3. Definition von Industrie 4.0

 

In der Literatur existiert eine Reihe von Definitionen für Industrie 4.0, im Folgenden wird eine für die schneidtechnische Fertigung nutzbare Definition abgeleitet, vergleiche /2, 11-18/. Grundsätzlich gilt Industrie 4.0 als die komplette Vernetzung aller „Elemente“ der Fertigung: dies umfasst die zu fertigenden Werkstücke und Bauteile, alle eingesetzten Maschinen, Anlagen und Systeme, alle Fertigungs- und Managementsysteme, alle damit verbundenen Dienstleistungen und immer auch die beteiligten Mitarbeiter. Industrie 4.0 forciert und kanalisiert dabei die Interaktionen zwischen diesen Elementen der Fertigung in „smarten Systemen“ und in autonomen, sich selbstoptimierenden „smarten Fabriken“ (Smart Factory).

Im Kern geht es dabei darum, alle Elemente der Fertigungsprozesse, die sie flankierenden Dienstleistungen und die sie verbindenden Logistikprozesse durchgängig digital zu vernetzen. Von einer lokalen Fertigung bis zu globalen Wertschöpfungsketten erfolgt eine dezentrale Steuerung der Fertigung über elektronisch eindeutig identifizierbare Werkstücke, Bauteile, Maschinen und Systeme („smarte Produkte“ / „cyber-physische Systeme“).

3.1 Definitionen: cyber physische Systeme

Durch die letztgenannte Definition wird ein wesentliches Kernelement von Industrie 4.0 eingeführt, nämlich die cyber physischen Systeme CPS. Nach /17/ kann von Industrie 4.0 Anwendungen überhaupt nur dann gesprochen werden, wenn erstens eine Ausrichtung von Produkten und Fertigung auf den gesamten Lebenszyklus erfolgt, und wenn zweitens cyber physische Systeme zum Einsatz kommen und wenn diese CPS auch konkrete Funktionen innerhalb einzelner Prozesse entlang des Lebenszyklus übernehmen. Eine „echte“ Industrie 4.0 Anwendung ist gemäß dieser Definition somit dann gegeben, wenn physische Prozesse und digitale Daten von mindestens zwei Phasen des Produktlebenszyklus durchgängig synchron integriert sind.

3.2 Definitionen: vertikale und horizontale Vernetzung

Ferner werden über die Definitionen weitere Kernelemente von Industrie 4.0 eingeführt, nämlich die vertikale und horizontale Vernetzung (womit auch die Notwendigkeit nach geeigneten Schnittstellen thematisiert wird) /13/. Industrie 4.0 bezeichnet demnach die digitale Vernetzung der Fertigung mit dem Ziel, Gesamtproduktivität, Flexibilität und Prozessstabilität zu steigern (dies bezieht sich auf die vertikale Integration) und unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke zu schaffen (dies bezieht sich auf die horizontale Integration). Umsetzung von Industrie 4.0 fordert demnach mit der vertikalen Integration eine „technische“ Umsetzung unter Berücksichtigung der „Automatisierungspyramide“ und einer dezentralen Steuerung der Fertigung innerhalb eines Unternehmens und eine „wertschöpfungsorientierte“ Umsetzung unter Berücksichtigung aller (auch externen) Wertschöpfungspartner des Unternehmens und des damit gebildeten Wertschöpfungssystems („eco system)“ /19/. Beide Aspekte – sowohl die technische, vertikale Integration als auch die wertschöpfungsorientierte, horizontale Integration – müssen gleichermaßen berücksichtigt werden, um deutliche Vorteile im Vergleich zur bisherigen schneidtechnischen Fertigung zu erreichen. Untersuchungen zeigen, dass der Unternehmenserfolg unter den Gesichtspunkten der Digitalisierung ganz klar mit dem Grad der internen und externen Integration korreliert ist. Diese beiden Formen der Integration treiben maßgeblich die erforderliche Reaktionsfähigkeit der Wertschöpfungsketten, was sich durch Kenngrößen zu Liefertreue, Kapitalbindung und Unternehmensprofitabilität nachweisen lässt /20/.

Die vertikale Vernetzung kann grundsätzlich eine autonome Bewegung eines Werkstücks oder eines Bauteiles durch die Fertigung ermöglichen. Dazu müssen Werkstücke und Bauteile als smarte Werkstücke und Bauteile, das heißt als cyber physische Systeme ausgestaltet sein. Cyber physische Systeme entfalten nur dann ihre Wirkung, wenn sie mit anderen CPS zusammen wirken. Bei der autonomen Bewegung eines Werkstücks oder eines Bauteils bedeutet dies die Wechselwirkung mit einem smarten Werkzeug, welches ebenfalls als CPS ausgestaltet ist. Dadurch kann das Werkstück oder Bauteil selbstständig erkennen, welche aufeinander folgenden Fertigungsschritte notwendig sind, diese Information an das Werkzeug übermitteln und dadurch „seine eigene Fertigung“ aktiv und autonom steuern und dabei kontinuierlich fertigungs- und qualitätsrelevante Daten in Echtzeit senden.

Die vertikale Vernetzung kann dabei nicht auf die autonome Bewegung eines Werkstücks oder Bauteil durch die Fertigung beschränkt bleiben, vielmehr können alle beteiligten Elemente einer vernetzten, schweißtechnischen Fertigung smart werden und damit die Fähigkeit aufweisen, ihr „Wissen“ mit den anderen Elementen zu teilen. Diese Fähigkeit ermöglicht die Umsetzung der bereits oben zitierten umfassenden Forderung von Industrie 4.0, nach der ein Fertigungssystem die Fähigkeit haben muss, ein vom Kunden erdachtes Produkt selbstständig zu fertigen, ohne dass das Fertigungssystem produktspezifisch vorgedacht werden muss.

3.3 Definitionen: Industrie 4.0 als Impuls für die Schneidtechnik

Die bisher genannten Definitionen sind deshalb hilfreich, weil sie bereits die Kernelemente Industrie 4.0 beschreiben, die gezielt in der schneidtechnischen Fertigung eingesetzt werden können. Als pragmatischer Einstieg in die Umsetzung dieser Kernelemente in die vernetzte schneidtechnische Fertigung kann daher gelten: Industrie 4.0 ist kein Produkt, kein Prozess, kein Projekt, sondern ein Impuls an die produzierende (schneidtechnische) Industrie, durch die Integration moderner Informations- und Kommunikationstechniken neuartige, intelligente und vernetzte Fertigungsanlagen und Fertigungssysteme zu entwickeln (dies ist die Aufgabe der Hersteller), die es den Anwendern dieser Fertigungsanlagen erlauben, mit einer digitalen Transformation ihrer bisherigen Wertschöpfung zu beginnen, vergleiche /2, 11, 14/.

3.4 Definition: Digitale Transformation

Die digitale Transformation (der Wertschöpfung) ist die Nutzung der Informations- und Kommunikationstechnik zur Optimierung der Wertschöpfung, was unter anderem bedeutet, mit digitalen Werkzeugen sowohl in der physischen als auch in der virtuellen Welt zusätzliche Werte für die Unternehmen und für deren Kunden zu schaffen.

Bild 1 zeigt, dass sich dazu die Elemente Dinge, Prozesse, Services und Netzwerke jeweils zu smarten Elementen (smart operations, smart factory) weiterentwickeln müssen, wie sie in den vorangegangenen Kapiteln bereits erläutert wurden.

„Dinge“ umfassen dabei intelligent verbundene Dinge des Internets und interagierende cyber physische Systeme.
„Prozesse“ umfassen dabei smarte Prozesse, die erst stabil, dann effizient, dann digital, dann smart ausgebildet werden müssen /HOLTHAUS 21/. Speziell bei der Laserstrahlbearbeitung können auch Verfahren der künstlichen Intelligenz (KI) bei der Prozessüberwachung eingesetzt werden /ABELS 22/.

„Services“ umfassen datenbasierte, digitale Dienstleistungen (auch KI – gestützt) und Netzwerke umfassen dynamische, digitale Vernetzungen dezentral gesteuerter, autonomer Elemente. Diese Elemente werden natürlich durch Führung und Strategie zur Wirkung gebracht und durch die Mitarbeiter, Ressourcen und Kompetenzen gesteuert.

Eine vernetzte, smarte schneidtechnische Fertigung ist somit nicht lediglich die Fortführung der Automatisierung, sondern es sind Änderungen notwendig: die bisherige Automatisierung ist im Wesentlichen durch die Vernetzung mechatronischer Systeme beschrieben, bei der die Werkstücke und Bauteile eine passive Rolle spielen. Eine smarte schneidtechnische Fertigung ist dagegen durch die Vernetzung cyber physischer Werkstücke, Bauteile, Maschinen und Systeme beschrieben, was zum Beispiel Schneidbrenner, Stromquellen und Messeinrichtungen und – um es noch einmal zu betonen – aktive, fertigungsgestaltende Werkstücke und Bauteile umfasst.

Bild 1 zeigt als Ergebnisse der digitalen Transformation Umsatzsteigerungen, kontinuierliche und dynamische Optimierungen sämtlicher Prozesse und Systeme entlang der Wertschöpfungskette (operational excellence) und neue Geschäftsmodelle.

Bild 1: Digitale Transformation
Bild 1: Digitale Transformation
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