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Wie passt die fortgeschrittene Fertigung in die Industrie 4.0?
Zunächst einmal: Was ist Industrie 4.0?
Industrie 4.0, auch als vierte industrielle Revolution bezeichnet, wurde erstmals 2011 von der deutschen Regierung als strategische Initiative zur vollständigen Digitalisierung der verarbeitenden Industrie ohne die Notwendigkeit menschlicher Interaktion vorgestellt. Industrie 4.0 stellt eine neue Stufe in der Organisation und Steuerung der industriellen Wertschöpfungskette dar. Es geht um die digitale Transformation der Fertigung/Produktion und verwandter Branchen.
Die erste industrielle Revolution kam mit dem Aufkommen von Mechanisierung, Dampfkraft und Wasserkraft. Darauf folgte die zweite industrielle Revolution, bei der es um Massenproduktion und Fließbänder unter Verwendung von Elektrizität ging. Die dritte industrielle Revolution kam mit der Elektronik, den IT-Systemen und der Automatisierung, was zur vierten industriellen Revolution führte, die mit cyber-physischen Systemen verbunden ist. Die folgende Abbildung 1 fasst die vier industriellen Revolutionen zusammen.
Der Übergang zu Industrie 4.0 ist mit den folgenden neun digitalen technologischen Säulen verbunden (2):
- Big Data und Analytik - Die erste Säule ist Big Data und Analytik. Big Data bezeichnet jede große und komplexe Sammlung von Daten. Datenanalyse ist der Prozess der Extraktion von aussagekräftigen Informationen aus Daten. Mithilfe eines kontinuierlichen Datenflusses und von Analysefunktionen können Unternehmen umgehend auf Veränderungen in Datenmustern reagieren und Kosten senken, schnellere und bessere Entscheidungen treffen sowie neue Produkte und Dienstleistungen entwickeln.
- Simulationen und digitale Zwillinge - Die zweite Säule sind Simulationen und digitale Zwillinge. Eine Simulation bildet ab, was mit einem Produkt passieren könnte, ein digitaler Zwilling hingegen bildet ab, was mit einem bestimmten Produkt in der realen Welt passiert. Die Verfügbarkeit von Big Data und Analytik in Verbindung mit der ständig steigenden Rechenleistung erweitert die Anwendung von 3D-Simulationen von den allgemeinen Entwicklungsphasen von Produkten und Produktionsprozessen auf den Betrieb von Anlagen.
- Autonome Roboter - Die dritte Säule sind autonome Roboter. Ein autonomer Roboter ist ein Roboter, der ohne Rückgriff auf menschliche Kontrolle handelt. Traditionell haben Hersteller Industrieroboter für die Bewältigung komplexer Aufgaben und Aufträge eingesetzt. Der technologische Fortschritt ermöglicht jedoch eine neue Generation von Robotern, die autonom arbeiten, immer komplexere und anspruchsvollere Aufgaben übernehmen und an der Seite von Menschen oder sogar in von Menschen begrenzten Arbeitsbereichen arbeiten können.
- Horizontale und vertikale Systemintegration - Die vierte Säule ist die horizontale und vertikale Systemintegration. Im Kontext von Industrie 4.0 bezieht sich die vertikale Integration auf die Verbindung interner IT-Systeme über die verschiedenen Hierarchieebenen eines Unternehmens hinweg. Die horizontale Integration bezieht sich auf die Digitalisierung und Verbindung der verschiedenen Systeme entlang der gesamten Liefer- und Wertschöpfungskette eines Unternehmens. Diese Verbindung zielt darauf ab, Wertschöpfungsnetzwerke zwischen verschiedenen Unternehmen zu schaffen und End-to-End-Lösungen zu liefern.
- Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) - Die fünfte Säule ist das Internet der Dinge (IoT). IoT bezieht sich auf das Konzept vernetzter Systeme, die aus miteinander verbundenen physischen Objekten und Geräten bestehen, die mit dem Internet verbunden sind. Ein Unterbereich des IoT, das so genannte industrielle Internet der Dinge (IIoT), konzentriert sich auf die Anwendung von IoT-Funktionen für industrielle Zwecke. Das IIoT ist eine wesentliche Voraussetzung für das Konzept der Industrie 4.0, da es Unternehmen ermöglicht, kontinuierlich Informationen von Maschinen, Sensoren, Produkten und Geräten zu sammeln und diese Informationen zu nutzen, um Fehler zu erkennen, die Qualität zu überwachen und Wartungsverfahren einzuleiten.
- Cybersicherheit - Die sechste Säule ist die Cybersicherheit. Der Übergang zu Industrie 4.0 bietet zwar viele Vorteile, wirft aber auch zunehmend Bedenken hinsichtlich der Cybersicherheit auf. Die Integration von Systemen und die Implementierung von IIoT, Big Data und Analytics sowie Cloud Computing erhöhen das Risiko von Cyberangriffen. Auch wenn die Bedrohung durch Cyberangriffe unterschiedlich ist, können ihre Auswirkungen auf Unternehmen schwerwiegend sein. Die Auswirkungen können lebensbedrohliche Situationen für Arbeitnehmer, Diebstahl von Industriegewerken und geistigem Eigentum, Verstöße gegen Sicherheits- und Umweltschutzbestimmungen, Denial-of-Service von Netzwerken und Sabotage an kritischen Infrastrukturen, Maschinen und Komponenten umfassen.
- Cloud Computing - Die siebte Säule ist das Cloud Computing. Cloud Computing bezieht sich auf die gemeinsame Nutzung von IT-Ressourcen und Rechenleistung über das Internet. Zu den Cloud-Computing-Diensten gehören Server, Speicher, Datenbanken, Netzwerke, Software, Analysen und Intelligenz. Im Kontext von Industrie 4.0 kann Cloud Computing die Produktion und Fertigung über interne Abteilungen und Unternehmensgrenzen hinweg erleichtern und so den Weg für mehr Zusammenarbeit, Arbeitsflexibilität, die Erbringung von Dienstleistungen und die Entwicklung neuer Produkte ebnen.
- Additive Fertigung und 3D-Druck - Die achte Säule ist Additive Fertigung (AM). AM bezieht sich auf ein Verfahren, das 3D-Drucktechnologien umfasst, die Teile durch Hinzufügen von Material herstellen. Dieser Prozess unterscheidet sich von herkömmlichen Fertigungsverfahren wie Fräsen und Drehen oder Spritzguss (Herstellung von Produkten durch Einspritzen von Materialien in eine Form). Bisher haben die meisten Unternehmen AM hauptsächlich für die Herstellung von Prototypen und Einzelteilen und Komponenten eingesetzt. Da sich die AM-Technologien jedoch weiterentwickeln und ausgereift sind, nutzen Industrieunternehmen sie zunehmend für den Übergang von der Massenproduktion identischer Produkte zu kleineren Kleinserien kundenspezifischer und anspruchsvoller Produkte mit fortschrittlichen Eigenschaften.
- Erweiterte und virtuelle Realität - Die neunte Säule ist die erweiterte Realität (AR) und die virtuelle Realität (VR). AR bezieht sich auf die Integration von computergenerierten Informationen in die reale Umgebung durch Projektion einer grafischen Informationsebene in die Sicht des Benutzers über Geräte wie Tablets, Smartphones und Smart Glasses. Diese zusätzliche Informationsebene kann den Arbeitnehmern helfen, die Kluft zwischen der digitalen/virtuellen und der realen Umgebung zu überbrücken, und so die betrieblichen Aufgaben und die Entscheidungsfindung unterstützen. Virtuelle Realität (VR) ist ein Schritt über AR hinaus. Anstelle von grafischen Informationsebenen, die auf die reale Umgebung projiziert werden, erzeugen VR-Geräte eine virtuelle Nachbildung einer realen Umgebung, so dass die Nutzer mit virtuellen Elementen interagieren und Aktivitäten in einer virtuellen Umgebung bewerten und durchführen können.
Die neun Technologien der Industrie 4.0 sind in Abb. 2 auf der linken Seite hervorgehoben.
Industrie 4.0 verspricht also eine neue industrielle Revolution und steht für die Art und Weise, wie intelligente, vernetzte Technologie in Unternehmen eingebettet wird. Durch den Einsatz digitaler Technologien wird die Fertigung agiler, flexibler und kundenorientierter, indem das Fertigungssystem optimiert wird.
Die wichtigsten Vorteile der Einführung von Industrie 4.0 sind (3):
- Geringere Kosten und weniger Verschwendung - Verwaltung und Optimierung des Fertigungsprozesses und der Lieferkette mithilfe von Echtzeitdaten, um bessere Entscheidungen für das Unternehmen zu treffen. Verwendung von intelligente Technologie eliminiert jegliche Ausfallzeit.
- Sie stärkt die Belegschaft - Software kann die Zusammenarbeit und Effizienz zwischen den Abteilungen verbessern, indem sie die Technologie zur Vernetzung der Mitarbeiter nutzt.
- Sie macht die Unternehmen wettbewerbsfähiger - Investitionen in Technologie und Lösungen tragen dazu bei, den Herstellungsprozess zu verbessern und den Kunden einen besseren Service zu bieten.
- Potenzielle Probleme angehen, bevor sie entstehen - Investitionen in Technologie ermöglichen es Unternehmen, proaktiv statt reaktiv zu handeln, indem sie potenzielle Probleme bei der Wartung und dem Lieferkettenmanagement erkennen können.
- Der Wert von Big Data - die Fülle von Informationen, die mit Hilfe von Maschinen und Prozessen gesammelt werden können, kann in Software und Geschäftssysteme integriert werden, wodurch ein vollständig vernetztes Unternehmen entsteht.
- Es beschleunigt den Herstellungsprozess - Produkte können direkt aus einem CAD-Entwurf erstellt werden, so dass die Konstrukteure ein virtuelles Muster erstellen können, das in der Software getestet werden kann - dies ermöglicht es den Herstellern, den Entwurfs- und Entwicklungsprozess zu beschleunigen und qualitativ bessere Produkte zu produzieren.
- Verbesserung des Betriebs - Industrie 4.0-Maschinen werden durch Cloud-Technologie und das Internet der Dinge (IoT) unterstützt - Maschinen können Leistungsdaten sammeln und diese mit anderen Maschinen oder Softwaresystemen austauschen.
- Stärkung der Widerstandsfähigkeit von Unternehmen - digitale Lösungen können den Betrieb unterstützen und Unternehmen so umgestalten, dass sie stärker und widerstandsfähiger werden.
Additive Fertigung und 3D-Druck in der Industrie 4.0: (4)
Additive Fertigung und 3D-Druck werden als die 8th Säule der Industrie 4.0 sind die führenden neuen Fertigungstechnologien der Industrie 4.0. Die Nutzung und Umsetzung der additiven Fertigung in Kombination mit anderen Technologien führt in der Industrie zu einer Entwicklung hin zu einer intelligenten Produktion, bei der Maschinen (autonom, automatisch und intelligent), Systeme und Netzwerke in der Lage sind, Informationen auszutauschen und auf die Systeme des Produktionsmanagements zu reagieren. Darüber hinaus spielt der 3D-Druck als Technologie, mit der ein 3D-Entwurf ohne Eingriffe in ein Produkt umgesetzt werden kann, eine grundlegende Rolle für die Fertigung in der Industrie 4.0. Der Bedarf an teuren Werkzeugen und Vorrichtungen entfällt, wodurch Nachbearbeitung, Materialabfall und menschliches Eingreifen reduziert werden.
Dank des 3D-Drucks können Fabriken ihre Flexibilität erhöhen und sich an die Bedürfnisse eines immer anspruchsvolleren und unvorhersehbaren Marktes anpassen. Darüber hinaus ermöglicht er die Herstellung aller Arten von personalisierten Objekten ohne teure Formen und Fertigungswerkzeuge.
Der 3D-Druck ist auch ein großer Verbündeter der Umwelt, eine wichtige Eigenschaft in Anbetracht unserer aktuellen Klimasituation und der Bedeutung nachhaltiger Herstellungsprozesse mit weniger Ressourcenverbrauch und Abfallerzeugung. Darüber hinaus ist die aktuelle Situation, die weltweit aufgrund der COVID-19, hat zu größeren Fortschritten und einer Konsolidierung des 3D-Drucks geführt, da der Bedarf an personalisierten Elementen schnell gestiegen ist.
Zusammenfassend
Intelligente Technologien, wie die additive Fertigung, die durch Industrie 4.0 unterstützt werden, führen zu höherer Produktivität, besserer Teilequalität, geringeren Kosten und geringeren Ausfallzeiten der Mitarbeiter. Außerdem werden die Ressourcen besser genutzt. Industrie 4.0 revolutioniert die Art und Weise, wie Unternehmen produzieren, die Qualität ihrer Produkte und deren Vertrieb verbessern. Industrie 4.0 wird den Wettbewerbsvorteil für Fertigungsunternehmen steigern und neue Wege für die Vermarktung von Produkten und die Umstellung von Unternehmen auf digitale Prozesse ermöglichen.
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