Industrie 4.0. Ein Überblick über Technologietrends, Anwendungsbereiche sowie Risiken und Herausforderungen

Inhaltsverzeichnis

I Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen der Industrie 4.0
2.1 Industrielle Revolutionen der Vergangenheit
2.2 Die Industrie 4.0 - Die vierte industrielle Revolution
2.3 Begriff und Bedeutung der Industrie 4.0
2.4 Wesentliche Merkmale der Industrie 4.0

3 Anwendungsbereiche und Technologietrends
3.1 Internet der Dinge
3.2 Künstliche Intelligenz
3.3 Robotik
3.4 Fünfte Generation des Mobilfunks - 5G

4 Herausforderungen undRisiken

5 Fazit und Ausblick

II Literaturverzeichnis

I Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Die vier Stufen der industriellen Revolution

Abbildung 2: Horizontales Wertschöpfungsnetzwerk

Abbildung 3: Prognose zum Volumen derjährlich generierten digitalen Datenmenge weltweit in den Jahren 2018 und 2025 (in Zettabyte)

1 Einleitung

Die Digitalisierung findet bereits seit Jahrzehnten statt und beeinflusst die Gesellschaft auf die verschiedenste Art und Weise im täglichen Leben. Dabei ist die Industrie 4.0 ei­nes der wichtigsten Themen der heutigen wirtschaftlichen, gesellschaftlichen und wis­senschaftlichen Diskussion. Seit dem Jahr 2011, als der Begriff auf der Hannover Messe verwendet wurde, gilt es als Ausdruck der Zukunftsfähigkeit der industrialisierten Welt. Industrie 4.0 bezieht sich im Wesentlichen auf eine neue Phase der industriellen Revo­lution, die sich stark auf Vernetzung, Automatisierung, maschinelles Lernen und Echt­zeitdaten konzentriert.

Ziel der nachfolgenden Hausarbeit ist es, einen Überblick für das Thema Industrie 4.0 zu verschaffen. Ausgehend von einer historischen Einordnung, einer Begriffsdefinition und den wesentlichen Merkmalen von Industrie 4.0, die im zweiten Kapitel ausgeführt werden, stehen in den nachfolgenden Kapiteln die wichtigsten Anwendungsbereiche und Technologietrends sowie Risiken und Herausforderungen bei der Umsetzung von Industrie 4.0 im Vordergrund. Resümiert wird diese Hausarbeit durch einen Ausblick über die Relevanz der Industrie 4.0, auch unter Beachtung der COVID-19 Pandemie.

2 Grundlagen der Industrie 4.0

2.1 Industrielle Revolutionen der Vergangenheit

Der Begriff der industriellen Revolution bezeichnet grundsätzlich den Übergang von der Agrargesellschaft zur Industriegesellschaft und der daraus resultierenden Veränderung der Sozial- und Arbeitsordnung.¹ Seit dem Beginn der ersten Industriellen Revolution in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts durchlief die Industrie mehrere aufeinander auf­bauende Phasen (siehe Abbildung l).² Diese erste industrielle Revolution startete in England um 1750 und breitete sich dann circa 100 Jahre später auf andere Länder (auch USA) aus.³ Anlass war die Erfindung der Dampfmaschine durch Thomas Newcomen im Jahr und die Weiterentwicklung durch James Watt sowie die Erfindung des ersten me­chanisch-automatischen Webstuhls („power loom“) von Edmond Cartwright im Jahr 1785. Weitere Erfolge der ersten industriellen Revolution waren die Dampfschifffahrt, der Kohleabbau und die erste Eisenbahn.⁴

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Die vier Stufen der industriellen Revolution

(Quelle: Kagermannet al. [2013], S. 17)

Die neuerschaffenen bzw. weiterentwickelten Maschinen trieben die Industrialisierung massiv voran, wobei die traditionellen Arbeitsformen durch die Kraft von Dampf und Wasser ersetzt wurden.⁵ Da die Arbeitswelt sich stark änderte, hatte dies auch gesell­schaftlich weitreichende Auswirkungen. In großen Städten wurden immer mehr Fabri­ken erbaut, die viele Arbeitsplätze entstehen ließen. Viele Menschen wurden aus der Landwirtschaft und dem Handwerk in die Fabrikhallen abgezogen, wo sie einerseits hö­here Löhne erwarten konnten, aber andererseits mit deutlich schlechteren Arbeitsbedin­gungen leben mussten. Diese Entwicklung führte zu einem schlagartigen Bevölkerungs­wachstum (sog. Bevölkerungsexplosion) in den Städten und industrialisierenden Regio­nen, so dass zur Verfügung der stetig wachsenden Industrie zahlreiche Arbeitskräfte standen, die umgehend eingesetzt werden konnten.⁶

Durch die großen Entwicklungsschritten wie die Invention von Elektrizität und Motoren als Antriebskraft sowie die Erfindung der Fließbandarbeit zum Ende der 19. Jahrhun­derts begann die zweite industrielle Revolution.⁷ Insbesondere die Einführung des Fließ­bandes in der Autoproduktion durch Henry Ford sorgte für eine erhebliche Steigerung der Effektivität in der Produktion und führte dadurch zu einer großindustriellen Massen­produktion. Die Massenfertigung ermöglichte die kostengünstige Herstellung der Pro- dukte, die an die viel breiteren Bevölkerungsschichten verkauft werden konnten.⁸ Durch die elektrische Telegrafie sowie die Erfindung eines Telefons entwickelte sich auch die Kommunikation an Büroarbeitsplätzen weiter, wodurch viele Arbeitsprozesse beschleu­nigt werden konnten.⁹

Die ersten Schritte der Telekommunikation und Globalisierung sind durch die zweite in­dustrielle Revolution vorangetrieben worden, so begann in den 1960er Jahren unterbro­chen durch zwei Weltkriege die dritte industrielle Revolution, welche bis in die Gegen­wart reicht.¹⁰ Diese sog. digitale Revolution wurde insbesondere durch die Vereinigung von Mechanik mit elektronischen und steuerungstechnischen Komponenten geprägt. Die rasante Entwicklung der Elektronik, Informations- und Kommunikationstechnolo­gie, Steuerungstechnik, Sensorik und Aktorik ermöglichten sowohl eine fortschreitende Automatisierung der Produktionsprozesse als auch immer weiter zunehmende Globali­sierung.¹¹ Mittels der neuen Technologien konnten die Unternehmen weltweit über Netzwerke agieren und kooperieren.¹² Maschinelle Prozesse konnten hoch effizient ge­steuert werden und menschliche Eingriffe werden stark reduziert. Aber nicht nur in der Industrie, sondern auch in der gesamten Gesellschaft war ein starker Wandel in der weltweiten Kommunikation zu spüren, vor allem durch die Entstehung von Personal Computer, der Mobiltelefonie und des Internets.¹³ In dieser Zeiten wurden auch die ers­ten digitalen Riesen, wie Microsoft und Apple gegründet.

Als weitere Erfolge der dritten industriellen Revolution sind die Errungenschaften in der Satellitentechnik sowie die Erfindung der erneuerbaren Energien zu nennen.¹⁴

2.2 Die Industrie 4.0 - Die vierte industrielle Revolution

Das Ende des 20. Jahrhunderts gilt als der Beginn der vierten industriellen Revolution oder auch Industrie 4.0 genannt, und baut auf den Entwicklungen der digitalen industri­ellen Revolution auf. Sie ist vor allem durch ein allgegenwärtiges und mobiles Internet, kleineren aber leistungsfähigeren Sensoren sowie künstliche Intelligenz und maschinel­les Lernen geprägt.¹⁵ Die sogenannten Cyber-physische Systeme stehen heute im Zuge der vierten industriellen Revolution im Fokus.¹⁶

Obwohl die digitalen Technologien, die auf Computer-Netzwerke, -Hardware und - Software basieren, nicht neu sind, sie werden in einem qualitativen Innovationssprung gegenüber der dritten industriellen Revolution immer komplizierter und integrierter.¹⁷ Der wesentliche Unterschied zwischen der vierten industriellen Revolution und den vor­herigen Revolutionen besteht insbesondere darin, dass diese Technologien in ihren Wechselwirkungen über die physische, biologische und digitale Sphäre hinweg sehr eng miteinander verbunden sind.¹⁸ Außerdem breiten sich die neuen Technologien und Inno­vationen in der vierten industriellen Revolution viel schneller und weiter aus, als in den früheren industriellen Revolutionen. Da einige Regionen der Welt bis heute keine Elek­trizität und keinen Intemetzugang haben, ist sowohl die zweite als auch die dritte indus­trielle Revolution dort noch immer nicht komplett erreicht.¹⁹

„Für Industrie 4.0 ist nicht der Computer die zentrale Technologie, sondern das Internet. Mit der weltweiten Vernetzung über Unternehmens- oder Ländergrenzen hinweg ge­winnt die Digitalisierung der Produktion eine neue Qualität: Das Internet der Dinge, Maschine-zu-Maschine-Kommunikation und Produktionsstätten, die immer intelligenter werden, läuten eine neue Epoche ein.“²⁰ Neben den intelligenten Systemen sind auch die Gebiete wie Nanotechnologie, Gensequenzierung, erneuerbare Energien und Quanten­computer stehen vor weiteren Durchbrüchen.²¹

2.3 Begriff und Bedeutung der Industrie 4.0

Zum ersten Mal wurde der Begriff „Industrie 4.0“ auf der Hannover Messe 2011 öffent­lich verwendet, wo die Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirt­schaft - Wissenschaft ihre Vorstellung von der Industrie der Zukunft präsentierte.²²

Es existieren mehr als 100 verschiedene Definitionen und Beschreibungen der Industrie 4.O.²³ Ein einheitliches Verständnis dazu gibt die Plattform Industrie 4.0, welche als zentrales Netzwerk zur Weiterentwicklung und Umsetzung des Zukunftsprojekts Indus­trie 4.0 der Hightech-Strategie der Bundesregierung gegründet wurde²⁴ :

„Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten.

[...]

¹ Vgl. Andelfinger etal. [2017], S. 38.

² Vgl. Vogel-Heuser et al. [2016], S. 1.

³ Vgl. Vogel-Heuser et al. [2016], S. 1.

⁴ Vgl. Andelfingeretal. [2017], S. 39.

⁵ Vgl. Vogel-Heuser et al. [2016], S. 1.

⁶ Vgl. Vogel-Heuser et al. [2016], S. 1.

⁷ Vgl. Borgmeier et al. [2017], o. S.

⁸ Vgl. Vogel-Heuser et al. [2016], S. 2.

⁹ Vgl. Vogel-Heuser et al. [2016], S. 2.

¹⁰ Vgl. Vogel-Heuser et al. [2016], S. 3.

¹¹ Vgl. Andelfinger et al. [2017], S. 40.

¹² Vgl. Kagermann et al. [2013], S. 6.

¹³ Vgl. Andelfinger et al. [2017], S. 40.

¹⁴ Vgl. Andelfinger et al. [2017], S. 40.

¹⁵ Vgl. Schwab [2016], S. 17.

¹⁶ Vgl. Kagermann et al. [2013], S. 6.

¹⁷ Vgl. Schwab [2016], S. 17.

¹⁸ Vgl. Schwab [2016], S. 18 f.

¹⁹ Vgl. Schwab [2016], S. 19.

²⁰ Vgl. Plattform Industrie 4.0, o. V. [o. J.] (b), o. S.

²¹ Vgl. Schwab [2016], S. 18.

²² Vgl. Steinhoff [2016], S. 1.

²³ Vgl. Bauer [2014], S. 18.

²⁴ Vgl. Plattform Industrie 4.0, o. V. [o. J.] (b), o. S.