Keine Zukunft ohne Industrie 4.0

Industrie 4.0

Prof. Hopmann, Leiter des IKV und profunder Kenner von Industrie 4.0, erklärt exklusiv im K-MAGAZIN, warum Industrie 4.0 für die Kunststoffbranche unverzichtbar ist.

Die Zukunft produzierender Unternehmen ist von einem Paradigmenwechsel geprägt, der die bislang verbreitete zentrale Produktionslogik durch eine dezentrale Organisation und eine massive Inter­aktion weitgehend autarker Einheiten ersetzt. Sowohl innerbetrieblich als auch betriebsstätten- und unternehmensübergreifend werden Kooperatio­nen situativ geschaffen und in Echtzeit integriert. Dies zieht eine weiter voranschreitende vertikale Integration nach sich, die von der Sensor- und Aktor-Ebene einzelner Maschinen bis hin zur Ressourcenplanung und -steuerung ganzer global agierender Unternehmen reicht.

Vor allem aber sind Produktionsmaschinen, Mitarbeiter und Produktionsstandorte entlang der gesamten Wertschöpfungskette engmaschig horizontal integriert. Hieraus ergeben sich erhebliche Vorteile: Die Herstellung von Produkten mit einer hohen Variantenvielfalt und einem hohen Individualisierungsgrad wird zu Kosten der Massenproduktion ermöglicht, Lagerbestände werden reduziert, Kapazitäten besser ausgelastet und der Transport auf ein Minimum beschränkt.

Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann, Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung der RWTH Aachen Foto: IKV
Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann, Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung der RWTH Aachen Foto: IKV

„Die Chancen und Perspektiven bieten sich für die Kunststoff­industrie in besonderer Weise.“

Höchstmaß an Transparenz

Dieser Paradigmenwechsel wird nicht nur in die Produktion und die produktionsnahen Einheiten wie die Logistik und Warenwirtschaft Einzug halten, sondern er wird das gesamte Unternehmen durchdringen. Im Wechselspiel zwischen Vertrieb und Betrieb wird ein Höchstmaß an Transparenz geschafften und Kunden wie Lieferanten werden zunehmend in die Unternehmensprozesse integriert. Ein durchgängiger und zunehmend agiler und flexibler sowie dezentralisierter Entwicklungsprozess von der Idee bis hin zum fertigen Produkt ist besonderen Veränderungen unterworfen. Informationen werden nicht nur zum jeweils nächsten Entwicklungsschritt weitergeleitet, sondern auch in vorausgegangene Schritte zurückgekoppelt, um Entwurfsentscheidungen kritisch zu prüfen und Lerneffekte zu erzielen.

Informationen und Entscheidungen stehen jederzeit und überall in Echtzeit an allen Stationen und auf allen Ebenen der Entwicklung und Produktion zur Verfügung. Das bedeutet aber nicht die totale Datentransparenz. Vielmehr steuert ein intelligentes Daten- und Wissensmanagement den Datenverkehr situationsbezogen abhängig von den Anforderungen der einzelnen Ebenen und Prozesse. Es variieren sowohl die Taktung (Frequenz) der Informations­bereitstellung als auch die Detailtiefe der Information. Beispielsweise müssen für die Steuerung der Warenflüsse auf Ressourcenplanungsebene die Informationen nicht in Mikrosekunden zur Verfügung stehen, wie es zum Beispiel für einen Regelkreis der Maschine, das heißt auf der Sensor-Aktor-Ebene, erforderlich ist. Auch ist die aktuelle auftragsbezogene Maschinen­leistung nicht unbedingt erforderlich, um die Rohstoffversorgung sicherzustellen. Es kommt also auf einen intelligenten kontextspezifischen Informations­austausch unter Wahrung der notwendigen Sicherheitsinteressen an.

„Es ist keine Frage, ob, sondern, wie und in welchem Umfang Industrie 4.0 eingeführt wird“, Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann, Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung der RWTH Aachen

Die deutsche Kunststoffindustrie als weltweiter Marktführer, Impulsgeber und Innovationsführer ist prädestiniert für die Umsetzung von Industrie 4.0 in ihren Unternehmen und Wertschöpfungs­ketten und wird sich – gewollt oder nicht – den damit verbundenen Herausforderungen in Zukunft stellen (müssen). Die Chancen und Perspektiven bieten sich für die Kunststoffindustrie in besonderer Weise, da sie wie kaum eine andere Branche bereits heute die Maschinen-, Werkstoff-, Produkt- und Prozessentwicklung sowie die Produktion in Partnerschaften über Standort- und Unternehmensgrenzen hinweg organisiert hat.

Produktionsmaschinen, Mitarbeiter und Produktionsstandorte werden entlang der gesamten Wertschöpfungskette engmaschig horizontal integriert. Foto: Phoenix Contact
Produktionsmaschinen, Mitarbeiter und Produktionsstandorte werden entlang der gesamten Wertschöpfungskette engmaschig horizontal integriert. Foto: Phoenix Contact

Die Relevanz von Industrie 4.0 für die Kunststoffindustrie wird am konkreten Verarbeitungsprozess deutlich: Um Kapazitäts- und Materialverluste durch Rüsten zu minimieren und damit auch kleine Losgrößen wirtschaftlich erfolgreich produzieren zu können, wird die Optimierung von Prozess­einstellungen bereits in der Simulation durchgeführt und die Simulationsergebnisse werden direkt auf die Maschine übertragen. Die Simulation gibt bereits heute wichtige Hinweise auf die Stabilität des Prozesses und die Qualität des Bauteils, aber sie ist noch nicht in der Lage, das spezifische Verhalten jeder einzelnen Maschine abzubilden.

Um diese Lücke zu schließen, werden reale Daten aus Maschine, Werkzeug, Prozess und Service gewonnen und für die Prozesssimulation, die Prozessüberwachung und die Qualitätsregelung nutzbar gemacht. Dies bedeutet eine Vorverlagerung der Prozessoptimierung von der Anfahrphase des Herstellprozesses und der Inbetriebnahme des Werkzeugs in den Rechner, um dort Variationsrechnungen mit dem Ziel stabiler und robuster Prozesse durchzuführen. Aufwendige Änderungen am Werkzeug werden reduziert und mittelfristig eliminiert. Unterstützt wird dies durch internetbasierte Services, die die Einbindung des Know-hows anderer Unternehmensbereiche und Standorte sowie externer Partner in Echtzeit ermöglichen. Die Analyse von Big Data mit modernen Informationsverarbeitungsmethoden entlang des gesamten Produktlebenszyklus, also von der Rohstofferzeugung über die Bauteilproduktion und den Gebrauch beim Kunden bis zur Entsorgung und zum Recycling, ermöglicht es, selbstoptimierende Prozesse aufzubauen und flexibel an die aktuellen Bedingungen anzupassen.

Hierzu stehen neben den computerbasierten Steuerungssystemen semantische Technologien zur Verfügung, die die Verarbeitung natürlicher Sprache und künstliche Intelligenz miteinander verbinden und so eine gezielte Nutzung auch unscharfer und stark heterogener Informationen ermöglichen. Gerade hier liegt hinsichtlich des Wissens- und Auftragsmanagements enormes Potenzial für die klein und mittelständisch geprägten Kunststoffverarbeiter zur Beherrschung der zunehmenden Komplexität in einem Umfeld kürzerer Entwicklungszyklen, der Zunahme von Varianten immer anspruchsvollerer Produkte und des steigenden Wettbewerbsdrucks.

Mensch und Maschine rücken zusammen

Diese Technologien rücken immer näher an menschliche Fähigkeiten heran, so dass in der Produktion der Zukunft Menschen enger und in stärkerer Vernetzung mit Maschinen zusammenarbeiten werden. Mobile Assistenzroboter können bereits heute bei vielen Aufgaben eingesetzt werden, und neuartige Mensch-Maschine-Schnittstellen unterstützen die Zusammenarbeit. Mittels Augmented Reality (Deutsch: erweiterte Realität) kann der Maschinenführer gezielt auf Probleme an Maschinen hingewiesen und mit passgenauen situationsspezifischen Lösungsansätzen geleitet werden, die ihm über ein geeignetes Visualisierungssystem zum Beispiel unmittelbar in ein Brillendisplay eingeblendet werden. Sicherheit spielt dabei eine zunehmende Rolle. Hier ist zum einen die Betriebssicherheit gemeint, die durch Standards und Normen ein sicheres Zusammenarbeiten von Mensch und Maschine gewährleistet, zum anderen aber auch die Angriffs­sicherheit, die die Datensicherheit gegenüber unbefugtem Zugriff und Missbrauch bezeichnet.

Allerdings ist Industrie 4.0 in der mittelständischen Kunststoffindustrie bislang zu wenig greifbar und erfahrbar. Unternehmen finden keinen Zugang und laufen Gefahr, von der Entwicklung abgekoppelt zu werden und damit notwendige Veränderungen des Geschäftsmodells und Chancen durch neuartige Geschäftsmodelle zu verpassen. Die Hemmnisse liegen vor allem in der Übersetzung der derzeit noch recht abstrakten Ideen und Strategien in plausible branchenrelevante Applikationen mit nachvollziehbarem Kundennutzen einerseits sowie in der Verfügbarkeit des einschlägig qualifizierten Personals andererseits. Aus dieser Gemengelage entwickelt sich in Verbindung mit Fragestellungen der Datensicherheit derzeit insbesondere bei kleinen und mittleren Unternehmen eine vielfach abwartende, bisweilen sogar ablehnende Haltung hierzu.

„Industrie 4.0 ist nicht von der Stange zu haben“, Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann,

Da aber die Digitalisierung Zug um Zug und mit hoher Geschwindigkeit die Produktion durchdringen wird, ist es unerlässlich, dass jedes Unternehmen auf der Leitungsebene eine Strategie zu Industrie 4.0 entwickelt. Es darf keine Frage sein, ob sich ein Unternehmen mit Industrie 4.0 befasst, sondern, wie und in welchem Umfang die schnelle Implementierung im Einzelfall ausgestaltet wird. Industrie 4.0 ist nicht von der Stange zu haben, sondern die jeweilige Ausprägung wird hochgradig spezifisch sein. Für jedes Unternehmen und jeden Unternehmensbereich wird es eine individuelle Antwort brauchen, die auch eine Neubewertung der Geschäftsmodelle und Strategien einschließt.

Für die unternehmensspezifische Evaluierung und Umsetzung von Industrie 4.0 stehen externe Spezialisten wie das IKV als Entwicklungspartner zur Verfügung. Es ist in zahlreichen Verbünden engagiert und zentraler Partner im Bundes-Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“, dessen Kern die Forschung zu Industrie 4.0 seit zehn Jahren darstellt. Die K 2016 wird auf vielfältige Weise, nicht nur am IKV-Stand (Halle 14/C16), die Fülle der Möglichkeiten von Industrie 4.0 aufzeigen. Alle Unternehmer und Führungskräfte sollten diese Gelegenheit nutzen, um sich über die Chancen zu informieren und Industrie 4.0 zur Stärkung des Unternehmenserfolgs in Produkte und Dienstleistungen umzuwandeln.

Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann