Was ist eine Smart Factory und intelligente Fertigung?

Laut McKinsey und dem Weltwirtschaftsforum wird das Wertschöpfungspotenzial für Hersteller, die Smart-Factory-Technologien implementieren, bis 2025 weltweit 37 Billionen USD erreichen. Diese Zahl unterstreicht, wie Industrie 4.0 die Fertigung neu gestaltet, da Unternehmen von den Vorteilen der digitalen Transformation profitieren, darunter weniger Ausfallzeiten sowie eine verbesserte Produktivität und Effizienz.

Wenn Menschen den Begriff „Smart Factory“ hören, stellen sie sich oft eine Anlage vor, die von Robotern dominiert wird und in der kaum noch Menschen anwesend sind. Die Realität sieht jedoch völlig anders aus.

Anstatt Menschen zu ersetzen, geht es in einer Smart Factory darum, Menschen, Maschinen und Daten miteinander zu verknüpfen, um eine effizientere und produktivere Fertigungsumgebung mit höherer Qualität zu schaffen.

Dieser Artikel beleuchtet die Grundlagen von Smart Factories, darunter:

Was eine Smart Factory ist und wie sie funktioniert
Beispiele für Smart-Factory-Technologien und deren Auswirkungen auf die Qualität
Vorteile des Aufbaus einer Smart Factory

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Was ist eine Smart Factory?

Eine Smart Factory bezeichnet die Kombination verschiedener Industrie-4.0-Technologien zu einem automatisierten, flexiblen und selbstoptimierenden Fertigungssystem, das Effizienz- und Produktivitätssteigerungen vorantreibt. Die Smart Factory umfasst eine Vielzahl von Technologien, die heute in der Fertigung eingesetzt werden, darunter:

Cloud-Software
Industrial Internet of Things (IIoT)
Technologien für vernetzte Arbeitskräfte
KI
Additive Fertigung

Wie funktioniert eine Smart Factory?

Eine Smart Factory arbeitet als integriertes Ökosystem, das Maschinen, Menschen und Daten zusammenführt, um den gesamten Fertigungsprozess kontinuierlich zu verbessern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fabriken, die auf manuelle oder sogar isolierte digitale Prozesse setzen, bündelt eine Smart Factory mehrere Datenströme, um die Abläufe in Echtzeit zu optimieren.

SAP unterteilt die Struktur einer Smart Factory in drei verschiedene Ebenen:

Datenerfassungsebene: Diese grundlegende Ebene erfasst Daten aus verschiedenen Quellen wie IIoT-Sensoren, Qualitätskontrollpunkten, Lieferketten- und Kundendienstsystemen. Diese diversen Datenströme bieten einen umfassenden Überblick über den gesamten Fertigungsprozess.
Datenanalyse- und -verarbeitungsebene: Auf dieser Ebene verarbeiten Technologien wie Cloud-Software, Advanced Analytics und künstliche Intelligenz die gesammelten Daten, um die Fertigungsprozesse zu verbessern. Diese Ebene verwandelt Rohdaten in verwertbare Erkenntnisse und ermöglicht so fundierte Entscheidungen im gesamten Unternehmen.
Ebene für intelligente Automatisierung und Ausführung: Erkenntnisse aus Big-Data-Analysen optimieren und automatisieren die Abläufe in der Fertigung. Dies kann die Anpassung von Produktionsplänen und Materialflüssen, die Feinabstimmung robotergestützter Prozesse, die Bereitstellung präventiver Instandhaltungshinweise sowie die Optimierung von Lieferkettenprozessen umfassen.

Wenn diese Ebenen integriert sind, entsteht ein geschlossener Kreislauf, in dem ein konstanter Strom verwertbarer Daten kontinuierliche Verbesserungen in der Smart Manufacturing-Praxis vorantreibt. Für Qualitätsverantwortliche bietet eine Smart Factory eine bessere Transparenz über die Phasen des Fertigungsprozesses, um proaktiv auf potenzielle (oder wahrscheinliche) Probleme reagieren zu können.

Beispiele für Smart-Factory-Technologie

Smart Factories nutzen eine Vielzahl modernster Technologien, um den Produktionsprozess zu optimieren. Im Folgenden besprechen wir einige Beispiele für Smart-Factory-Technologie und erläutern, wie Werke diese einsetzen, um die Abläufe zu optimieren, die Produktentwicklung zu beschleunigen und ein höheres Niveau an Qualität und Effizienz zu erreichen.

Cloud Computing

Cloud Computing ermöglicht die externe Speicherung und Verarbeitung von Daten sowie den Fernzugriff darauf, um die Zusammenarbeit und Entscheidungsfindung in Echtzeit zu erleichtern. Beispielsweise kann ein Werk cloudbasierte Audit-Software verwenden, um die Prozesseinhaltung über mehrere Fertigungslinien hinweg zu überwachen, sodass Verantwortliche Nichtkonformitäten und Trends erkennen können, um Mängel und Reklamationen zu vermeiden.

Industrielles IIoT

Das Internet der Dinge (IoT) oder das industrielle Internet der Dinge (IIoT) bezeichnet ein Netzwerk aus miteinander verbundenen Geräten und Sensoren, die große Datenmengen erfassen und austauschen. Ein Beispiel hierfür wären Sensoren an Fertigungsausrüstung, die Leistungsdaten in Echtzeit übertragen, um vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) und eine frühzeitige Warnung vor drohenden Problemen zu ermöglichen.

Big Data

Big Data bezieht sich auf umfangreiche und komplexe Datensätze, die Einblicke in großflächige Muster und Trends ermöglichen. Ihr Werk könnte beispielsweise jahrelange Produktions- oder IIoT-Sensordaten analysieren, um optimale Betriebsbedingungen und Frühindikatoren für die Qualität zu identifizieren. 

KI und maschinelles Lernen

KI- und Machine-Learning-Technologien wenden Algorithmen und statistische Modelle auf große Datensätze an, um aus diesen Daten zu lernen sowie Rückschlüsse und Entscheidungen darauf basierend zu treffen, wodurch die operative Effizienz in Smart Factories gesteigert wird. Ein Beispiel hierbei ist die Kombination von KI mit industriellen Bildverarbeitungssystemen, die Produktbilder während der Inspektion analysieren und Mängel erkennen, die bei einer herkömmlichen Inspektion andernfalls möglicherweise übersehen würden.

3D-Druck

Der 3D-Druck oder die additive Fertigung ist ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus digitalen Dateien. Der 3D-Druck ermöglicht ein schnelleres Prototyping neuer Produktdesigns oder maßgeschneiderter Teile bei Bedarf, wodurch Lagerbestände reduziert und Innovationen beschleunigt werden. 

Digitale Zwillinge

Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Repräsentation eines physischen Objekts oder Prozesses, die von intelligenten Fabriken zu Simulations- und Optimierungszwecken genutzt wird. Sie können beispielsweise einen digitalen Zwilling einer Fertigungslinie erstellen, um Daten zu analysieren und verschiedene Konfigurationen zu testen, um die Leistung ohne Unterbrechung des Betriebs zu optimieren. 

AR/VR

Erweiterte Realität (Augmented Reality, AR) und virtuelle Realität (Virtual Reality, VR) sind Technologien, die physische Umgebungen erweitern oder simulieren. Beispielsweise können Instandhaltungstechniker AR-Brillen verwenden, um auf Echtzeitanweisungen und Fehlerbehebungshinweise für komplexe Montageprozesse zuzugreifen, was die Genauigkeit und Effizienz verbessert.

Edge Computing

Edge Computing bezeichnet die Datenverarbeitung nahe dem Ort der Erfassung in der Fertigung, was die Analyse beschleunigt und Netzwerkressourcen schont. Ein Beispiel hierfür wären Steuerungssensoren an einer Fertigungslinie, die Bilddaten lokal verarbeiten, um sofortige Entscheidungen über Produktfehler zu treffen, ohne Daten an einen zentralen Server senden zu müssen.

Fortgeschrittene Robotik (Cobots)

Fortschrittliche Robotiktechnologien wie Cobots sind Roboter, die für die sichere Zusammenarbeit mit Menschen entwickelt wurden, um komplexe Aufgaben zu bewältigen und die Effizienz zu steigern. Ein Cobot kann einen menschlichen Mitarbeiter bei einem präzisen Montageprozess unterstützen und seine Bewegungen basierend auf Qualitätsdaten in Echtzeit und den Aktionen des Mitarbeiters automatisch anpassen.

Blockchain für Rückverfolgbarkeit

Blockchain ist eine dezentrale, manipulationssichere digitale Ledger-Technologie, die Transaktionen aufzeichnet und zur Verfolgung von Produkten über die gesamte Lieferkette hinweg genutzt werden kann. Hersteller können die Blockchain beispielsweise im Rahmen des Supply-Chain-Managements einsetzen, um jeden Schritt des Weges eines Produkts von den Rohstoffen bis zum Fertigwarenprodukt zu verfolgen.

Vorteile von Smart Factories und ihre Ergebnisse

Unternehmen, die Smart-Factory-Technologie einführen, können erhebliche Vorteile über eine Reihe von Fertigungsmetriken hinweg erzielen, einschließlich derjenigen, die durch die vierte industrielle Revolution angetrieben werden:

Produktivität und Effizienz: Ein wesentlicher Vorteil von Smart Factories besteht darin, dass sie kostspielige Ausfallzeiten reduzieren und zudem die Effizienz durch eine optimierte Ressourcenzuweisung verbessern. Accenture hat herausgefunden, dass vorausscheidende Wartung (Predictive Maintenance) Geräteausfälle um bis zu 70 % reduzieren kann, während eine KI-gesteuerte Planung die Anlagenverfügbarkeit um 20 bis 30 % steigern kann.
Qualitätsverbesserung: Fortschrittliche Analysen in Kombination mit Echtzeitüberwachung ermöglichen es Teams, die Zeitspanne zwischen der Identifizierung eines Problems und seiner Behebung zu verkürzen. Laut dem Weltwirtschaftsforum haben einige Unternehmen Mängel beispielsweise um 50 % oder mehr reduziert, wodurch die Kundenzufriedenheit gesteigert und gleichzeitig Reklamationen und Rückrufe verringert wurden.
Kostensenkung: Trotz der anfänglichen Investition können intelligente Fabriken erhebliche langfristige Einsparungen erzielen. Geringere Ausfallzeiten und weniger Mängel tragen in Verbindung mit effizienteren, schlankeren Prozessen laut McKinsey zu einer Steigerung des Durchsatzes und der Produktivität von bis zu 30 % bei.
Nachhaltigkeit: Intelligente Fabriken können Herstellern helfen, sowohl den Energieverbrauch als auch den Abfall zu reduzieren. Die Internationale Energieagentur (IEA) berichtet beispielsweise, dass ein KI-gestütztes Energiemanagement Einsparungen ermöglichen kann, die über 10 % der jährlichen Energiekosten vor Ort entsprechen. Eine verbesserte Genauigkeit und vorausschauende Wartung tragen zu einem kleineren CO2-Fußabdruck bei.

Der vernetzte Mitarbeiter und die intelligente Fabrik

Da Fertigungsprozesse zunehmend digitalisiert werden, bleiben häufig die Menschen auf der Strecke, da es zu Verzögerungen zwischen der Datenerfassung und der Bereitstellung für diejenigen kommt, die sie am dringendsten benötigen. Eine aufkommende Strategie für intelligente Fabriken, die sich auf die Bekämpfung dieses Problems konzentriert, ist der vernetzte Mitarbeiter.

Der vernetzte Mitarbeiter ist jedoch nicht nur ein weiteres Werkzeug oder gar eine Sammlung von Werkzeugen. Vielmehr handelt es sich um eine umfassendere Strategie, die darauf abzielt, die wachsende digitale Kluft zwischen Menschen, Informationen, Systemen und Maschinen zu überbrücken. Das Ziel ist einfach und dennoch wirkungsvoll: Die richtigen Personen zur richtigen Zeit mit den richtigen Informationen versorgen, damit sie die besten Entscheidungen treffen können.

Beispiele hierfür sind, Bedienern Zugriff auf On-the-Job Training-Checklisten und Leitfäden zur Fehlerbehebung zu geben, das Management automatisch über Nichtkonformitäten bei Audits in der Fertigung zu informieren oder IoT-Daten zu nutzen, um während der Produktion Echtzeitanweisungen zu geben.

Im Großen und Ganzen erfordern Strategien für den vernetzten Mitarbeiter ein schrittweises Fundament, das Folgendes umfasst:

Digitalisierung von Arbeitsprozessen
Vernetzung von Mitarbeitern mit Personen, Informationen und Systemen
Ermöglichung von Informationsfluss und Reaktionen in Echtzeit

Durch die Implementierung einer Strategie für den vernetzten Mitarbeiter können Hersteller:

Reaktionszeiten beschleunigen, um die Auswirkungen von Problemen in der Fertigung zu begrenzen
Die Transparenz und Standardisierung von Prozessen verbessern
Wissenslücken schließen, die aufgrund von anhaltenden Pensionierungen und dem Verlust von institutionellem Wissen größer werden

Da Praktiken von Industrie 4.0 weiterhin neu definieren, was in der Fertigung möglich ist, werden intelligente Fabriken maßgeblich dazu beitragen, ein Umfeld zu schaffen, in dem Daten, Maschinen und – was am wichtigsten ist – Menschen nahtlos zusammenarbeiten, um kontinuierliche Verbesserungen und Innovationen voranzutreiben.

Anstatt ein einmaliges Projekt zu sein, ist die Schaffung einer intelligenten Fabrik ein Prozess, der Zeit in Anspruch nimmt, während Hersteller die Werkzeuge und Strategien auswählen, die am besten zu ihren Zielen und den zu lösenden Problemen passen. Und während die Technologie der intelligenten Fabrik zweifellos weiterhin enorme Datenmengen generieren wird, ist die Verbindung von Frontline-Mitarbeitern und Führungskräften mit diesen Daten für den Erfolg von entscheidender Bedeutung.

Das Endergebnis ist ein Werk, das nicht nur vernetzt und intelligent ist, sondern auch den Menschen in den Mittelpunkt stellt, indem die Mitarbeiter über die erforderlichen Einblicke verfügen, um die besten Entscheidungen zu treffen, unabhängig davon, was passiert.