Zukunftsbild Industrie 4.0

Diese Broschüre zeigt eine mögliche Zukunft der industriellen Produktion

aus der Perspektive des Jahres 2025

und blickt zurück auf die Vergangenheit des Jahres 2012...

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Zukunftsbild Industrie 4.0 Die Industrie im Jahr 2025 Individualisierte Produktion Vernetzte Unternehmen Wettbewerbsvorteile flexibler Wertschöpfungsnetzwerke Nebeneinander von offenen und geschlossenen Produktionsnetzwerken Arbeitskomfort durch intelligente Assistenzsysteme Geschäftsfelder in der vernetzten Industrie Das Zukunftsbild Industrie 4.0 zeigt eine mögliche Zukunft der industriellen Produktion aus der Perspektive des Jahres 2025 und blickt zurück auf die ''Vergangenheit'' des Jahres 2012. Indem es relevante Entwicklungen und Konsequenzen für die Unternehmen und ihre Mitarbeiter anhand konkreter Anwendungsszenarien beschreibt, bietet es eine Grundlage für die breite fachliche und gesellschaftliche Diskussion. Industrieunternehmen aus Deutschland erwächst in Asien und zunehmend auch in Südamerika starke Konkurrenz, die mittelfristig ihre internationale Wettbewerbspositionen gefährden kann. Unternehmen, etwa aus China, steigern ihre Produktivität und Innovationskraft, zugleich beschleunigen sich die Innovationskreisläufe in vielen Technologiefeldern, und die Märkte werden volatiler. Die Unternehmen müssen in Deutschland zusätzlich auf weitere Herausforderungen Antworten finden: knappere Rohstoffe, steigende Energiepreise oder das zunehmende Durchschnittsalter der Beschäftigten. Das produzierende Gewerbe benötigt Lösungen, um auf diese Herausforderungen wirksam zu reagieren. Die Technologie der cyber-physischen Systeme - oder kurz CPS - bietet das Potenzial für solche Lösungen. CPS sind Netzwerke kleiner mit Sensoren und Aktoren ausgestatteter Computer, die als sogenannte Eingebettete Systeme in Materialien, Gegenstände, Geräte und Maschinenteile eingebaut und über das Internet miteinander verbunden werden. In einem derartigen Internet der Dinge verbinden sich die physische und die digitale Welt. Anlagen, Maschinen und einzelne Werkstücke tauschen kontinuierlich Informationen aus. Sämtliche Produktions- und Logistikprozesse werden integriert. Aus dieser Schlüsseltechnologie leiten sich zahlreiche industrielle Anwendungen ab: In Zukunft werden viele Prozesse in Echtzeit über große Entfernungen gesteuert und koordiniert. Voraussetzung dafür ist die Standardisierung und Modularisierung vieler einzelner Prozessschritte und die Programmierung von virtuell bearbeitbaren Modellen dieser Module. Mit ihrer Hilfe werden künftig betriebliche Prozesse geplant, gesteuert und kontrolliert. Die Vernetzung schafft die Voraussetzung für den kontinuierlichen Austausch von Daten, aus denen automatisch situationsgerechte Prozessanpassungen abgeleitet werden. Der Einsatz von CPS erlaubt zudem die Dezentralisierung der Prozesssteu erung, die dann beispielsweise von den Werkstücken selbst übernommen wird, indem sie mittels eingebetteter Systeme Umgebungsdaten verarbeiten und daraus Steuerungsbefehle ableiten. Auf diese Weise wird Produktion erheblich flexibler werden. Flexibilität wird zusätzlich durch anwendungsoffen konstruierte Maschinen erreicht, die in direkter zeitlicher Abfolge unterschiedliche Funktionen ausführen oder Werkzeuge einsetzen. Ihre Umrüstung und Rekonfiguration erfolgen künftig kostenneutral, da der vielseitige Einsatz der Maschinen weitgehend automatisch organisiert wird. Der hohen Flexibilität in der Produktion liegen komplexe Rechenleistungen zugrunde, die auf den verschiedenen Steuerungsebenen im Unternehmen ablaufen und untereinander verbunden sind. Diese vertikale Integration aller Prozesse - von der Bearbeitung der Auftragseingänge, über das Ressourcenmanagement und die Fertigung bis hin zur Auslieferung - revolutioniert die industrielle Produktion: Die Prozessebenen des Unternehmens werden durchgängig miteinander verknüpft und können auf Grundlage der jeweils aktuellsten Prozessdaten immer wieder neu aufeinander abgestimmt werden. Das Internet ermöglicht diese ständige Koordinierung auch zwischen weltweit verteilten Standorten und über Unternehmensgrenzen hinweg. Die horizontale Integration, also die Vernetzung zwischen mehreren Unternehmen, ist Ausgangspunkt der flexiblen Gestaltung ihrer gemeinsamen Wertschöpfungsprozesse. Unternehmen bilden künftig dynamische Netzwerke, aus denen heraus sie auftrags- und produktspezifisch ihre Kapazitäten zu virtuellen Produktionsgemeinschaften zusammenschließen. Eine zentrale Funktion solcher Wertschöpfungsnetzwerke ist die kontinuierliche Optimierung aller Prozesse auf Basis aktueller Daten aus den Märkten und aus der Produktion selbst. Die Optimierung erfolgt unter Berücksichtigung mehrerer Kennziffern gleichzeitig: Zeit, Qualität, Kosten, Ressourceneinsatz oder Energiekosten sind nur die wichtigsten. Das Ziel der Optimierung wird über den gesamten Produktlebenszyklus hin verfolgt. Digitale Produktgedächtnisse zeichnen in Zukunft Daten aus Fertigung, Logistik, Nutzung und Entsorgung auf und stellen sie für die Produkt- und Prozessoptimierung zur Verfügung. Für die Mitarbeiter bedeutet der Einsatz der neuen Technologien einen Wandel ihrer Arbeitswelt und ihrer Aufgaben. In vielen Prozessen gewinnt die Automatisierung weiter an Bedeutung. In anderen Tätigkeiten werden Menschen künftig durch mobile Leichtbauroboter und intelligente Assistenzsysteme unterstützt. So haben die Beschäftigten überall und jederzeit Zugriff auf die für ihre Arbeit relevanten Informationen. Bei Bedarf können anwendungsspezifische Trainingsangebote aufgerufen werden, um jeden Mitarbeiter bei der Erfüllung seiner Aufgaben optimal zu fördern. Diese vielfältigen Entlastungen gehen mit einer hohen Reaktionsfähigkeit in der Planung des Personaleinsatzes einher. Die Produktionssteuerung wird viel adäquater auf die individuelle Situation eines Mitarbeiters eingehen, seinen Rhythmus berücksichtigen und auf seine kurzfristigen Anliegen zügig reagieren. Die Vereinbarkeit von Familie und Beruf wird durch die flexible Prozessvernetzung einfacher und verursacht keine zusätzlichen Kosten mehr. Letztere verstärkt und verbessert auch den Austausch zwischen den Mitarbeitern aus verschiedenen Unternehmensabteilungen, wodurch ein Klima des offenen Miteinanders und der Hilfsbereitschaft entsteht. Aus Sicht der Unternehmer bietet die Umstellung auf vernetzte und flexible Produktionstechnologien viele Vorteile. Die Individualisierung der Produktion ermöglicht es den Betrieben in vielen Branchen, zu geringen Kosten eine hohe Zahl an Produktvarianten herzustellen und auf diese Weise individuelle Kundenwünsche zu bedienen. Flexibel können sie auf Marktentwicklungen, auf kurzfristig geänderte Produktanforderungen oder auf schwankende Rohstoff- und Energiepreise reagieren. Selbst bei unvorhergesehenen Ereignissen oder Störungen, wie Stromausfällen oder Lieferungsverzögerungen, erfolgt die Anpassung schnell und präzise. Wartung und Reparatur von Anlagen sind erheblich vereinfacht: Eingebettete Systeme stellen vollständige Transparenz über den Zustand aller Maschinen her, diese bestellen ihre Ersatzteile selbstgesteuert, sobald Verschleißerscheinungen auftreten. Die hohe Anpassungsfähigkeit erhöht die Auslastung der Produktionskapazitäten, das flexible Ressourcenmanagement verbessert die Effizienz des Gesamtbetriebs. Die Kosten für Lagerhaltung und Fertigung sinken durch die wirksame Nutzung der vorhandenen Optimierungs-potenziale. Fehler werden häufiger vermieden oder können schneller behoben werden. Und nicht zu vergessen: Aus den neuartigen Anwendungen entwickeln sich innovative Geschäftsmodelle. Dabei werden die Unternehmen aus Deutschland auf ihren vorhandenen Stärken aufbauen und weiterhin Maschinen, Anlagen und Fabriken auf dem neuesten Stand der Technik in alle Welt verkaufen. Vor allem aber können sie ausgehend von diesen Technologien integrierte Systemlösungen und komplexe Anwendungen anbieten, die Maschinen und Dienste zu einem Leistungspaket verbinden und ihren langfristigen Erfolg auf den Weltmärkten in entscheidender Weise sichern. Erläuterung zum Prozess: Ein Zukunftsbild stellt einen Zukunftsentwurf als Hypothese zur Diskussion. Es trifft keine programmatischen Festlegungen. Zukunftsbilder sind ein Instrument der Strategieentwicklung, mit deren Hilfe komplexe Zukunftsthemen in illustrativen Beschreibungen vorgestellt werden, die auch für Laien verständlich sind. Sie integrieren eine Vielzahl unterschiedlicher Aspekte zu einem konsistenten Gesamtbild und zeigen ausgehend von unterschiedlichen fachlichen Perspektiven, wie eine mögliche Zukunft aussehen könnte. Sie helfen, die Diskussion zu strukturieren und auf Kernfragen zu fokussieren und zugleich relevante Einzelaspekte im Gesamtzusammenhang möglicher technischer, wirtschaftlicher oder sozialer Entwicklungen zu bewerten. Die Ausführungen des vorliegenden Zukunftsbilds basieren vor allem auf Interviews mit Experten der Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft und der BMBF-Referate 512 (Forschung für Produktion, Dienstleistung und Arbeit) und 514 (IT-Systeme). Die Aussagen aller Gesprächspartner wurden im Sinne eines aussagekräftigen Gesamtpapiers bewertet, stilistisch angepasst und eingearbeitet. Anschließend folgten mehrere Überarbeitungsrunden zur Präzisierung und Feinabstimmung verschiedener Einzelaspekte ...

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