Durch 3D-Drucker werden sich Wertschöpfungsketten verändern. Produkte werden komplett digital entwickelt und produziert und die zugehörigen Baupläne können digital gehandelt werden“, ist sich BITKOM-Präsident Prof. Dieter Kempf sicher. 3D-Drucker arbeiten in einem sogenannten additiven Verfahren: Ein Produkt wird gefertigt, indem Material schichtweise aufgebaut wird. Zunächst wird das Produkt in einem Datensatz als virtuelles 3D-Modell beschrieben. Beim Druck dieser Datei wird in der Regel ein Grundstoff (meist flüssiger Kunststoff, aber auch Keramik oder Metall) Schicht für Schicht durch Spritzdüsen auf einer Grundfläche aufgebracht, dann wird die Fläche millimeterweise abgesenkt und die neue Lage aufgebracht. So entsteht ein räumliches Produkt. 3D-Drucker ermöglichen damit die kostengünstige, individuelle Herstellung von Produkten in Kleinstmengen – damit passen sie perfekt in das Konzept der Industrie 4.0.

Vom Prototyp zum endgültigen Bauteil

Durchgesetzt haben sich die Drucker bereits in der Entwicklung von Prototypen. Mussten früher oft in wochenlangen Prozessen neue Formen gegossen und Modelle gebaut werden, geschieht dies mittlerweile in wenigen Stunden. In ersten Anwendungen werden 3D-Drucker zudem genutzt, um Komponenten für Autos oder andere Produkte zu fertigen.
Die Firma Acist, ein Hersteller von medizinischen Geräten mit Sitz in Eden Prairie, USA, nutzt die FDM-Technologie von Stratasys, einem US-amerikanischen Hersteller von 3D-Druckern. Bei dem Fused Deposition Modeling-Verfahren werden Bauteile schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff „aufgespritzt“. „Wir beschränken den Einsatz von FDM nicht auf ein Aufgabengebiet“, so Dave Scott, Manufacturing Engineering Manager bei Acist. „Wir setzen die Technologie überall gerne ein. Sie wird für Vorrichtungen, Funktionstests, Industriedesign und endgültige Bauteile verwendet. Mit FDM können wir in ein Teil mehr Komplexität, Formen und Funktionen integrieren als mit herkömmlichen Methoden.”

Bauteil-Änderungen flexibel einpflegen

Ein Beispiel zeigt, wie flexibel ein Unternehmen mit 3D-Druck produzieren kann: Während eines Einsatzes einer der Maschinen von Acist in einem Krankenhaus äußerten die Bediener den Wunsch, an die Maschinen mehrere Messwandlertypen anschließen zu können, zwischen denen ein Umschalten möglich sein muss. Um das Problem zu beheben, entwarf Acist umgehend ein Bauteil in der CAD-Software und druckte es mit einem 3D-Drucker als funktionierendes Bauteil – es kann heute für Maschinen in aller Welt eingesetzt werden. Auch bei anderen Serienprodukten integriert Acist immer mehr 3D-Druckteile.

Lagerhaltung wird minimiert

Und der 3D-Druck sorgt nicht nur für eine flexible Fertigung – auch die Lagerhaltung wird deutlich verschlankt: Bei Acist besteht der Warenbestand im Prinzip nur aus einer digitalen Datei auf einem Server. Das Unternehmen kann auf Lagerhaltung und Lieferanten verzichten. Beim Ausfall eines Bauteils druckt Acist – selbst noch fünf Jahre später – einfach mit dem 3D-Drucker ein Ersatzteil und verschickt es am nächsten Tag. Scott nennt FDM „die ultimative schlanke Technologie”.

(Bildnachweis: IPF (Customer of Stratasys))

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Vor allem technische Aspekte stehen in der Diskussion um Industrie 4.0 im Vordergrund. Doch die smarte Fabrik wird auch erhebliche Auswirkungen auf den Menschen, der in ihr arbeitet, haben. „Die menschenleere Fabrik wird es nicht geben“, so Prof. Dr.-Ing. Sascha Stowasser, Direktor des Instituts für angewandte Arbeitswissenschaft in Düsseldorf. Er betont aber, dass „die Arbeitswelt von morgen sich mit dem Einsatz vernetzter Systeme ändern wird.“ Noch werden Arbeit und Arbeitsorganisation in der Industrie 4.0 seiner Meinung nach zu wenig diskutiert. Daraus resultieren auch Sorgen der Arbeitnehmervertreter: Wird der Mensch nur noch Rest­aufgaben übernehmen, gesteuert in cyber-physischen Systemen von Computern? Abgelehnt wird die Industrie 4.0 von den Gewerkschaften allerdings nicht. Doch Jörg Hofmann, Zweiter Vorsitzender der IG Metall, fordert: „Wir brauchen einen Neustart in arbeitspolitischer Perspektive. Erforderlich ist eine neue Humanisierungsoffensive, in der der Mensch die Systeme steuert und nicht umgekehrt.“

Der Mensch ist das flexibelste Element

Die Voraussetzungen sind sehr gut. Anders als beim CIM-Konzept (Computer Integrated Manufacturing) der späten 80er-Jahre übernimmt der Mensch in der Industrie 4.0 eine Schlüsselrolle: Er soll die steuernde, durchführende und überwachende Größe im Unternehmen sein. Denn der Mensch ist nach wie vor das flexibelste Element in den Produktionsabläufen.
Industrie 4.0, richtig umgesetzt, wird den Menschen also nicht überflüssig machen, sondern vielmehr sein Aufgabenspektrum und damit sein Qualifikationsprofil verändern. Dazu ein Beispiel: Aufgrund der Vernetzung und zunehmenden Autonomie von cyber-physischen Systemen werden der klassische Leitstand oder die Produktionsplanung an Bedeutung verlieren. Im Gegenzug werden allerdings die Mitarbeiter an den Maschinen, am Ort des Geschehens, mehr Entscheidungen treffen. Die dafür notwendigen Informationen zu Produkten und Prozessen erhalten sie von Assistenzsystemen.

Wissensarbeit statt Routine

In diesem Zusammenhang spricht man auch von Wissensarbeit. Wissensarbeit hat nichts mehr mit den herkömmlichen automatisierten Routinetätigkeiten der Fabrikarbeit zu tun. Sie ist durch eine völlig neuartige, komplexe und autonome Arbeitsumgebung gekennzeichnet. „Es gilt zu hinterfragen, wie Menschen arbeiten und lernen, wie sie mit neuen Technologien interagieren und wie sie an einem attraktiven und fordernden Produktionsarbeitsplatz einen Mehrwert für die Industrie erzeugen können“, verdeutlicht Martin Wifling vom Virtual Vehicle Research Center in Graz. Er ist Leiter eines europäischen Forschungsprojektes, in dem untersucht wird, wie Arbeitsplätze in der Fabrik der Zukunft attraktiv und intelligent gestaltet werden können.
Den Menschen in den Mittelpunkt der smarten Fabrik zu setzen, lohnt sich: Durch das Eingehen auf die Situation des Menschen im Produktionsablauf kann eine Erhöhung der Zufriedenheit und Motivation von Produktionsmitarbeitern erreicht werden. Dadurch kann insgesamt eine Steigerung der Produktivität um bis zu 10 Prozent bewirkt werden. Der Hauptfokus des Forschungsvorhabens liegt jedoch vorwiegend darin, „den Arbeitsplatz in der Produktion in Europa deutlich attraktiver zu gestalten, damit mehr Menschen sich gezielt für dieses fordernde und sich verändernde Berufsfeld entscheiden“, so Wifling.

Ein besserer Arbeitsplatz

Die Interaktion mit intelligenten Maschinen und die zunehmende Automation bieten darüber hinaus einige Chancen für die Qualität des Arbeitsplatzes, zum Beispiel für Flexibilisierung, neue Arbeitszeitregelungen oder das Thema Gesundheit am Arbeitsplatz. Gleichzeitig muss sich aber auch die Aus- und Weiterbildung an Industrie 4.0 anpassen. Jeanne Beliveau-Dunn, Vice President und General Manager, Learning@Cisco: „Die Mitarbeiter müssen sich heute auf die sich verändernden Anforderungen in ihrem Beruf einstellen. Die Nachfrage nach qualifizierten Fachkräften, die wissen, wie sie mit IT-Netzwerken und traditionellen Steuerungssystemen umgehen müssen, nimmt zu.“
(Bildnachweis: Shutterstock)

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Smart Data werden zur vorausschauenden Wartung, zur Effizienzoptimierung sowie zur Erreichung des optimalen Betriebspunktes genutzt. Das spart bis zu 30 Prozent Material, Energie, Kosten und Arbeitsaufwand und schont die Umwelt“, so Prof. Wolfgang Wahlster, CEO des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz DFKI. „In den meisten Fällen erreicht man diese Mehrwerte aber nur, wenn die Auswertung auch in Echtzeit geschieht, so dass Ergebnisse der Smart Data-Analyse direkt in die Prozesssteuerung einfließen können – sozusagen Smart Data Analytics in the loop. Wir haben solche Systeme nicht nur in unserer weltweit ersten Smart Factory für Industrie 4.0 (…) entwickelt, sondern erproben die Verfahren jetzt auch in entsprechend aufgerüsteten Fabrikanlagen zum Beispiel im Bereich der Bierabfüllung, der Medikamentenverpackung oder bei der Ventilproduktion“, ergänzt Wahlster.

Intelligente Datenlogger sammeln und ­analysieren Daten

Eine Möglichkeit, die gewaltigen Datenmengen reaktionsschnell zu verarbeiten, besteht in verteilter Intelligenz. Das bedeutet, dass einzelne Komponenten oder Module so intelligent und autonom gemacht werden, dass sie selbst bestimmen können, welche Informationen wertvoll sind. Um nicht jeden Sensor und jeden Aktor in der Anlage mit einer derartigen Intelligenz ausstatten zu müssen, können Datenlogger zwischengeschaltet werden.
Dabei handelt es sich um prozessorgesteuerte Speichereinheiten, die Daten in einem regelmäßigen Rhythmus von einem oder auch mehreren Sensoren aufnehmen und speichern. Dazu bestehen Datenlogger aus einem programmierbaren Mikroprozessor, einem Speichermedium wie einer Festplatte oder einem Flash-Speicher, mindestens einer Schnittstelle zur Kommunikation mit übergeordneten Strukturen und einem oder mehreren Kanälen zum Anschluss der Datenquellen. Moderne Datenlogger können Daten nicht nur sammeln und speichern, sondern auch in hoher Geschwindigkeit verarbeiten und analysieren.

In-Memory-Computing Basis für schnelle Analysen

Diese vorgefilterten Daten werden im Industrie 4.0-Konzept dann über das Netzwerk in eine Datenbank übergeben. Eine Software macht sie vergleichbar und stellt Zusammenhänge zwischen ihnen her. Damit diese Informationen jedoch tatsächlich in Echtzeit für Entscheidungen zur Verfügung stehen, reichen die bisherigen Datenbank-systeme nicht aus: Denn hier liegen die Daten einer Fabrik oftmals in vielen verschiedenen Datenbanken und eventuell sogar auf verschiedenen Speichermedien. Ein schneller Zugriff ist so oftmals unmöglich. Durch die Entwicklung der Speichertechnologie können heute Datenvolumen im Hauptspeicher eines Computers abgelegt werden. Diese Verarbeitung im Hauptspeicher – „In-Memory-Computing“ genannt – ermöglicht zusammen mit der generellen Zunahme der Rechengeschwindigkeit eine Echtzeitanalyse umfangreicher Datenbestände. In-Memory-Computing ist damit eine Voraussetzung für leistungsfähige Big Data-Applikationen. Auch alle großen Webanwendungen mit vielen Nutzern und Daten laufen aus Geschwindigkeitsgründen im Wesentlichen „in Memory“, also im Hauptspeicher, ab. Bekannte Beispiele sind Google, Facebook oder auch Amazon.

Cloud bietet Ressourcen nach Bedarf

Um derartige Ressourcen flexibel und nach Bedarf nutzen zu können, bietet es sich an, sie in der Cloud vorzuhalten. Zudem können die Daten so von den unterschiedlichsten Anwendern genutzt werden, ganz gleich, wo auf der Welt sie ihren Standort haben. Das ist wichtig, wenn in das Industrie 4.0-Konzept eines Unternehmens mehrere Niederlassungen eingebunden sind oder Daten auch von Zulieferern oder Kunden genutzt werden sollen.
„Big Data-Lösungen geben Unternehmen die Möglichkeit, den Umsatz mit bestehenden Produkten zu steigern, schneller Produkte auf den Markt zu bringen, neue Geschäftsmodelle zu entwickeln, um Kunden besser bedienen zu können, und Betriebskosten zu senken“, so Stefan Schöpfel, Global Vice President für Big Data and Analytics Services bei SAP. Das Software-Haus hat mit SAP HANA eine entsprechende In-Memory-Plattform geschaffen und bietet darauf basierend verschiedene Lösungen an, mit denen Unternehmen große Datenmengen in Echtzeit auswerten und die so gewonnenen Erkenntnisse direkt in ihre Geschäftsprozesse einfließen lassen können.

(Bildnachweis: Shutterstock)

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Durch die zunehmende Masse an Daten, die Maschinen und Sensoren produzieren, werden Unternehmen mit einer beispiellosen Herausforderung konfrontiert“, so Kip Compton, Vizepräsident und General Manager der IoT-Systems and Software Group bei Cisco. „Sie müssen in Echtzeit mit den eingehenden Daten arbeiten und dabei innerhalb der Grenzen der verfügbaren Bandweiten arbeiten.“ Gleichzeitig nehmen auch die Anforderungen an minimale Laufzeit und Zuverlässigkeit zu. All dies sind Gründe, warum zunehmend der sogenannte Industrial Ethernet Standard auf der Feldebene, also bei den in der Fertigung eingesetzten Sensoren und Aktoren, Verbreitung findet. Er basiert auf dem seit Jahren im PC- und Bürobereich etablierten Ethernet-Standard und nutzt damit die Basistechnologie für das größte Netzwerk der Welt – das World Wide Web oder kurz das Internet. „In vielerlei Hinsicht gleicht der Wertbeitrag des Industrial Ethernets dem anderer Konzepte wie Industrie 4.0 oder Industrial Internet of Things. Dadurch entstehen gute langfristige Prognosen“, meint Chantal Polsonetti, Vize-präsidentin bei dem Marktforschungsinstitut ARC. „Das Industrial Ethernet passt sehr gut zu beiden Konzepten, indem es Flexibilität und eine einfache Integration zur Unterstützung von Industrie 4.0 und Konnektivität für das Industrial Internet of Things bietet.“ So wächst die Anzahl der Industrial-Ethernet-Netzwerkknotenpunkte laut einer Studie des schwedischen Unternehmens HMS Industrial Networks mit rund 17 Prozent jährlich.

Aufbruch ins Gigabit-Zeitalter

Doch leider ist Ethernet nicht gleich Ethernet: Es existieren über 20 verschiedene Anwendungsprotokolle für das Industrial Ethernet – wie zum Beispiel Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, FLNet und viele andere. Diese Systeme unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich ihrer Einsatzgebiete, technischer Eigenschaften und Echtzeitfähigkeit, sind aber vor allem inkompatibel zueinander. Für eine übergreifende Kommunikation sind daher Schnittstellen notwendig, deren Netzwerkprozessor möglichst alle Protokolle unterstützt.
Branchenexperten erwarten, dass zur Bewältigung der Datenflut in Zukunft das sogenannte Gigabit-Ethernet zum allgemeinen Standard wird. Es bewältigt eine Übertragungsrate von 1 Gigabit pro Sekunde – wobei allerdings Forscher bereits an Ethernet-Systemen arbeiten, die bis zu 400 Gigabit pro Sekunde schaffen (zum Vergleich: Heute übliche DSL-Verbindungen haben Übertragungsraten von maximal 100 bis 200 Megabit pro Sekunde, sind also um den Faktor 2.000 langsamer).

Flexibilität durch kabellose Kommunikation

Eine besondere Bedeutung in der smarten Fabrik bekommt allerdings die kabellose Kommunikationstechnologie, wie Dr. Barbara Staehle, Gruppenleiterin Wireless Automation Networks am Fraunhofer-Institut für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik ESK, betont: „Damit die Industrie 4.0-Idee mit flexiblen und sich adaptiv konfigurierenden Produktionsanlagen funktioniert, bedarf es verlässlicher Funktechnologien. Kabelgebundene Lösungen stoßen hier an ihre Grenzen, insbesondere wenn bewegliche Maschinenteile oder Produktionsstücke im Prozess lokalisiert werden und per Kommunikation interagieren müssen.“ Bei der Übertragung über größere Strecken innerhalb einer Fabrik wird dabei WLAN gemäß der IEEE-Norm 802.11 dominieren (IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers). Die neuen Verfahren 802.11ac und 802.11ad ermöglichen Datenübertragungsraten von bis zu einem Gigabit pro Sekunde und mehr.

Robustheit gefragt

„Der Einsatz von Drahtlostechnologien in der Industrie bietet zahlreiche Vorteile. Drahtlosgeräte reduzieren im Vergleich zu verkabelten Komponenten nicht nur die In­stallationskosten, sondern sie ermöglichen Anwendungen mit schwieriger Verkabelung auch Mobilität. Anwender sollten jedoch die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Drahtlosgeräten bei deren Einsatz in betriebskritischen Anwendungen unbedingt überprüfen“, sagt Paul Hsu, Business Development Manager Industrial Wireless bei Moxa Europe. Denn für stabile WLAN-Verbindungen in Lagerhallen und Produktionsgebäuden gibt es zahlreiche Hürden. Decken- oder Wandverkleidungen, Maschinen, Regale oder das Lagergut können WLAN-Verbindungen blockieren. „Industrielle Drahtlosgeräte erfordern eine robuste Bauweise einschließlich fortschrittlichen EMV-Schutzes gegen elektrische Interferenzen sowie ununterbrochenes WLAN-Roaming für erweiterte Netzwerkverfügbarkeit“, so Hsu weiter. Dazu wird das sogenannte Seamless Roaming genutzt: Der „Klient“, zum Beispiel ein Gabelstapler, ist dabei gleichzeitig mit zwei Access Points verbunden. Verliert er den Kontakt zu einem der beiden Zugangspunkte, sucht er automatisch nach dem nächsten Access Point und verbindet sich mit ihm. So ist auch bei bewegten „Klienten“ permanent ein nahtloser Datenverkehr möglich.

Chip als digitales Gedächtnis

Doch nicht nur WLAN wird in der Industrie 4.0 zu finden sein, auf kurzen Strecken können auch Systeme wie Near Field Communication, Zigbee, Bluetooth oder RFID zum Einsatz kommen. Gerade RFID bietet in der Industrie 4.0 interessante Möglichkeiten: Mit einem RFID-Chip ausgestattete Objekte können nicht nur Informationen, zum Beispiel zu ihrer Identität, senden, sondern sie können auch Informationen empfangen und speichern – sie erhalten damit ein digitales Gedächtnis. So kann ein mit einem RFID-Chip ausgerüstetes Werkstück jederzeit Auskunft darüber geben, welche Prozessschritte es bereits durchlaufen hat und was der nächste Schritt sein wird. Allerdings sind die Anforderungen an industrietaugliche Funksysteme sehr hoch: „Sie müssen vor allem stabil, robust und echtzeitfähig sein, um eine kabelähnliche Qualität zu garantieren. Die entscheidende Rolle spielt deshalb die Auswahl der für das jeweilige Einsatzszenario geeigneten Standards, Protokolle und Algorithmen sowie eine sorgfältige Planung und Überwachung der drahtlosen Datenübertragung“, so Dr. Staehle.

Kommunikation per Licht

Alternativ zu der Datenübertragung über Funkwellen wird zurzeit aber auch an einer optischen Datenübertragung geforscht: Bereits Ende 2013 präsentierte Dr. Frank Deicke, Gruppenleiter für optische Sensoren und Datenübertragung am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, ein optisches drahtloses Kommunikationsmodul, das eine Datenübertragungsrate von bis zu 5 Gigabit pro Sekunde ermöglichte. Nun ist es ihm gelungen, diese Rate zu verdoppeln. Deicke entwickelte mit seinem Team einen Transceiver für die optische drahtlose Kommunikation, der gerade einmal so groß ist wie ein Zuckerwürfel und Daten mit bis zu 10 Gigabit pro Sekunde via Infrarot übertragen kann. Im Vergleich zu bekannten Funktechnologien wie Bluetooth oder WLAN bietet dieses Kommunikationsmodul einen wesentlich höheren Datendurchsatz, extrem niedrige Bitfehlerraten und eine hohe Energieersparnis. Allerdings muss Sichtkontakt zwischen Sender und Empfänger bestehen.

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Ein chinesischer Autohersteller produziert auf einer Fertigungsstraße mehrere Motorenvarianten. Um sicherzustellen, dass in der Montage die jeweils richtigen Komponenten für die verschiedenen Motoren verbaut werden, setzt das Unternehmen auf RFID-Technologie.

RFID-Chip sorgt für die richtige Zuordnung

Dazu wurden die Werkstückträger der Motorblöcke mit einem RFID-Datenträger der Firma Turck ausgestattet. Das RFID-System an der Produktionsstraße identifiziert anhand dieser Tags die spezifische Motorvariante. Dann werden die für diese Variante erforderlichen Bauteile aus einer Datenbank gelesen und mit dem Motor verknüpft – das System weiß jetzt, welche Bauteile für diesen einen Motor verbaut werden müssen.
Mit dieser Information holen Arbeiter nun die benötigten Bauteile aus einem Pufferlager: Per Lichtsignal wird angezeigt, aus welchem Fach die Teile für den jeweiligen Motor entnommen werden müssen. Kleinteile werden hierbei in spezielle Kästen sortiert. Ein Mitarbeiter bringt die Kästen zur Produktionsstraße, wo sie auf mehrstöckigen Trägern gemeinsam mit den Motorblöcken auf einem Förderband von Station zu Station fahren – jedem Motor ist also ein Kastenträger mit den für die jeweilige Variante benötigten Bauteilen zugeordnet. Auch jeder dieser Träger ist mit einem RFID-Tag ausgestattet, große Motorenteile sind direkt mit einem Tag versehen. So kann die eindeutige Zuordnung eines Bauteils zu dem richtigen Motor sichergestellt werden.

Produktionsdaten werden gespeichert

Gleichzeitig wird davon profitiert, dass die RFID-Tags beschreibbar sind: So werden Prüfwerte und Messdaten, die an den Fertigungsstationen erhoben werden, auf den Tags der Motorblöcke gespeichert und mit den hinterlegten Sollwerten der Datenbank abgeglichen. Auf dem acht Kilobytes großen Speicher der Tags werden zudem die Identnummern des Motors und der Bauteile sowie weitere Informationen geschrieben. Diese Daten stehen zur statistischen Auswertung, Qualitätssicherung und zur durchgängigen Transparenz der Produktion – auch über den Tag der Auslieferung hinaus – zur Verfügung. Der Autobauer erhält so lückenlose statistische Daten über seine Produktion und kann Fehlerhäufungen und dahinterliegende Fehlerquellen gezielt identifizieren und beseitigen.

(Bildnachweis: Shutterstock)

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Sensoren gelten als Sinnesorgane der Industrie 4.0, denn ohne sie blieben Produktionsanlagen taub und blind. Mit dem Trend zur Dezentralisierung in der Automatisierungstechnik – der letztendlich in der smarten Fabrik seinen (vorläufigen) Höhepunkt findet – werden immer mehr smarte Sensoren benötigt. So hat der AMA, der Verband für Sensorik und Messtechnik, in seiner Studie „Sensor Trends 2014“ festgestellt, dass sich aus bisher vergleichsweise einfachen Sensoren zunehmend höher integrierte und intelligentere Sensorsysteme entwickeln. Dabei steigt der Funktionsumfang der Sensoren kontinuierlich: Sie führen eigene Fehlerkorrekturrechnungen durch, überwachen sich selbst oder verfügen über eigene Kommunikationsschnittstellen. In dezentralen Sensornetzen können sie sogar ihre Energie selbst erzeugen: Per Energy Harvesting wird Strom aus Licht, Wärme oder Vibration gewonnen.
Eine besondere Rolle spielt in der Industrie 4.0 die Bildverarbeitung und damit entsprechende Bildsensoren. Schon heute sind Produktion und Bildverarbeitung eng verzahnt. Bildverarbeitungssysteme sammeln Daten, interpretieren und werten diese aus. Durch entsprechende Auslegung und Aufbereitung können sie frühzeitig Trends und mögliche Fehlerquellen im Produktionsprozess erkennen. Die Einsatzmöglichkeiten von Bildverarbeitungssystemen nehmen zukünftig noch zu, zum Beispiel bei der klassischen Qualitätssicherung, der automatischen Teilezuführung, der Vollständigkeitskontrolle oder der Sehhilfe für Roboter.

MEMS im Fokus

Aufgrund ihrer Fähigkeiten und ihrer geringen Baugröße haben die sogenannten MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) eine wesentliche Bedeutung für die Industrie 4.0: Sie sind winzige Bauelemente, die üblicherweise einen oder mehrere Sensoren, Aktoren und eine Steuerungselektronik auf einem Chip vereinen. MEMS-Sensoren enthalten feinste Strukturen aus Silizium, die sich bei der Bewegung des Gehäuses um Bruchteile eines tausendstel Millimeters verschieben und so ihre elektrischen Eigenschaften verändern. Dies lässt sich messen und in einen Datenstrom wandeln. Moderne MEMS-Sensoren können immer mehr Größen – wie Druck, Beschleunigung, Drehbewegungen, Massenfluss oder das Erdmagnetfeld – in einem Baustein messen und werden gleichzeitig stetig intelligenter.

Nur relevante Informationen werden weitergegeben

Dabei sind ihre Dimensionen winzig: Manche Komponenten messen nur noch vier Mikrometer – also ein Siebtzehntel eines menschlichen Haares. Weil die mikromechanische Sensorik nur schwache elektrische Signale hervorbringt, ist im Bauelemente-Gehäuse neben dem Sensor – oder teilweise sogar direkt auf demselben Chip – noch eine Elektronik integriert. Sie verarbeitet die kleinen Signale, verstärkt und wandelt sie in digitale Daten. MEMS-Sensoren können so Steuergeräte direkt mit Messwerten versorgen. Über eine eigene Software übernehmen MEMS zunehmend nicht mehr nur die reine Signalaufbereitung, sondern werten die Messwerte auch gleich aus. Denn nicht Rohdaten sollen übertragen werden, sondern nur die relevanten Informationen. So werden statt einer Vielzahl von Messwerten nur Grenzwerte oder Störgrößen übertragen. Dazu ein Beispiel: Während „klassische“ Temperatursensoren kontinuierlich die aktuellen Temperaturwerte senden, meldet ein intelligenter Sensor nur noch, wenn eine kritische Temperatur überschritten wird. Gerade im Hinblick auf eine Vielzahl vernetzter Cyber-Physical Systems in der smarten Fabrik ist das ein wichtiger Aspekt, um das Datenvolumen im Netz möglichst gering zu halten.

Eine Schlüsseltechnologie

Bei den MEMS sind Sensoren, Signalverarbeitung, Energiequellen und Sender mittlerweile auch als Einheit so klein, energiesparend und günstig, dass sie milliardenfach eingesetzt werden können. Somit sind MEMS die Schlüsseltechnologie für die Vernetzung von Dingen im Internet und haben in den letzten Jahren insbesondere im Bereich der Smartphones und Tablet-PCs einen gewaltigen Markt gefunden. Um sie auch unter industriellen Bedingungen einzusetzen, muss allerdings die Robustheit der MEMS weiter verbessert werden.

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Moderne elektronische und mikroelektronische Bauelemente und Systeme sind eine wichtige Voraussetzung für Industrie 4.0. Schon heute werden im Rahmen der Automatisierung etwa 90 Prozent aller industriellen Produktionsprozesse durch Informations- und Kommunikationstechnik unterstützt. Doch im Zuge von Industrie 4.0 setzt sich die Durchdringung der Fertigungstechnik weiter fort: Mikroelektronische Systeme werden in immer mehr Maschinen, Robotern, Betriebsmitteln oder Werkstücken implementiert. Je nach Einsatzzweck sind sie mit Sensoren, Mikrocontrollern und Leistungselektronik ausgestattet, die gewissermaßen Sinne, Gehirn und Muskeln der intelligenten Systeme bilden. Stattet man diese Systeme zusätzlich mit drahtlosen Kommunikationsschnittstellen und einer eindeutigen Identifizierung aus, können sie sich mit anderen Systemen in der Wertschöpfungskette vernetzen – die Grundlage für Cyber-Physical Systems (CPS).

Hohe Anforderungen an Halbleiter

Für den Einsatz im industriellen Umfeld müssen die elektronischen Bausteine allerdings verschiedene Voraussetzungen erfüllen: Entscheidend sind Eigenschaften wie Robustheit, Gewicht, Volumen und vor allem der Preis. Die Mikrochips, die in diesen Systemen verbaut werden, müssen möglichst klein und kostengünstig sein – bei hoher Leistungsfähigkeit –, damit sie in der benötigten hohen Anzahl in der Wertschöpfungskette implementiert werden können.
Die Entwicklung der entsprechenden Halbleiter ist in den letzten Jahren stark vom sogenannten „Moore’schen Gesetz“ geleitet worden, nachdem sich die Leistung eines Halbleiter-Chips innerhalb von zwei Jahren verdoppelt hat. Diese permanente – „More Moore“ genannte – Leistungssteigerung führt letztendlich zu immer kleineren mikroelektronischen Bauteilen. Einen anderen Weg geht das „More than Moore“-Konzept, das von immer mehr Halbleiterherstellern verfolgt wird: Es integriert in eine vorhandene Baugröße immer mehr Funktionen. Prozessoren werden also zum Beispiel um Funktionalitäten wie analoge und passive Bauelemente, Sensoren oder Biochips ergänzt. Die Entwicklung solcher kundenorientierten Lösungen für spezifische Anwenderbranchen erlaubt die Verwendung von älteren mikroelektronischen Bauelementen und Prozesstechnologien. Dadurch ist der Investitionsbedarf in diesem Bereich deutlich geringer.

Preiswerter, effizienter, leistungsstärker

Derartige Chips bieten neben einer verbesserten Performance und Zuverlässigkeit auch gleichzeitig eine höheren Energieeffizienz und geringere Fertigungskosten – wichtige Voraussetzung für die breite Anwendung in der vernetzten Fabrik und damit für den Erfolg von Industrie 4.0. Denn nur wenn es gelingt, die Fabriken der Zukunft in hohem Maße mit CPS – basierend auf moderner Mikroelektronik – auszurüsten beziehungsweise umzurüsten, werden die im Zusammenhang mit Industrie 4.0 erwarteten Effizienz- und Ressourcengewinne realisierbar.

(Bildnachweis: Shutterstock)

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Ein wichtiges Element der Industrie 4.0 sind Maschinen, die sich selbstständig an sich verändernde Umgebungsbedingungen anpassen können. Im EU-Projekt HARCO wurden dazu Bauelemente für metallbearbeitende Maschinen entwickelt, die Vibrationen im Werkzeug automatisch kompensieren können. Dies ermöglicht eine deutlich bessere Qualität und eine höhere Produktivität des bearbeiteten Werkstücks.

Schwingungen werden aktiv reduziert

Bei der spanenden Fertigung – also zum Beispiel in Fräsmaschinen – entstehen Vibrationen, sobald das Werkzeug auf die Oberfläche des Werkstücks trifft. Die Präzision und Qualität der gefertigten Oberfläche hängt wesentlich von diesen Vibrationen ab. Firmen und Forschungseinrichtungen aus Italien, Deutschland, Großbritannien, Spanien und Belgien haben ein adaptives Bauteil entwickelt, das den Meißel mit der Werkzeugaufnahme der Maschine verbindet und aktiv Schwingungen reduzieren kann.
Dieses „adaptronische“ Bauteil ist mit Sensoren und intelligenten Aktoren ausgestattet: Die Sensoren messen das Schwingungslevel und geben die Information an die interne Steuerung weiter. Intelligente Algorithmen berechnen darauf basierend eine Strategie zur Steuerung der Aktoren, die durch ihre Bewegungen die unerwünschten Vibrationen eliminieren. Das System ist so in der Lage, die für den jeweiligen Prozess erforderliche aktive Dämpfung vorherzusagen.

Weitere Module ergänzen das System

Die Schwingungsdämpfung ist aber nur ein Teil der im HARCO-Projekt entwickelten Lösung für Werkzeugmaschinen: Weitere Module ermöglichen ein anpassungsfähiges Einspannen des Werkzeugs oder die Kompensation von Wärmeausdehnungen, die durch die Bearbeitung entstehen. Die modularen Adaptronikbauelemente können bei Bedarf angeschlossen werden, um anpassungsfähige intelligente Komponenten (Adaptive Smart Component, ASC) zu bilden.

Exakte und schnelle Positionierung bei Robotern

Das spanische Forschungsunternehmen Tecnalia nutzt die ASC-Technologie für die Vibrationsdämpfung von Robotern mit serieller und paralleler Kinematik und unterstreicht damit die Vorteile des ganzheitlichen Konstruktionsansatzes. Das konkrete Ziel war es, die Zykluszeiten von Parallelrobotern zu reduzieren, die für schnelle und hochakkurate Pick-and-Place-Aufgaben entwickelt wurden. Aufgrund der hohen Beschleunigungen ist der Aktor, zum Beispiel der Greifer des Roboters, an der Stoppposition unerwünschten Vibrationen des Roboterarms ausgesetzt. Dadurch entstehen längere Zykluszeiten. Um die Genauigkeit und Produktivität dieser Roboter zu steigern, hat Tecnalia zwei Strategien verfolgt: Zum einen wurde ein adaptiver Drehmoment-Controller entwickelt und implementiert. Zum anderen entwickelte das Unternehmen ein Smart Device, das die Schwingungen der mobilen Plattform des Roboters in der Platzierungsposition dämpft.

(Bildnachweis: Shutterstock)

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Die innerbetriebliche Logistik gehört sicherlich zu den Bereichen, in denen die Ideen der Industrie 4.0 heute schon am weitesten umgesetzt sind: Waren, Arbeitsplätze und Ladungsträger wie beispielsweise Paletten und Container sind vollständig miteinander vernetzt. Mithilfe von Identtechniken wie Barcode-Labels können Paletten und Artikel eindeutig identifiziert werden; das übergeordnete Lagerverwaltungssystem „weiß“ genau, wo sich welche Anzahl von Artikeln gerade befindet. Bestelleingang sowie Auftragsbestätigung werden automatisch abgewickelt und der Auftrag an die Stellen weitergeleitet, die ihn operativ erledigen. Die Fördertechnik liefert dem Kommissionierer die für einen Auftrag benötigten Artikel, wenn nötig, in der richtigen Reihenfolge. Per Lichtsignal oder Monitoranzeige wird ihm dann genau gezeigt, welche Artikel und wie viele er zu entnehmen hat. Dabei werden alle Prozesse kontinuierlich vom Lagerverwaltungssystem überwacht und Artikelbewegungen aufgezeichnet. Eine zentrale Rolle spielt das Internet. Der Kunde bestellt seine Waren online, und oftmals sind auch die davorliegenden Handelsstufen darin einbezogen – in vielen Fällen auch bereits die Fertigung und Produktion. Alle Beteiligten können Eigenschaft und Verfügbarkeit eines Produkts und den Stand eines Auftrags live verfolgen. Der Datenfluss steuert sehr komplexe automatische Warenflüsse, um Aufträge zu komplettieren und dem Empfänger zu liefern.

Industrie 4.0 erfordert flexible Transportmöglichkeiten

Allerdings sind die Transportaktionen heute noch entweder auf „immobile“ Fördertechnik wie Transportbänder angewiesen – oder auf den Menschen in Form zum Beispiel eines Gabelstaplerfahrers, der über die notwendige Flexibilität für die unterschiedlichsten Transporte verfügt. Selbst moderne fahrerlose Transportsysteme können sich nur entlang vorher programmierter oder festgelegter Strecken bewegen.
Der CubeXX der Firma Still bietet dagegen die für die Industrie 4.0 notwendige Flexibilität: Noch ist er ein Forschungsprojekt, doch der Prototyp zeigt, wie der innerbetriebliche Transport in der smarten Fabrik aussehen könnte. Das System kann durch entsprechende Module unterschiedliche Formen annehmen und zum Beispiel als Niederhubwagen, Hochhubwagen, Kommissionierer oder Gabelstapler Lasten transportieren.

Das Fahrzeug nimmt die Umgebung wahr

Mit seiner umfangreichen Sensor- und Scannertechnologie wird das System zum interaktiven Roboter, der seine direkte Umgebung auswerten und auf Hindernisse und unerwartete Ereignisse reagieren kann. Über einen Laserscanner kann der CubeXX zum Beispiel seine Position aufgrund vorgegebener Orientierungspunkte selbst bestimmen und seine direkte Umgebung in 3D analysieren. „Durch die Neuerungen wird der CubeXX hard- und softwareseitig in der Lage sein, flexibel auf Situationen zu reagieren und sich anzupassen, um so zum Beispiel Paletten wirklich dort aufzunehmen, wo sie liegen, und nicht dort, wo sie hätten liegen sollen“, erklärt Matthias Klug, Leiter der Still Unternehmenskommunikation. Vertriebsleiterin Nicola Magrone der Firma Sick, die an dem Projekt mitentwickelt hat, ergänzt: „Die Industrie 4.0 stellt Sensoren vor neue Herausforderungen. Damit Maschinen mit Maschinen kommunizieren können, müssen Sensoren vor allem eines sein: intelligent.“

Steuerung mit der App oder aus dem Internet

Für den flexiblen Einsatz ganzer Flotten in größeren Lagern kann das Fahrzeug statt über das iPad auch über ein neues universelles Smart Device in der Größe eines Bierdeckels gesteuert werden. Mit dem Einsatz des vom Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik (IML) entwickelten sogenannten Coasters soll der CubeXX möglichst einfach und kostengünstig bedient werden. Die auf dem Coaster installierte App, die ebenfalls mit dem Fraunhofer IML entwickelt wurde, kommuniziert sowohl mit dem Lagerverwaltungssystem als auch mit dem Robotiksystem des Fahrzeugs. So kann der Mitarbeiter Aufträge empfangen, während der Coaster den nächsten erreichbaren CubeXX herbeiruft und ihn dafür so konfiguriert, wie er für den Arbeitsauftrag gebraucht wird. Das auf wesentliche Funktionen reduzierte Smart Device ist mit einer hochauflösenden Kamera ausgestattet und erkennt Barcodes, Maschinen und Menschen. Damit lassen sich bei der Kommissionierung beispielsweise Produkte, Lagerfächer und Zielbehälter scannen.
Der CubeXX kann zudem Transportaufträge direkt aus einer cloudbasierten ERP-Lösung empfangen und autonom abarbeiten. Auf Basis der mitgelieferten Informationen zu Art, Ort, Anzahl, Gewicht oder Größe ist es möglich, dass er sich selbstständig in das notwendige Transportfahrzeug transformiert – also zum Beispiel zum Hubwagen oder Gabelstapler wird.

(Bildnachweis: STILL)

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Industrie 4.0 ist eine Initiative, die von der deutschen Bundesregierung angestoßen wurde. Wie weit die Ideen dieses Konzeptes bereits in die Realität umgesetzt werden können, darüber informierte sich die deutsche Bundeskanzlerin Angela Merkel Ende Februar 2015 bei einer Besichtigung des Elektronikwerks von Siemens im bayerischen Amberg. Hier produziert Siemens unter anderem speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), mit denen Maschinen und Anlagen gesteuert und Fertigungen automatisiert werden. Das Portfolio umfasst über 1.000 Produktvarianten, jährlich stellt die Fabrik rund fünfzehn Millionen dieser SPS her. Bei 230 Arbeitstagen pro Jahr bedeutet das: Jede Sekunde verlässt ein Produkt das Werk. Bei gleichbleibender Produktionsfläche und kaum veränderter Mitarbeiterzahl hat das Werk, das 2014 sein 25-jähriges Jubiläum feierte, sein Produktionsvolumen in den letzten Jahren verachtfacht. Produziert wird dabei mit einer Qualität von 99,9988 Prozent.

Ein einheitliches Barcode-Label

Möglich macht das eine hochautomatisierte Produktion, in der die Produkte ihre Fertigung selbst steuern. Grundlage dafür ist, dass alle Objekte in der Fertigung – alle Bauelemente, alle Prozessschritte und alle Produkte – identifizierbar sind. Dazu hat Siemens im Werk Amberg ein über alle Prozesse und Abteilungen einheitliches Barcode-Label eingeführt, das die entsprechenden Informationen enthält. Über den Produktcode teilen die zu fertigenden SPS den Maschinen mit, welche Anforderungen sie haben und welche Produktionsschritte als Nächstes nötig sind.

50 Millionen Prozessdaten pro Tag

Zudem werden alle Prozesswerte in der Fabrik erfasst: Löttemperaturen, Bearbeitungszeitpunkte, Drehmomente – über 50 Millionen Prozessdaten werden so pro Tag gemessen. Die Fertigung ist mit 1.000 Scannern ausgestattet, über 1.000 Maschinen geben ihre Daten direkt online weiter. Software-Tools verwandeln diese Big Data in Smart Data – die analysierten Daten dienen somit direkt als Management-Information. Relevante Systeme sind darüber hinaus mit sogenannten „Watchdogs“ ausgestattet, das sind Komponenten, die die korrekte Funktion eines Systems überwachen. Im Falle eines Fehlers informiert das überwachte System per E-Mail das zuständige Personal.

Ohne Mensch geht es nicht

Die Fertigung funktioniert weitgehend automatisiert. Auch der innerbetriebliche Transport erfolgt ohne menschliches Zutun: Ein vollautomatisches Transportsystem sorgt dafür, dass das Material in 15 Minuten vom Lager an der Maschine ist. In der Summe bewältigen 75 Prozent der Wertschöpfungskette Maschinen und Computer eigenständig, für ein Viertel der Arbeit sind die Mitarbeiter zuständig. Nur zu Fertigungsbeginn wird das Ausgangsbauteil, eine unbestückte Leiterplatte, von menschlicher Hand berührt – ein Mitarbeiter legt es in die Produktionsstraße. Von nun an läuft alles maschinengesteuert. Bei der Entwicklung von Produkten und Produktionsprozessen, bei der Produktionsplanung oder auch bei unerwarteten Zwischenfällen bleibt der Mensch allerdings auch weiterhin unverzichtbar.
Bundeskanzlerin Merkel zeigte sich nach ihrem Besuch in der Fertigung in Amberg beeindruckt von den Möglichkeiten der Industrie 4.0: „Dieser Prozess wird die industrielle Produktion erheblich verändern. Über die Verfügbarkeit von Daten wird es wiederum Möglichkeiten geben, daraus ganz neue Produkte zu entwerfen.“

(Bildnachweis: www.siemens.com/press)

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