezogener Soll-Ist-Abgleich wesentlich herausfordernder.

Hinter dem Hype um Big Data steckt ein vernünftiger Ansatz: das Niederreißen von Inselwissen und Wandlung hin zu einem großen, gemeinsam genutzten „Datenmeer“. So lassen sich die Daten besser und umfassender auswerten, neue Tendenzen oder neue Geschäftsfelder erkennen oder auch eine 360-Grad-Sicht auf den einzelnen Kunden und seine Bedürfnisse entwickeln. Big Data generiert Potenziale zur Verbesserung bestehender geschäftlicher Prozesse in allen Funktionsbereichen eines Unternehmens. Schwerpunkte liegen vor allem aber in den Bereichen der Technologieentwicklung, der IT und des Marketings.

Amazon spielt bereits mit seinem riesigen Wissensschatz: mit „Predective Shipping“ (vorhergesagter Versand) versendet das Unternehmen Ware zum Kunden, bevor dieser überhaupt gekauft hat. So sollen sich die Lieferzeiten weiter verkürzen lassen.

Auch die sensorgestützte Datenerfassung des Soll-Ist-Vergleichs fließt in den Datenpool des Big Data mit ein. Durch ständige Optimierung und Weiterentwicklung der Technologien und Prozesse wird es in der intelligenten Fabrik zu deutlich weniger Problemen und damit auch zu deutlich weniger Stillstand kommen. Vorausgesetzt ein selbstlernender – auch von Menschen unabhängiger und robuster Prozess – wird implementiert, der über die Cloud oder cloudähnliche Dienste ferngewartet oder -gesteuert werden kann.

Viele Betriebe aber sehen die Cloud und cloudbasierte Dienste skeptisch. Sie haben Bedenken bezüglich Datenschutz, Geheimhaltung und Ausfallsicherheit. Standen früher bei einem Internetausfall die Firmen erst nach einem Tag still, sind es in einer hochvernetzten Smart Factory nur noch 90 min.

Big Data, Cloud, Smart Factory

Die Fabrik von morgen heißt Smart Factory. Diese intelligente Fertigungsstätte ist die konkrete Umsetzung einer Produktionsumgebung, in der sich die einzelnen Fertigungsanlagen ohne menschlichen Eingriff selbst organisieren. Der Arbeiter übernimmt zukünftig die Überwachungs- und Wartungsfunktion. Statt in Chargen zu produzieren, kann die Produktion flexibel Kundenbedürfnissen angepasst werden. Während des laufenden Großauftrages kann auf Anforderung ein einzelnes Teil gemäß individueller Spezifikation mitlaufen. Grundlage sind cyber-physische Systeme, die das Werkstück und die Fertigungsanlage vernetzen und über das Internet untereinander kommunizieren. Hierzu sind standardisierte Abläufe und Schnittstellen notwendig. Auch die Zulieferer müssen auf diese Standards geeicht werden.

In der Umformtechnik steht vor dem eigentlichen Prozess die Vorbehandlung des Werkstücks. Identische Anlagen mit gleicher Chemie müssen dabei nicht ein identisches Ergebnis liefern. Die Standardisierung innerhalb der Smart Factory soll helfen, hier Fehler zu vermeiden. Dazu wäre es im ersten Schritt notwendig, die Prozessstufen zu reduzieren und auf die jeweiligen Gegebenheiten der Anlage zu adaptieren. Ohne diese Reduktion wird es kaum gelingen, eine vollständig autarke und autonome Smart Factory zu errichten. Je nach verwendeter Chemie kann beispielsweise eine Reduktion auf zwei bis fünf Stufen möglich sein bei einer Zeitersparnis von bis zu 50 min.

Generative Fertigungsverfahren

Immer wieder wird über Fortschritte bei 3D-Druckern berichtet. So gelang es Mai 2013 der Firma Defence Distributed eine funktionsfähige Schusswaffe zu entwickeln, die per 3D-Drucker herstellbar ist. Im gleichen Jahr veröffentlichte der US-amerikanische Autor und Internetpionier Chris Anderson sein Buch über die „Maker-Bewegung“, die intensiv die 3D-Drucktechnik nutzt. Hierin skizziert Anderson die „Demokratisierung der Produktionsmittel“, also die industrielle Einzelteilfertigung für Heimanwender.

Typische Werkstoffe im 3D-Druck sind Kunststoffe, Keramiken oder Kunstharze – und mittlerweile auch Metalle. Bereits heute schon lassen sich kostengünstig und schnell Prototypen mit 3D-Druckern herstellen, besonders in den Bereichen Automobilbau, Maschinenbau und Architektur. In den Bereichen Luft- und Raumfahrtindustrie, Medizin- und Zahntechnik sowie Verpackungsindustrie jedoch wird diese spannende Technik bereits in der Serienfertigung genutzt: Elon Musks Raumfahrtunternehmen Space X fertigt die kleinen Super Draco-Raketentriebwerke mittels 3D-Drucker. Ob und wie 3D-Drucker in der Umformtechnik die Serienfertigung ergänzen können, hängt von der weiteren technischen Entwicklung ab. Einer der Hersteller für 3D-Metalldrucker – Additive Industries – hat sich große Ziele gesetzt: Künftig sollen 50 % der Teile des Airbus A350 aus 3D-Druckern stammen. Heute schon sind es über 1000 Einzelteile.

Datenbrillen und Augmented Reality

So spannend wie der Vernetzung der „Dinge“ mit dem Internet sind: Eine Technik sticht besonders hervor und ist seit Jahrzehnten in der Science-Fiction-Literatur unterschiedlich verhandelt worden: Datenbrillen – und einen Schritt weiter gedacht – die virtuelle Realität. Deutsche Marktführer wie Volkswagen setzen konsequent wie die bereits genannten US-Unternehmen auf die Digitalisierung und das Internet der Dinge und nutzen auch die Vorteile der Datenbrillen oder Smart Glases. So werden im Lager in Wolfsburg die Kommissionierer testweise von Datenbrillen unterstützt. Mit einer Minikamera ausgestattet, liest sie die Informationen an den Teilebehältern, per Projektion ins Glas und Signalton gibt die Brille das „OK“ oder warnt entsprechend bei einem falschen Handgriff. DHL setzt in den USA auf eine ähnliche Technik.

Die Anreicherung an umgebungsbezogene Informationen umschreibt der Begriff „Augmente Reality“. Neben der Anwendung in Logistikzentren kann diese Technik auch beispielsweise bei Touristen oder Museumsbesuchern genutzt werden: weitergehende Informationen zu gerade betrachteten Kunstwerken, Wegbeschreibungen in fremden Städten oder Übersetzungen von gesehenen Wörtern können in Datenbrillen oder Smart Glases eingeblendet werden.

In der virtuell nachgebildeten Realität (VR) können ganze Versuchsreihen stattfinden oder Mitarbeiter – ähnlich der Pilotenausbildung – in simulierten Szenarien geschult werden. Eine andere Einsatzmöglichkeit bietet sich vordringlicher an: ein Fernpräsenzsystem. Statt zu telefonieren, zu skypen oder fernzuwarten, werden sich Gesprächspartner in einem virtuellen Raum treffen und direkt mit einander und den virtuell abgebildeten Maschinen interagieren. Dort ausgeführte Handlungen - etwa an einer Ziehmaschine - werden in Echtzeit an der reellen, entfernt stehenden Maschine zur Ausführung übermittelt. Ein ähnliches Fernpräsenzsystem haben Angela Merkel und Barack Obama auf der 2016er Hannover Messe ausprobiert.

Bots und Künstliche Intelligenz

„42“ – diese Antwort bekommt der Nutzer von virtuellen persönlichen Assistenten (VPA), die sich gerne in Smartphones aller Art verstecken. Die Frage dazu lautet: „Was ist der Sinn des Lebens?“ und bezieht sich dabei auf den Besteller von Douglas Adams und ist damit nur Science Fiction-Insidern bekannt. Es zeigt aber die „Persönlichkeit“ der VPA: Sie plappern nach, in Variationen zwar, aber sie geben nur programmierte Antworten wieder. Auch wenn VPA dabei nett Gedichte aufsagen oder einen müden Witz erzählen, ihre Antworten werden ihnen souffliert. Im Gegensatz zu Bots, die – laut Mark Zuckerberg von Facebook – die Zukunft der Konversation im Netz darstellen sollen. Bots basieren auf lernenden Algorithmen, grob vereinfacht nach dem Schema „Wenn-Dann-Sonst“. Der große Nachteil: Bots bewerten das zu Lernende nicht. Microsofts „intelligenter“ Bot Tay wurde im März 2016 auf Twitter von der Leine gelassen, mutierte aber binnen 24 Stunden erschreckenderweise zu einem Nazi und Sexisten. Tay wurde von Nutzern vorsätzlich missbraucht, eine Bewertung der Inhalte konnte vom Bot nicht vorgenommen werden. Bots können und werden – da hat Zuckerberg Recht – als erster Kontakt um Kundenservice dienen, wo einfache Lösungsschemata angewendet werden können. Auch werden sie die unzähligen Apps und VPAs ablösen und deren Funktionen in sich vereinen.

Googles künstliche Intelligenz Alpha Go hingegen basiert auf neuronalen Netzen, die das menschliche Gehirn mit seinen Synapsen und Bahnen imitieren. Dabei kommen KIs zu erstaunlichen Ergebnissen und können auch eigene Strategien und Lösungen entwickeln. Dies geschah bereits im Oktober 2015 als die KI im „schwersten Spiel der Welt“, Go, den Menschen überraschend schlug. Alpha Gos Erfolg konnte im März 2016 gegen Lee Sedol wiederholt werden. Dabei entwickelte die KI Spielideen, die Menschen in tausend Jahren bislang nicht hatten.

Kulturpessimisten sagen dystopisch den Untergang der Menschheit voraus, aber KIs werden auf absehbarer Zeit die Menschheit nicht unterjochen oder gar als neue Spezies ablösen. Sie werden aber eines Tages die Aufgaben vieler Facharbeiter und kaufmännischen Angestellten ergänzen, wenn nicht gar vollständig übernehmen können.

Alles nur Science-Fiction?

Das war vor wenigen Jahren noch reine Science-Fiction und auch das eine oder andere Szenario, was als „Industrie 4.0“ in die Welt gesetzt wird, hört sich noch immer nach Zukunftsmusik an. Vieles wird anders, einiges unerwartet und überraschend kommen. Dies darf aber nicht dazu führen, dass sich die stark fragmentierte und hochspezialisierte Umformindustrie von dieser sehr spannenden und innovativen Entwicklung abhängen lässt. Schnelligkeit, Ideenreichtum und Flexibilität sind gefragt, denn die „Industrie 4.0“ ist nicht nur ein deutsches Thema. Weltweit ringen Unternehmen, um die vorderen Plätze in der digitalen Wertschöpfung.

Wie hoch dieses digitale Wertschöpfungspotenzial ist, haben das Fraunhofer Institut und die Bitkom 2014 in ihrer gemeinsamen Studie „Industrie 4.0 – volkswirtschaftliches Potenzial für Deutschland“ ermittelt: für 2013 bis 2025 ist ein Bruttowertschöpfungspotenzial durch die Effekte der Industrie 4.0 von +23 % zu erwarten. Die Studie nennt sechs Wirtschaftsbereiche: chemische Industrie (+ 30%), Kraftwagen- und Kraftwagenteile (+ 20%), Maschinen- und Anlagenbau (+ 30%), elektrische Ausrüstung (+3 0%), Land- und Forstwirtschaft (+ 15%) sowie Informations- und Kommunikationstechnik (+15 %).

Auch die Bundesregierung hat die Zeichen der Zeit erkannt. Doch statt Bürgern und Wirtschaft ein zukunftsfähiges Konzept vorzulegen, wird am „Neuland“ rumgewurschtelt. Das Rennen in der Digitalisierung ist auf Ungleichheit angelegt: Während Bürger und Unternehmen in Ballungszentren über Hochgeschwindigkeitsnetze verfügen, sieht es in deren Umkreis düster aus. Statt auf eine schlagkräftige Gefahrenabwehr zu setzen, legen Hacker die Seiten der Bundeskanzlerin lahm. Und innerhalb des Netzes selbst soll Ungleichheit herrschen: wer viel zahlen kann, soll schneller beim Verbraucher ankommen. Die Politik ist gut beraten, schnell und vernünftig zu handeln: im Silicon Valley werden bereits Konzepte erprobt, Regierungen durch Algorithmen und KIs zu ersetzen.

Im Zweifel für die Chance

Trotz beeindruckender Zahlen und der hohen Erwartungen scheint es derzeit verfrüht, die Industrie 4.0 als die große Revolution auszurufen. Es gibt viele große und kleine Baustellen. An vielen Schrauben kann und wird gedreht werden. Gemeinsame Schnittstellen und einheitliche Definitionen müssen gefunden werden, besonders in der Metall umformenden Branche – und zwar gemeinsam mit Lieferanten und Kunden. Aber die Digitalisierung der Industrie ist im vollen Gange. Sie ist nicht mehr aufzuhalten. Wer heute nicht die Weichen stellt, ist in wenigen Jahren abgehängt.

Die Vergangenheit hat gezeigt, dass es disruptive Unternehmen gibt, die quasi aus dem nichts zu kommen scheinen: Amazon, Uber, Air Bn B. Diese schaffen es – trotz nicht nachhaltiger Geschäftsmodelle und fehlendem Gewinn–, mehr Wagnis- und Risikokapital einzusammeln, als jede Hausbank bereit ist, einem gut laufenden mittelständischen Unternehmen zu gewähren. Ob die Umformindustrie oder eine andere Branche in welchem Grad von disruptiven Geschäftsmodellen betroffen sein werden, lässt sich nicht ad hoc beantworten. Impulse für den digitalen Wandel sollten nicht alleine aus der IT-Abteilung kommen, die Bereiche IT, Design, Kommunikation und Marketing sollten Hand-in-Hand an der Digitalisierung des Unternehmens arbeiten. Und nicht zuletzt muss die finanzielle Basis stimmen. Mit diesem Ansatz kann man von einem totgeglaubten Relikt zu einem der wertvollsten Unternehmen der Welt aufsteigen.

Christopher Schroer ist Unternehmensberater in Engelskirchen

Christopher Schroer
Lambachtalstraße 32
51766 Engelskirchen
Tel.: +49 2261 9208392
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