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Fabrik der Zukunft: Wo die virtuelle Fertigung real ist

Foto: Christian Höhn

Technologie Die Magie der Maschinen

Anlagen sprechen miteinander, Waren erzählen ihr Leben - neue Fertigungsmethoden revolutionieren die Industrie. Die Produktion in der Fabrik der Zukunft kommt fast ohne menschliches Zutun aus.

Hamburg - Nur ein einziges Mal berührt eine menschliche Hand die Leiterplatte. Stefan Ritschel legt das grüne Kunststoffteil in die Maschinenstraße Nummer fünf ein, für die er als Produktionsleiter im Siemens-Elektronikwerk in Amberg zuständig ist.

Auf Transportbändern gleitet das Werkstück in einen Schablonendrucker, der per Siebdruck Lötpaste aufträgt. Dann geht es in den Bestückungsautomaten, wo Widerstände, Kondensatoren und Chips in die Leiterplatte gesetzt werden. Nach diesem Arbeitsschritt checkt eine Kamera das Produkt und vergleicht es mit dem Prüfplan. Weiter in den Lötofen, wo diverse Sonderbestücker Stecker in die Platte pressen. Ein Testsystem checkt mit unzähligen Kontaktnadeln die Funktionen des fertigen Moduls.

Alles vollautomatisch - die Produktion in der Fabrik der Zukunft kommt fast ohne menschliches Zutun aus.

Am Ende der 80 Meter langen Anlage stapelt ein Greifarm die verpackten Steuergeräte der Marke Simatic in eine Kiste - bereit zur Auslieferung an die Abnehmer in aller Welt: Rund ein Drittel der weltweit in Produktionsanlagen eingesetzten Steuerungen stammt aus dem Siemens-Werk in der Oberpfalz.

Vollautomatisch im Sechs-Sekunden-Takt

Der Standort, sagt Ingenieur Ritschel nicht ohne Stolz, sei global höchst konkurrenzfähig: "Alle 20 Arbeits- und Prüfschritte laufen vollautomatisch im Sechs-Sekunden-Takt ab." Ein Wettbewerbsvorteil, der seinem Werk den Titel "Beste Fabrik Europas" eingebracht hat.

In Amberg zeigt sich, was hierzulande technisch möglich ist - und was künftig noch möglich wird. Das Werk ist seit seinem Bau 1989 immer wieder mit der neuesten Technik ausgestattet worden. Ergebnis: dramatische Produktivitätssprünge. Heute erwirtschaftet die Fabrik mit einer konstanten Belegschaft von knapp 1000 Mitarbeitern den siebenfachen Umsatz des Jahres 1989; die Zahl der Produktfamilien hat sich im gleichen Zeitraum verdreifacht, und die Produkte können nun in 800 Varianten ganz nach Kundenwunsch gefertigt werden.

Mehr Output, mehr Flexibilität - das Geheimnis dieses enormen Fortschritts verbirgt sich in den überall im Werk verteilten hellblauen Kästchen: Scanner, die an den halb fertigen Produkten einen Strichcode abtasten. In jedem Produktionsschritt teilen sie den Geräten mit, wie das jeweilige Produkt gefertigt und getestet werden muss.

Die neue Revolution - Industrie 4.0

Die direkte Kommunikation zwischen Werkstück und Maschine - das ist der erste Schritt auf dem Weg zur "Industrie 4.0". Damit, glauben Forscher und Manager, werde die "vierte industrielle Revolution" eingeleitet. Eine große Umwälzung mit kaum zu überschätzenden Folgen für Wirtschaft und Gesellschaft. Und eine große Chance für Deutschland, weshalb die Forschungsunion der Bundesregierung nun ein Entwicklungsprojekt zur Produktion der Zukunft aufgelegt hat, auf Grundlage einer von der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (Acatech) entwickelten Wissenschaftsagenda.

Nach dieser Vision werden in der Fabrik des Jahres 2020 sämtliche Maschinen, Produktionsmittel und halb fertigen Produkte in ständiger Verbindung miteinander sein. Über Sensoren und Aktoren werden die Elemente der Fertigung ihre Umwelt wahrnehmen, über das Internet werden sie vernetzt, Dienstprogramme (ähnlich wie Apps auf Smartphones) lassen sie die unterschiedlichsten Aufgaben ausführen.

Das Ziel: Anlagen und Bauteile sollen sich selbst optimal organisieren und überwachen. Das angestrebte Ergebnis: Die Produktion soll flexibler und schneller werden, weniger Ressourcen verbrauchen und weniger Ausschuss produzieren als bisher.

Henning Kagermann, der Präsident von Acatech und frühere Chef von SAP  , ist fast euphorisch, wenn er über die heraufziehenden Möglichkeiten spricht: "Eine Steigerung der Produktivität um 30 Prozent ist durchaus realistisch." Mit diesem Sprung nach vorn könne die Industrie ihre Produktion im Hochlohnland Deutschland halten. Mehr noch: Sie könne ihre derzeitige internationale Spitzenposition sogar weiter ausbauen.

In der neuen Ära kann Deutschland seine Stärken ausspielen

Nach Kagermanns Vorstellung ermöglichen es die neuen Fertigungsmethoden den heimischen Firmen, Innovationen früher auf den Markt zu bringen, besser auf die Kundenwünsche zu reagieren und sich leichter an veränderte Rahmenbedingungen anzupassen als bisher.

In der Ära der Industrie 4.0 könne Deutschland seine Stärken ausspielen: "Dank unserer Fähigkeit, komplexe Systeme zu managen, können wir diese neue Technologiewelle als Erste reiten." Von Siemens  bis SAP , von Bosch bis BMW  kooperieren Unternehmen mit Wissenschaftlern von Universitäten und Forschungsinstituten bei der Entwicklung der Produktion der vierten Generation.

Denn obwohl erste Elemente der digitalen Fabrik bereits in Vorzeigewerken wie Amberg realisiert sind - um eine perfekt vernetzte Produktion schaffen zu können, müssen Forscher und Entwickler noch eine Vielzahl an technischen und organisatorischen Problemen lösen.

So treibt Professor Michael Beigl vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die Frage um, wie sich die künftig allgegenwärtigen Netzwerke aus Sensoren und Aktoren absolut zuverlässig gestalten lassen. Der junge Informatiker lächelt spitzbübisch, als er den Gast bittet, auf einem der blauen Bürostühle in seinem Teco-Institut für angewandet Telematik Platz zu nehmen.

Kaum sitzt der Besucher, leuchtet an der Tür zum Besprechungszimmer ein Display auf: "Dieser Raum ist gebucht". Eine Information, die sich im selben Moment auch auf den PCs aller Kollegen in dem nüchternen Bürogebäude zeigt, das sich das Teco mit Forscherkollegen vom Softwarekonzern SAP teilt. Denn der simple Gewichtsmesser unterm Polster funkt die Tatsache "besetzt" übers mobile Internet direkt an die hausinterne Organisationssoftware.

Verarbeitung gigantischer Datenmengen - Reality Mining

Was im Universitätsinstitut als nette Spielerei anmutet, kann in einer Ölraffinerie gefährliche Unfälle verhindern. Im Chemielager von BP im britischen Hull hat das Teco-Team deshalb ein sehr viel komplexeres Sensorensystem installiert. Im Projekt Cobis bestückten die Wissenschaftler Behälter voller explosiver Chemikalien mit selbst entwickelten Geräten, die unter anderem Stoßgeschwindigkeit, Stapelhöhe und die Nähe zu anderen Containern messen. Kommen sich nun zwei Behälter zu nahe, deren Inhaltsstoffe bei einer Berührung einen zerstörerischen Knalleffekt auslösen würden, schlagen die Messeinheiten Alarm und veranlassen eine sofortige Umlagerung.

"Reality Mining" nennt Beigl das Sammeln und Auswerten der unzähligen Daten, das in der BP-Anlage für mehr Sicherheit und schnellere Abläufe sorgt: "Damit lassen sich Prozesse in Echtzeit steuern und Abweichungen vom Soll sofort erkennen."

Der ambitionierte Forscher arbeitet bereits an neuartigen Vorhersageprogrammen: "Wir wollen aus den gigantischen Datenmengen auch ableiten, was in Zukunft passieren wird, und so die Planung deutlich erleichtern."

Während die Wissenschaftler in Karlsruhe an Visionen für übermorgen tüfteln, setzen Kooperationspartner aus der Wirtschaft ihre Erfindungen bereits in vermarktbare Produkte um. Im gut 60 Kilometer entfernten Ladenburg führt Nicolaie Fantana Fünf-Cent-Stück-große Sensorknoten vor, die er aus eher klobigen Prototypen von Teco für den Industrieausrüster ABB konstruiert hat.

Die kleinen Informationseinheiten, die einen Sensor mit einem Prozessor und einem Funkmodul kombinieren, lassen sich auch nachträglich an den unterschiedlichsten Teilen einer Maschine anbringen. Auf Motoren, Pumpen, Ventile oder Stellregler geklebt, identifizieren sie die Anlagenteile eindeutig und senden deren Vitaldaten zum Beispiel an den Tablet-Rechner eines Wartungstechnikers. Muss der dann etwa mit dem Helikopter zur Instandhaltung einer Offshore-Windturbine fliegen, findet er vor Ort nicht nur das defekte Teil, sondern auch die zur Reparatur nötigen Werkzeuge und Ersatzteile vor.

Wie die Elemente miteinander kommunizieren

Das Interesse der Kundschaft an der Demoanlage, die ABB  in seinem kurpfälzischen Forschungszentrum aufgebaut hat, sei lebhaft, berichtet der Ingenieur: "Die Serviceleute sind von dem Effizienzgewinn durch unser System entzückt."

Ein Produkt der dortigen Entwickler hat sogar schon fast Marktreife erlangt: Der autonome Temperaturtransmitter für die Öl- oder Chemiebranche, der ohne Batterie und Kabel auskommt und deshalb problemlos in bestehende Anlagen integriert werden kann.

Der Trick: Das neuartige Industriethermometer, das etwa auf einer Bohrinsel absolut störungsfrei funktionieren muss, versorgt sich selbst mit Elektrizität. Dazu nutzt es den Unterschied zwischen Prozesswärme und Umgebungstemperatur, um mithilfe von mikrothermoelektrischen Generatoren Strom zu erzeugen.

Sensoren, die ihre eigene Energie aus der Umwelt generieren. Aufkleber, die Informationen erzeugen und verschicken. Mini-Messgeräte, die Maschinenzustände minutiös protokollieren - die Hardware für die Fabrik von morgen steht bereits kurz vor der Markteinführung. Und preiswert sind die Teile obendrein - bei einfachen Schock-, Licht-, Druck- oder Geschwindigkeitsmessern liegt der Preis häufig unter einem Euro pro Stück.

Wie aber sollen sich die verschiedenen smarten Elemente der digitalen Fabrik untereinander verständigen? Bislang setzen die Anlagenanbieter bei der Vernetzung auf eine Vielzahl spezieller Kommunikationsprotokolle. Zwar schwören sie, Interoperabilität mit den Systemen anderer Hersteller sei selbstverständlich gewährleistet. Doch hinter vorgehaltener Hand heißt es dann doch: Am besten funktionieren natürlich unsere Maschinen untereinander.

Hyperflexible Produktion - Kommunikation zwischen Ware und Maschine

Solche Verständigungsschwierigkeiten zu vermeiden, hat sich Professor Wolfgang Wahlster, Leiter des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI), zur Aufgabe gemacht. In Kaiserslautern betreibt das DFKI die erste voll funktionierende Smart Factory - eine Testfabrik, in der Komponenten von 23 verschiedenen Herstellern kooperieren.

Damit die diversen Geräte Flüssigseife in Hunderten Farben in unzähligen Varianten und geringen Stückzahlen produzieren und abfüllen können, sind sie per Funk über das allgemeingültige Internet Protocol (IP) mit dem Web verbunden.

Um sich gegenseitig im Netz zu verständigen, definieren sich die einzelnen Elemente des Systems - ob Maschinen oder Produkte - über ein sogenanntes digitales Tagebuch. Die Dinge entwickeln ein Eigenleben: In diesem semantischen Produktgedächtnis berichten sie über ihr bisheriges Leben und ihre Ziele nach einem vom DFKI entwickelten Schema. Unter der Bezeichnung Object Memory Modeling (OMM) wurde dieser Standard bereits dem Internet-Normungskonsortium W3C zur globalen Anerkennung vorgeschlagen - als Kommunikationsplattform für die Fabrik von morgen.

Dank der innovativen Technologie lassen sich auch neue Maschinen problemlos in eine bestehende Anlage integrieren. Sie vernetzen sich automatisch mit den vorhandenen Geräten. "Dadurch entsteht eine völlig neue Sicht auf die Produktion", schwärmt der IT-Experte, "die smarte Fabrik ist nicht mehr auf wenige Produktklassen fixiert. Durch ihre semantische Servicestruktur kann sie die unterschiedlichen Fähigkeiten ihrer Maschinen zu immer neuen Abläufen komponieren."

Reale Fertigung wird mit der virtuellen Produktion verknüpft

Heute Waschmaschinen bauen und morgen Kühlschränke - der Forscher entwirft eine faszinierende Vision für die hyperflexible Produktion der Zukunft. Doch um die daraus resultierende extreme Komplexität managen zu können, bedarf es völlig neuer Methoden der Fertigungssteuerung.

Das Prinzip: "Die reale Fertigung wird mit einer virtuellen verknüpft", erklärt Siemens-Industrievorstand Siegfried Russwurm den von dem Elektrokonzern betriebenen Ansatz. Dabei gibt der Mensch zwar weiterhin den grundlegenden Produktionsplan am Computer vor. Doch darin können gar nicht alle Varianten oder kurzfristigen Veränderungen im Voraus erfasst werden.

"Damit unsere Kunden die gigantischen Datenmengen bewältigen können, verknüpfen wir die Produkt- und Maschinendaten mittels Industriesoftware. Wir automatisieren sozusagen die Kommunikation zwischen Ware und Maschine", erläutert der studierte Maschinenbauer, "ändern sich die Designdaten der Produkte, ändern sich auch die Parameter der Anlagen - oder umgekehrt."

Damit die komplizierten Mechanismen in der Realität auch wirklich reibungslos funktionieren, werden sie zuvor erprobt. Mögliche Produktvarianten und Fertigungsschritte werden im digitalen Zwilling der Anlage durchgespielt und getestet.

Die digitale Fabrik - geringster Ressourcenverbrauch, höchste Präzision

In dem virtuellen Abbild der Fabrik lässt sich auf einen Blick erkennen, welche Prozesse funktionieren oder welche Kosten in verschiedenen Alternativen anfallen. Lange bevor eine neue Fertigungshalle steht, kann der Nutzer sehen, wie viel Energie seine neue Produktionsstätte verbraucht oder welche Qualität die gefertigten Güter haben werden.

Auf geringsten Ressourcenverbrauch und höchste Präzision hin hat Manfred Wittenstein, Vorstandsvorsitzender der auf Antriebstechnik spezialisierten Wittenstein AG, seine neue Zahnradfabrik optimiert. Schließlich entsteht die "urbane Produktion" mitten in Fellbach bei Stuttgart, nur 50 Meter von einer Passivhaussiedlung entfernt. Um gleichermaßen CO2-Neutralität und Akkuratesse im Mikrometerbereich bei seinen Produkten zu erzielen, will der Unternehmer diverse Elemente der Vision Industrie 4.0 in dem Neubau verwirklichen.

"Durch intelligente Lösungen wollen wir 30 bis 40 Prozent Energie sparen", sagt Erik Roßmeißl mit kaum verhohlener Begeisterung. Den Geschäftsführer in Fellbach fasziniert besonders, dass das System - wenn es denn in einigen Jahren vollständig eingeführt sein wird - die Spezifikationen eines Produktes noch in letzter Minute ändern kann: "Die Fertigungsanlage ruft erst kurz bevor sie mit der Arbeit beginnt die Anweisungen für dieses spezielle Teil aus dem Web ab und passt ihre Einstellungen dann entsprechend an."

Vision von der vernetzten Fertigung

Neben der großen Anpassungsfähigkeit hält der Technikfan die Steigerung der Produktqualität für den größten Vorteil seiner Fabrik der Zukunft. So werde etwa ein Maschinenantrieb messen, welche Kräfte auf das Werkstück einwirken. Steigt der Druck zu stark an und droht ein mit dem Auge nicht wahrnehmbares Verbiegen des empfindlichen Teils - was sonst nur in der Endabnahme oder gar erst beim Kunden auffallen würde -, korrigiert das System selbsttätig.

Höhere Qualität, geringerer Rohstoffverbrauch, größere Flexibilität - das Konzept der Industrie 4.0 hat offensichtlich großen Charme. Allerdings bieten erst wenige Anlagenbauer die ausgefeilten Systeme für die Produktion von morgen an. Viele Elemente der digitalen Fabrik befinden sich noch im Entwicklungsstadium, und etliche problematische Themen müssen noch völlig neu erkundet werden. Wie etwa lassen sich die vernetzten Systeme vor Cyber-Angriffen schützen? Welche Auswirkungen hat die Technik auf die Interaktion von Mensch und Maschine?

Die Forscher und Entwickler um Acatech-Vordenker Kagermann haben noch viel zu tun, bis ihre Vision von der vernetzten Fertigung zur Wirklichkeit wird. "Wir stehen erst am Anfang dieser Entwicklung", konzediert er. Es werde locker zehn Jahre dauern, bis die neue Technologie breit genutzt werde.

Der Trend zur digitalen Fabrik aber werde sich nicht mehr umkehren lassen, glaubt man in der Industrie. Siemens-Vorstand Russwurm hofft auf ein goldenes Zeitalter für die Fertigung: "In 30 Jahren werden wir uns an die 2010er-Dekade erinnern wie an die Zeiten von Fords erstem Fließband - als echte industrielle Revolution."

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