Industrie 4.0. Definition, Chancen und Risiken

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Formel- und Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Warum Industrie 4.0?

3. Was ist Industrie 4.0 konkret?
3.1. Herleitung der Bezeichnung
3.2. Definition der Industrie 4.0
3.3. Schlüsseltechnologien von Industrie 4.0
3.3.1. Stufe 1: Cyber-physisches System (CPS)
3.3.1.1. Ubiquitous Computing
3.3.1.2. Internet der Dinge und Dienste (IoTS)
3.3.1.3. Cloud Computing
3.3.2. Stufe 2: Cyber-physisches Produktionssystem (CPPS)
3.3.2.1. Ebene 1: Physische Objekte
3.3.2.2. Ebene 2: Datenspeicher
3.3.2.3. Ebene 3: Dienstsystem
3.3.3. Stufe 3: Industrie 4.0
3.3.4. Additive Fertigungsverfahren als weitere Schlüsseltechnologie
3.4. Industrie 4.0 entlang der Wertschöpfungskette
3.4.1. Entwicklung
3.4.2. Fertigung
3.4.3. Logistik
3.4.4. Nutzungsphase

4. Chancen der Industrie 4.0
4.1. Neue Geschäftsmodelle
4.1.1. Intelligente Produkte
4.1.2. Intelligente Services
4.1.3. Open Source
4.1.4. Personalisiertes Produkt
4.1.5. Losgröße eins im Aftermarket
4.1.6. Verfügbarkeit on Demand
4.1.7. Offenes Geschäftsmodell: Marktplatz
4.2. Verbesserung bestehender Geschäftsmodelle
4.2.1. Verkürzung der Lieferzeit
4.2.2. Verbesserung der Qualität

5. Risiken der Industrie 4.0
5.1. Ausbremsen der Entwicklung durch Unsicherheit der Unternehmen
5.2. Datenverlust

6. Fazit

Quellenverzeichnis

Bildquellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

[1] Stufen der Industriellen Revolution

[2] Komponenten der Industrie 4.0

[3] SensorCloud

[4] Cyber-physisches System

[5] Überblick über die Geschäftsmodelle

[6] Die vier Dimensionen eines Geschäftsmodells

[7] Prozess für ein personalisiertes Produkt

[8] Integrierter Service- und Instandhaltungsprozess

Formel- und Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Große Firmen wie Siemens oder SAS propagieren mit dem Thema Industrie 4.0 und werben mit der Umsetzung eines Zukunftsmodells. Auch das Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gründeten zusammen mit verschiedenen Verbänden aus der Industrie eine Plattform zur Fortführung und Weiterentwicklung des Projektes durch themenspezifische Ar- beitsgruppen (vgl.[1] ).

Aber was bedeutet der Begriff Industrie 4.0 eigentlich? Warum sollten Firmen über eine Einführung nachdenken? Welche Chancen verbergen sich dahinter? Die vorliegende Studienarbeit befasst sich damit, den Begriff Industrie 4.0 zu definieren und die konkreten Möglichkeiten des Konzeptes näher zu beschreiben. Weiterhin sollen die Chancen, beispielsweise in Bezug auf die Geschäftsmodelle der Zukunft, erläutert und mit dem Konzept verbundene Risiken beschrieben werden.

2. Warum Industrie 4.0?

Dieser Abschnitt gibt einen Einblick in die Möglichkeiten, die sich durch die konsequente Einführung von Industrie 4.0 ergeben.

Zur Beschreibung des Sinnes der Einführung von Industrie 4.0 soll folgendes Bei- spiel dienen: Ein Kunde bestellt beim Unternehmen Eugen Woerner GmbH & Co. KG, einem führenden Hersteller für Zentralschmieranlagen, einen Fettverteiler. Da der Kunde diesen jedoch in einem U-Boot einsetzen möchte, kann der Verteiler nicht, wie üblich, aus einem Aluminiumkörper bestehen, sondern muss seewasserbestän- dig sein. Weil dies nicht der Serienversion entspricht, gibt der Kunde seinen Sonder- wunsch bei der Bestellung mit an. Der Hersteller erhält die Anfrage des Kunden und muss prüfen, ob die Produktion des bestellten Verteilers möglich ist. Dabei muss auf die Verfügbarkeit des Materials, die Fertigungsmöglichkeit mit bestehenden Maschi- nen und Werkzeugen, die Verträglichkeit des Materials mit anderen Werkstoffen aus dem Innenbereich des Verteilers und die Herstellbarkeit von Zubehörteilen in see- wasserbeständiger Qualität geachtet werden. Danach wird berechnet, zu welchen Kosten diese Sonderanfertigung hergestellt werden kann und ob dieser Preis für den Kunden vertretbar ist. Sobald der Kunde und der Hersteller einen verbindlichen Kaufvertrag abgeschlossen haben, wird ein Produktionstermin festgelegt. Die indivi- duellen Auftragsdaten der Sonderanfertigung werden nun bei der Bestellung des Rohmaterials über die Produktionsplanung bis hin zur spezifischen Umrüstung der Maschine und des Montageplatzes weitergegeben.

Damit die Sonderanfertigung möglichst reibungslos ablaufen kann, ist es sinnvoll, das Unternehmen möglichst vollständig zu vernetzen. Somit kann die Prüfung der Anfrage nahezu vollautomatisch durchgeführt werden und auch bei der Fertigung selbst besteht kaum Bedarf seitens des Menschen, einzugreifen. Die Umsetzung dieses Konzeptes verdeutlicht einen wichtigen Bereich der Industrie 4.0 (vgl.[2], S. 2).

Innerhalb von Deutschland soll damit die Wettbewerbsfähigkeit der fertigenden Industrie erhalten und weiter ausgebaut werden (vgl. ebd.).

Die Schlüsseltechnologien zur Einführung der Industrie 4.0 sind häufig bereits auf dem Markt existent. So spielt beispielsweise die Digitalisierung eine wichtige Rolle. Die Produkte bestehen oftmals aus Software, Steuerungen oder Kommunikationsein- richtungen und können mit dem Internet verbunden werden. Dies bedeutet für die Industrie, dass es möglich ist, die Daten aus vernetzten Maschinen zu nutzen und sie in betriebswirtschaftliche und technische Prozesse zu integrieren (vgl. ebd.).

Weiterhin verändern sich bereits seit vielen Jahren die Wertschöpfungsnetzwerke. Für die Maschinenhersteller bedeutet dies, dass sie nicht nur die Maschine selbst verkaufen können, sondern auch die dazugehörigen Prozesse. Ein Beispiel hierfür ist der Druckerhersteller, der neben dem Drucker auch einen automatischen Lieferser- vice für neuen Toner anbietet, sobald der alte zur Neige geht (vgl.[2], S. 2f).

Die Kunden wünschen sich zusehends personalisiertere Produkte. Dies zeigt sich beispielsweise darin, dass KFZ-Hersteller dem Trend nicht nur dadurch folgen, dass die Neuwagen nach Wunsch zusammengestellt werden können, sondern auch zu- sätzlich noch die Möglichkeiten der Kombination gesteigert werden. So können beim Kleinwagen eines deutschen Herstellers zusätzlich zur Außenfarbe auch noch die Farbe der Felgen, des Daches, der Spiegel, der Kühlergrillspange und des Interieurs verändert und das Fahrzeug anschließend noch mit verschiedensten Folierungen ausgestattet werden (vgl.[3] ).

Durch die neuen Trends bieten sich auch Chancen für neue Geschäftsmodelle. Dies zwingt die auf dem Markt etablierten Unternehmen, ihr Geschäftsmodell anzupassen. Als Beispiel hierfür dient der internetfähige Thermostat der Firma Nest, welcher Da- ten von Endkunden an eine Cloud weiterleitet. Aufgrund dieser Daten kann das Nut- zerverhalten ausgewertet und Einsparpotenzial aufgezeigt werden. Die Informationen dienen dazu, die Produkte zu verbessern und kundenspezifische Services, wie eine Energieberatung, anzubieten. Klassischen Heizungsherstellern, die nicht über solche Daten verfügen, bleibt dieses Geschäftsmodell verwehrt (vgl.[2], S. 3).

Technische Geräte besitzen heute oftmals sogenannte eingebettete Systeme. Diese ermöglichen eine effektive Zusammenarbeit von Hardware, Software und Mechanik.

Damit können komplexe Funktionalitäten realisiert werden (vgl. ebd.). So besitzen höherwertige Geschirrspülmaschinen beispielsweise ein eingebettetes System, das für die elektronische Regelungstechnik verantwortlich ist. Damit kann der Verschmutzungsgrad des Geschirrs, die Menge der Beladung und weitere Parameter abgeprüft und daraus ein passendes Spülprogramm erstellt werden (vgl.[4] ).

3. Was ist Industrie 4.0 konkret?

In diesem Abschnitt wird die Herkunft des Begriffes erläutert und seine Bedeutung definiert. Weiterhin wird darauf eingegangen, welche Schlüsseltechnologien von besonderer Bedeutung sind.

3.1. Herleitung der Bezeichnung

Der Begriff Industrie 4.0 ist eine Wortschöpfung, die zur Bezeichnung der 4. Industri- ellen Revolution dienen soll. Die 1. Industrielle Revolution steht für die Zeit der Was- ser- und Dampfkraftnutzung, um die Effizienz der mechanischen Produktion zu stei- gern. Bei der 2. Industriellen Revolution wurde die arbeitsteilige Band- und Massen- produktion eingeführt, welche durch die Nutzung der elektrischen Energie ermöglicht wurde. Die 3. Industrielle Revolution steht für den Einsatz von Informationstechnik und Elektronik, um die Automation in der Produktion zu ermöglichen (vgl.[2], S. 4).

Die 4. Industrielle Revolution zeichnet sich dadurch aus, dass Systeme mittels Inter- net vernetzt sind und kommunizieren. Produkte sollen damit über ihren kompletten Lebenszyklus hinweg auf eine neue Stufe hinsichtlich Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette gehoben werden. Dies wird über die Kombinati- on von Vernetzung und Kommunikation via Internet sowie der Produktions- und Au- tomatisierungstechnik erreicht. Ziel hiervon ist die Individualisierung der Produkte ebenso wie die deutliche Flexibilisierung und Verbesserung der Wertschöpfung (vgl. [5], S. 5).

In der nachfolgenden Grafik ist nochmals zusammenfassend gezeigt, wie sich die Stufen der Industriellen Revolution ausbildeten und damit der Begriff der 4. Industriellen Revolution entstand.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[1]Stufen der Industriellen Revolution

3.2. Definition der Industrie 4.0

Die folgenden Charakteristika beschreiben ein Unternehmen der Industrie 4.0: - Produktindividualisierung:

Dies bedeutet, dass sich Kundenwünsche, egal wie individuell oder kurzfristig sie sind, berücksichtigen lassen. Dazu müssen Lösungswege außerhalb der bereits vorbereiteten Konfigurationsmöglichkeiten gefunden werden, insbesondere beim

Design, der Planung und der Produktion. Weiterhin muss die Rentabilität bei der Herstellung von Produkten auch bei der Losgröße eins gegeben sein. - Flexibilität und Effizienz der Produktion:

Die Durchlaufzeit (lead time), in diesem Fall die der Kundenanfragen, kann ver- kürzt und flexibler gestaltet werden. Dies betrifft auch die Produkteinführungszeit (time-to-market), wie beispielsweise durch Verkürzung der Entwicklungszeit. Eine Möglichkeit hierfür wäre der Einsatz von digitalem Engineering, 3D-Druck im Pro- totypenbau oder vorhersagender Analytik (predictive analytics). Geschäftsprozes- se können wesentlich dynamischer gestaltet werden, wenn sich sogenannte cy- ber-physische Produktionssysteme (CPPS) selbstständig ad-hoc vernetzen. Auf Abweichungen, wie Ausfälle bei Zuliefererfirmen oder eine kurzfristige Steigerung der Liefermenge, kann somit schnell und flexibel reagiert werden. Wenn die Ent- wicklung und Produktion durchgängig digital und in Echtzeit transparent ist, kön- nen lokale und globale Optimierungen erreicht und eine schnelle und flexible Ent- scheidungsfähigkeit hergestellt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[2] Komponenten der Industrie 4.0

3.3.1. Stufe 1: Cyber-physisches System (CPS)

Ein cyber-physisches System ist eine Kombination aus Software- und Hardwaresys- temen. Es ist ein vielschichtiger und intelligenter Zusammenschluss, bei dem jede physische Sache eine eigene Identität hat. Ein CPS besteht aus den drei Unterkom- ponenten Ubiquitous Computing, Internet der Dinge und Dienste und Cloud Compu- ting (vgl.[6], S. 23).

3.3.1.1. Ubiquitous Computing

Die Technologie im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik sowie der Mikroelektronik verbessert sich kontinuierlich. Damit steigt auch die Leistungsfähig- keit der Rechner ständig. Weiterhin wird diese Technologie auch immer günstiger, was dazu führt, dass selbst Alltagsgegenstände mit hocheffizienter Mikroelektronik ausgestattet werden können. Dies nennt sich auch „Embedded Computing“.

- Produktivitätssteigerung:

Darunter fällt beispielsweise die Optimierung der Produktion in Bezug auf die Senkung von Ressourcen- und Energieverbrauch sowie der Emissionen. Weiterhin kann eine Prognose und Optimierung der notwendigen Wartungsarbeiten im Service- und Produktionsbereich durchgeführt werden (predictive maintenance). Mit dem Einsatz von durchgängigem digitalen Engineering und Technologien, wie Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR), besteht die Möglichkeit, Geschäftsvorgänge ausführlich zu simulieren.

- Steigerung der Einsatzfähigkeit der Mitarbeiter:

Durch ein geeignetes Zusammenspiel von Mensch und technischen Systemen kann eine demographie-orientierte Arbeitsgestaltung stattfinden. In der Produktion kann durch den Einsatz von visuellen qualitätsichernden Systemen, also intelligenten Assistenzsystemen, eine dauerhaft gleichbleibende Produktqualität gewährleistet werden. Eine ständige Bereitstellung von aktuellen Informations- und Trainingsmaterialien bietet weitreichende Job-Enrichment und Job-Enlargement Möglichkeiten. Der vorherrschende Fachkräftemangel wird dabei durch das Angebot neuer Laufbahnmodelle sowie die steigende kulturelle, geschlechtliche und altersmäßige Vielfalt der Beschäftigten eingedämmt.

- Integration von Kunden und Geschäftspartnern:

Kunden und Geschäftspartner werden zukünftig stärker in die Geschäfts- und Wertschöpfungsprozesse mit eingebunden.

- Erweiterung des Geschäftsmodells:

Der Verkauf von sogenannten hybriden Produkten bedeutet die Verbindung der Produktproduktion mit der Bereitstellung von zusätzlichen hochwertigen Dienstleistungen. Damit wird das bisherige Leistungsangebot erweitert und ergänzt. Außerdem kann durch die Kombination von intelligenten Dienstleistungen eine Evolution vom reinen Produktanbieter zum Anbieter von Komplettlösungen erfolgen. Dies bietet neue Wertschöpfungspotenziale.

(vgl.[5], S. 5-8)

Eine einheitliche Definition von Industrie 4.0 ist bisher noch nicht geschaffen worden. Der Herausgeber des Sammelbandes „Einführung und Umsetzung von Industrie 4.0“, Armin Roth, hat jedoch in seinem Werk folgende Definition aufgestellt:

„Industrie 4.0 umfasst die Vernetzung aller menschlichen und maschinellen

Akteure über die komplette Wertschöpfungskette sowie die Digitalisierung und Echtzeitauswertung aller hierfür relevanten Informationen, mit dem Ziel die Prozesse der Wertschöpfung transparenter und effizienter zu gestalten, um mit intelligenten Produkten und Dienstleistungen den Kundennutzen zu opti- mieren.“ ([5], S. 6)

Dies bedeutet, dass Industrie 4.0 eigentlich eher als Überbegriff für verschiedene Schlüsseltechnologien zu verstehen ist. Diese Technologien existieren unabhängig voneinander teilweise schon seit geraumer Zeit. Durch eine Weiterentwicklung und Kombination der bereits bestehenden Schlüsseltechnologien wurde Industrie 4.0 ge- schaffen. Die tatsächliche konsequente Umsetzung von Industrie 4.0 in Summe der bestehenden Technologien wird jedoch erst nach und nach möglich, da die Evolution der bedeutenden Produkte und Lösungen, die für die Umsetzung des Konzeptes In- dustrie 4.0 benötigt werden, stark voranschreitet und sich noch in der Entwicklung befindet. Je schneller dieser Prozess vonstattengeht und je ausgereifter die Techno- logien werden, desto mehr kann auch die Bedeutung von Industrie 4.0 für die Zukunft erfasst werden (vgl.[5], S. 6).

3.3. Schlüsseltechnologien von Industrie 4.0

Einige wichtige Technologien wurden in der vorliegenden Arbeit bereits angesprochen. Zum besseren Verständnis sollen die sogenannten „Enablertechnologien“ von Industrie 4.0 nun zusammenfassend beschrieben werden (vgl.[6], S. 20).

Das Konzept der Industrie 4.0 basiert auf einer „intelligenten Fabrik“. Dies bedeutet, dass der stetig wachsende Anteil von Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) für ein Unternehmen kontrollierbar bleiben muss (vgl. ebd.).

In der nachfolgenden Abbildung werden die Komponenten der Industrie 4.0 zusammenfassend dargestellt. Hiermit soll ein grundlegendes Verständnis für die Ideen und Ansätze geschaffen werden. dann in Kombination mit entsprechender Software sogenannte „Embedded Devices“.

Werden diese Alltagsgegenstände mit dem Internet verbunden, ist der Schritt zum „Ubiquitous Computing“ geschehen. Ziel dieser Gegenstände ist, dass sie allgegen- wärtig den Menschen möglichst unbemerkt und diskret bei alltäglichen Aufgaben un- terstützen. Dazu müssen möglichst viele Gegenstände, auch solche die normaler- weise nicht als typisch elektronische Geräte klassifiziert werden, mit entsprechenden kommunikationsfähigen Sensoren und der nötigen Rechenleistung bestückt werden (vgl.[6], S. 24f).

3.3.1.2. Internet der Dinge und Dienste (IoTS)

Diese Technologie basiert auf der vollständigen Vernetzung der Alltagsobjekte. Der Zusatz „Dienste“ bezieht sich auf sämtliche Dienstleistungen, die bereits damit er- bracht werden können, wie beispielsweise Smart Home oder Smart Cars. Die Abkür- zung IoTS bezieht sich dabei auf die bereits geläufige Bezeichnung „Internet of Things“ mit dem Zusatz „and Services“. Das Ziel ist es, dass alle möglichen physi- schen Objekte, die mit einer IP-Adresse ausgestattet werden können, Informationen weitergeben und bereitgestellte Dienste abrufen können. Dazu sollen sie mit weite- ren Gegenständen oder IT-Systemen, egal welcher räumlichen Differenz, kommuni- zieren. Dabei wird das allgegenwärtige Internet auf die sogenannten „Smart Pro- ducts“ ausgeweitet. Diese erstellen ständig Datenmaterial, welches im Anschluss verarbeitet werden muss, um darauf basierende Dienste anbieten zu können. Mit der Einführung von Industrie 4.0 sollen jedoch nicht nur einzelne Gegenstände, sondern ganze Produktionsanlagen über das IoTS miteinander kommunizieren. Dies bewirkt, dass aufgrund der erhobenen Daten selbstständig Maßnahmen getroffen und umge- setzt werden können (vgl.[6], S. 26f).

Zur Umsetzung von IoTS sind verschiedenste Technologien notwendig, die nachfolgend kurz beschrieben werden sollen.

Embedded Devices werden benötigt, damit intelligente Objekte in eigener Verantwortung Informationen interpretieren und daraus Schlüsse ziehen können. Deshalb werden Gegenstände mit Prozessoren, Mikrocontrollern und Speicherbausteinen ausgestattet (vgl.[6], S. 28).

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