Industrie 4.0 in der Automobilindustrie

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis / Glossar

Kurzfassung

Executive Summary

1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Forschungsfrage und Zielsetzung
1.3 Aufbau und Struktur

2 Die Automobilindustrie
2.1 Branchenüberblick
2.1.1 Wirtschaftliche Bedeutung
2.1.2 Aktuelle Lage
2.1.3 Industrie 4.0 in der Automobilindustrie
2.2 Herausforderungen in der Automobilindustrie
2.3 Erfolgsfaktoren der Automobilindustrie
2.3.1 Flexibilität
2.3.2 Wandlungsfähigkeit
2.3.3 Wertschöpfungspartner im Verbund der Automobilhersteller

3 Industrie 4.0 – die vierte industrielle Revolution
3.1 Ziele von Industrie 4.0
3.2 Annäherung an den Begriff Industrie 4.0
3.3 Das Internet der Dinge
3.4 Embedded Systems und Cyber Physical Systems CPS
3.5 Smart Factory der Zukunft
3.6 Robuste Netze
3.7 Cloud Computing-Einsatz von Software und Diensten
3.8 IT-Security, Sicherheit und Datenschutz
3.9 Additive/Generative Fertigungsverfahren
3.9.1 Zuordnung der Begriffe der generativen Fertigungsverfahren
3.9.2 Funktion
3.9.3 Einteilung der generativen Fertigung
3.9.4 Übersicht der generativen Fertigungsverfahren
3.9.5 3D-Druck in der Automobilindustrie

4 Industrie 4.0 in der in der Praxis
4.1 Mercedes Benz Produktion-innovative Lösungen
4.1.1 Hinterachsmontage der C-Klasse mittels kooperierender Roboterteams
4.1.2 Objektgekoppeltes Mechanisierungs-System (OGMS)
4.1.3 Durchgängige Erfassung von Produktionsparameter
4.1.4 Sensitiver Roboter in der Serienfertigung
4.2 Siemens Hannover Messe 2014
4.3 BMW Group Werk Landshut
4.3.1 Qualitätscheck per virtuellem Fingerzeig
4.3.2 Montagehilfe aus dem 3D-Drucker
4.3.3 Google Glass für die Qualitätssicherung
4.4 ARENA 2036-Forschungsfabrik

5 Potenzial durch den Einsatz von Industrie 4.0
5.1 Wertschöpfungskette
5.2 Neuartige CPS-Plattformen
5.3 Mensch in der Smart Factory
5.4 Logistik

6 Handlungsfelder und Herausforderungen
6.1 Standardisierung und Referenzarchitektur
6.2 Arbeitsorganisation und -gestaltung
6.3 Flächendeckende Breitbandinfrastruktur
6.4 Tools und Methoden zur Beherrschung der Komplexität
6.5 IT-Sicherheit von Cyber Physischen Systemen
6.6 Qualifizierung und Wissen

7 Fazit und Ausblick

8 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1:Wertschöpfungspyramide in der Automobilindustrie

Abbildung 2: Beschäftigte in der deutschen Automobilindustrie

Abbildung 3: Exporte deutscher PKWs nach Bestimmungsländern

Abbildung 4: PAC-Studie 2013

Abbildung 5: Bedeutung der schnellen Reaktion auf Kundenbedürfnisse

Abbildung 6: Flexibilität als Erfolgsfaktor für Produktionsunternehmen

Abbildung 7: Gegenüberstellung Flexibilität und Wandlungsfähigkeit

Abbildung 8: Wandlungsbefähiger

Abbildung 9: Veränderung der Wertschöpfungsstruktur

Abbildung 10: Die vier Stufen der industriellen Revolution

Abbildung 11: identifizierte Technologiefelder

Abbildung 12: Wachstumskurve vernetzter Geräte

Abbildung 13: Embedded Systems im Automobil

Abbildung 14: Industrie 4.0 und Smart Factory als Teil des Internets der Dinge/Dienste

Abbildung 15: Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke

Abbildung 16: Vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme

Abbildung 17: Smart Factory

Abbildung 18: Big Data Wertschöpfungskette

Abbildung 19: Ablauf generativer Herstellungsverfahren

Abbildung 20: Generative Fertigungsverfahren-Technologieebene und Anwendungsebenen

Abbildung 21: Technologiefelder von Industrie 4.0

Abbildung 22: ehemalige manuelle Hinterachsmontagelinie

Abbildung 23: Wandlungsfähiges Montagekonzept

Abbildung 24: kooperierende KUKA-Roboter und Montage an der Drehscheibe

Abbildung 25: Fügen Windschutzscheibe mit OGMS

Abbildung 26: Erfassung von Motorhaube zur Dokumentation

Abbildung 27: Hinterachsgetriebemontage mit sensitiven LBR iiwa

Abbildung 28: Vollautomatisierte Autotürenmontage

Abbildung 29:individuell angepasste Montagehilfe

Abbildung 30: Fertigungsstrukturen von heute und morgen

Abbildung 31: Robot Farming in der Kraftfahrzeugbau und -teile Wertschöpfungskette

Abbildung 32: Vernetzung von Menschen, Objekten und Systemen

Abbildung 33: Bedeutung von menschlicher Arbeit in der Produktion für die Zukunft

Abbildung 34: Umfrage zur Herausforderung der Umsetzung von Industrie 4.0

Abbildung 35: Referenzmodell für das Internet der Dinge/Dienste

Abbildung 36: Anwendungspotenziale der Breitbandübertragung

Abbildung 37: Assistenzsysteme unterstützen künftig beim Umgang mit komplexen

Abbildung 38: Workflow-bezogene Zuordnung der Kernberufe

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Zuordnung häufig benutzter Begriffe zu Schlüsselbegriffen

Abkürzungsverzeichnis / Glossar

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kurzfassung

Die Wettbewerbssituation der Automobilindustrie ist durch schnell veränderte Märkte, wachsende Dynamik, kürzere Produktlebenszyklen und kundenspezifische Produkte geprägt. Zusätzliche Herausforderungen entstehen durch steigende Produkt- und Prozesskomplexität in der Branche. Ein langfristiger Erfolg in dieser Branche erfordert eine flexible und wandlungsfähige Produktion, die auf ständig wechselnde Anforderung reagieren kann. Seit einigen Jahren befindet sich die Automobilindustrie in einem großen und grundlegenden Wandel. Im deutschsprachigen Raum wird dieser Vorgang mit dem Begriff Industrie 4.0 in Verbindung gebracht. Die Beteiligung der deutschen Bundesregierung zur Neuausrichtung der Bereiche Produktion, Serviceleistung und Arbeitsgestaltung zeigt die zentrale Bedeutung von Industrie 4.0. Dieses Zukunftsprojekt zielt darauf ab, die Wettbewerbsfähigkeit und den langfristigen Erfolg für die Zukunft zu sichern.

Die Masterarbeit beschreibt zu Beginn die Bedeutung der Automobilindustrie für die Wirtschaft mit deren Erfolgsfaktoren. Im Anschluss werden die geschichtliche Entstehung und die Kernelemente der Industrie 4.0 Technologien, die zukünftig in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen, erläutert. Durch den Einsatz von Industrie 4.0 Technologien werden industrielle Produktions- und Wertschöpfungsprozesse, Materialflüsse, Flexibilität, Produktivität uvm. grundlegend verbessert. Diese Veränderung führt zu neuartigen Produkten, neuen Serviceleistungen und Geschäftsmodellen sowie effizienter gestalteten betrieblichen Prozessen. Die Arbeit des Menschen im modernen Herstellungs- und Planungsprozess in Kombination mit den neuen Technologien verändert sich grundsätzlich. Industrielle Assistenzsysteme in der Fertigung unterstützen den Arbeiter in der Fertigung physisch und kognitiv.

Der Hauptteil der Masterarbeit führt die theoretischen Erkenntnisse und die zu beantwortenden Forschungsfragen anhand von bereits umgesetzten Konzepten und zukunftsweisenden Modellen zusammen. Die Fertigung der Zukunft und die Entwicklung neuer Methoden, Instrumente und Technologien stehen noch in ihren Anfängen. Die Auswirkungen auf die Automobilindustrie durch Anwendung von neuen, innovativen Industrie 4.0 Technologien lässt sich zur Zeit schwer einschätzen. Die Masterarbeit leistet einen Beitrag zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit und der Anpassungsfähigkeit an internationale Anforderungen. Einheitliche Standards und Konzepte zur Anwendung von Industrie 4.0 Technologien müssen bereits heute geschaffen werden.

Executive Summary

The competitive environment of the automotive industry is shaped by rapidly changing markets, growing dynamics, shorter product life cycles and customer specific products. Additional challenges develop through increasing product and process complexity within the industry. Long term success in this industrial area calls for a flexible and versatile production, which is able to react to ever-changing requirements. The automotive industry has been going through a fundamental change period for the past few years. Within the German speaking countries this period is called Industry 4.0. The involvement of the German government in re-aligning the areas production, service and job design demonstrates the importance of Industry 4.0. This project is aimed at securing competitiveness and success in the long run.

Initially, this master thesis describes the importance of the automotive industry for the economy with all its success factors. Furthermore, an overview of the developmental process and the key elements of Industry 4.0 technologies, which will be used in the automotive industry in the future, is given. By using Industry 4.0 technologies fundamental benefits in the production and value added processes, the flow of material, flexibility, productivity etc. will be reached. These changes will lead to novel products, new services and business models as well as more efficiently organized economic processes. The work of humans within these modern manufacturing and planning processes in combination with the new technologies will change immensely. Industrial assistance systems within manufacturing will support workers in a physical and cognitive way.

The main part of this thesis will incorporate the theoretical findings and the research questions by introducing already implemented concepts and trend-setting models. Future manufacturing processes and development of new methods, instruments and technologies are still in their early stages. At this moment it is still difficult to assess the ramifications of using new and innovative Industry 4.0 technologies within the automotive industry. This thesis contributes to maintaining competitiveness and adaptability for international requirements. General standards and concepts for the application of Industry 4.0 technologies have to be introduced already today.

1 Einleitung

In Deutschland zählt die Automobilindustrie zu den bedeutendsten Zweigen in der Industrie und ist somit ausschlaggebend für die gesamtwirtschaftliche Entwicklung. Die Entwicklung der Branche ist von der weltweiten Nachfrage nach Automobilen abhängig.^[1] Der Erfolg dieser Branche zeichnet sich durch hohe Qualität, Zuverlässigkeit und Funktionalität der Produkte ab, die sich dadurch vom Mitbewerb weltweit unterscheiden. Zusätzlich werden Dienstleistungen zu den Produkten angeboten, die der Wettbewerb nicht aufweist. Einen weiteren wesentlichen Beitrag zum Erfolg leistet ein sicherer Entwicklungs- und Herstellungsprozess, in denen die Automatisierung eine wichtige Rolle spielt. Neben dem Einsatz von IT-Werkzeugen für Engineering, Produktvalidierung, Fertigungsplanung, Fertigung und Inbetriebnahme ist auch der Einsatz von Software, eingebettet in den Produkten, erfolgstragend.^[2]

Die vierte Stufe der Industrialisierung, Industrie 4.0, wird durch die steigende Intelligenz von Produkten und Systemen in der Fertigung, die vertikale Vernetzung untereinander sowie die horizontale Eingliederung von Wertschöpfungsnetzwerken eingeleitet. Industrie 4.0 zielt auf die Herstellung intelligenter Produkte, Methoden und Prozesse ab, kurz Smart Factory.^[3]

Die Beherrschung der notwendigen Entwicklungs- und Herstellungsprozesse und der stetig steigenden Komplexität der gefertigten Produkte wird mit den bisherigen Verfahren, Werkzeugen und Strukturen nicht möglich sein. Es müssen neue Ansätze gefunden werden. Klassische Geschäftsmodelle werden sich zukünftig ebenfalls verändern.^[4]

Für die deutsche Automobilbranche wird durch den Einsatz von Industrie 4.0 ein zusätzliches Wertschöpfungspotenzial in der Höhe von ca. 15 Milliarden Euro bis zum Jahr 2025 erhofft. Erwartet wird dieses Ergebnis aus der Integration von Echtzeitdaten an den Schnittstellen, wandlungsfähigen Fertigungssystemen, intuitiven Schnittstellen von Mensch-Maschine und einer flexibleren Automatisierung.^[5]

1.1 Ausgangssituation

Seit Langem wurden die Entwicklung und die Herstellung hochtechnologischer Produkte überwiegend in den westlichen Ländern durchgeführt. Simple Massenprodukte wurden vor allem im asiatischen Raum aufgrund der niedrigen Lohnkosten produziert. Innovationszyklen hochtechnologischer Produkte sowie mögliche Entwicklungen der Absatzmärkte waren plan- bzw. absehbar. Die Produktvielfalt bei seriengefertigten Produkten war noch gering. Der Gewinn an Produktivität wurde mittels Prozessoptimierung erzielt. Darunter fallen Automatisierung in der Produktion, Produktdesign und Optimierung des Supply Chain Managements. Mittlerweile hat sich die Situation durch Globalisierung, steigende Ressourcenknappheit, steigenden Energiekosten sowie Technologievorsprüngen erheblich verändert.^[6]

Die Herausforderungen für den deutschen Produktionsstandort lassen sich folgenderweise erklären – schneller, flexibler und nachhaltiger. Der schnelllebige Markt erfordert von den Produkten neben einer schnelleren Entwicklung zur Marktreife ebenfalls kürzere Produktlebenszyklen und mehr Produktvarianten. Die Automobilindustrie steht vor der Aufgabe, kundenindividualisierte Fahrzeuge wirtschaftlich herzustellen. Die zusätzlichen Risiken der stark schwankenden Märkte führen zu einem bedeutenden Erfolgsfaktor – der Wandlungsfähigkeit von Produktionssystemen.^[7]

1.2 Forschungsfrage und Zielsetzung

Ausgehend von der Problemstellung beschäftigt sich die vorliegende Masterarbeit in den folgenden Kapiteln mit den Forschungsfragen:

- Welche Industrie 4.0 Technologien eignen sich für die Automobilindustrie in Bezug auf deren Erfolgsfaktoren?
- Welche Voraussetzungen müssen geschaffen werden bzw. welche Anforderungen müssen erfüllt sein, um Industrie 4.0 Technologien erfolgreich einzusetzen?

Die vorliegende Masterarbeit behandelt die Fragestellungen und dient Führungskräften, Beratern und Fachkräften der Automobilindustrie als Arbeitsgrundlage. Ziel dieser Arbeit ist es Aufschluss über eine mögliche, zukünftige Gestaltung der Produktion im Automotiv Bereich zu geben. Industrie 4.0 Technologien sowie Anforderungen für die zukünftige Fertigung werden erläutert bzw. ermittelt. Erfolgsfaktoren in der Automobilindustrie wie Wandlungsfähigkeit von Produktionssystemen gewinnen an Bedeutung. Es bedarf einer Abstimmung zwischen Organisation, Produkt und Wertschöpfungskette. Automobilhersteller und deren Zulieferer werden dazu befähigt, deren Basistechnologien an die Besonderheiten von Industrie 4.0 Systemen zu adaptieren.

1.3 Aufbau und Struktur

Zu Beginn der Masterarbeit wird ein Überblick über die Automobilindustrie vermittelt, indem die wirtschaftliche Bedeutung und die aktuelle Lage der Branche beschrieben werden. Darüber hinaus wird anhand einer Studie die Bedeutung von Industrie 4.0 in der Automobilindustrie aufgezeigt. Das Kapitel schließt mit aktuellen Herausforderungen und Erfolgsfaktoren der Automobilindustrie.

In Kapitel 3 werden die Ziele und die Charakteristika von Industrie 4.0 beschrieben. Neben der Erklärung und Abgrenzung von Begrifflichkeiten, wird auf die betroffenen Technologiefelder mit den in Relation stehenden Technologien eingegangen. Das Kapitel trägt dazu bei, ein grundlegendes Verständnis für Industrie 4.0 und ihren Technologien zu schaffen.

Kapitel 4 stellt den praktischen Einsatz von Industrie 4.0-Technologien anhand von Anwendungsfällen, Pilotprojekten und Anwendungsstudien dar. Die Anwendungen zeigen unterschiedliche Lösungsansätze, Prozessauswirkungen und Motivationsgründe für den Einsatz von Industrie 4.0 Technologien. Zusätzlich zielt dieses Kapitel genau auf die in Kapitel 2 erläuterten Erfolgsfaktoren ab und dient als Beitrag zur Beantwortung der Forschungsfragen. Den Abschluss des Kapitels bildet die Beschreibung der zu schaffenden Voraussetzungen für eine erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0 Technologien.

Kapitel 5 beschreibt die möglichen Potenziale und Chancen durch den Einsatz von Industrie 4.0. Die Beschreibung der Potenzialfelder ist elementar, da ein Vorantreiben dieser Potenziale zum globalen Technologievorsprung und somit zu Wettbewerbsvorteilen gegenüber der Konkurrenz führt. Die im Abschluss angeführten Voraussetzungen dienen ebenfalls als Beitrag zur Beantwortung der Forschungsfragen.

Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit den in Industrie 4.0 zusammenhängenden Handlungsfeldern und Herausforderungen. Für die Umsetzung dieser Handlungsfelder werden noch industrielle und industriepolitische Entscheidungen benötigt.

2 Die Automobilindustrie

Das vorliegende Kapitel gibt einen Überblick über die gegenwärtige nationale und internationale wirtschaftliche Situation der Automobilindustrie. Die dafür verwendeten Daten sind aus aktuell vorliegenden Aufzeichnungen entnommen worden. Dieses Kapitel vermittelt die notwendigsten Informationen über die Branche. Im Anschluss werden die gegenwärtigen Herausforderungen und potenzielle Erfolgsfaktoren, die in Verbindung mit Industrie 4.0 stehen, erläutert.

2.1 Branchenüberblick

Im Jahr 2014 produzierte die deutsche Automobilindustrie weltweit 14,7 Millionen Personenkraftfahrzeuge. Im Vergleich liegt sie weltweit nach der japanischen Automobilindustrie auf Platz zwei. Die nordamerikanische Automobilindustrie bildet den dritten Platz.^[8] Die Automobilindustrie in Deutschland fertigt größtenteils für den Endverbrauch und fokussiert sich überwiegend auf das Exportgeschäft. Ein geringer Anteil fällt auf die Herstellung von Investitionsgüter (Branche der Kraftwagenvermietung). Die Automobilbranche dient selten als Vorleistungslieferant für nachstehende Fertigungsprozesse.^[9]

Die deutschen Zulieferbetriebe in der Automobilindustrie zählen ebenfalls weltweit zu den Besten. Zulieferkonzerne wie die Continental AG, Robert Bosch AG und ZF Friedrichshafen AG verzeichnen im weltweiten Vergleich die Plätze eins (Continental AG), zwei (Robert Bosch AG) und elf (ZF Friedrichshafen AG).^[10]

Im Bereich der Fertigung eines Automobilherstellers macht der Anteil an Wertschöpfung im Durschnitt 35 Prozent aus.^[11] Der restliche Anteil der Wertschöpfung entfällt an die Automobilzulieferindustrie.^[12] Die Zulieferindustrie weist eine hohe wirtschaftliche Abhängigkeit zu ihren vorgelagerten Kunden, den Autoherstellern oder auch Original Equipment Manufacturer OEM, auf. Selbst Zulieferbetriebe, die keine direkten Kundenbeziehungen zu den OEMs besitzen, sogenannte 2nd-tier oder 3rd-tier Lieferanten, sind aus Rentabilitätssicht stark an die wirtschaftliche Situation des OEMs gebunden. Auftretende Ertragsprobleme bei den Autoherstellern werden nach und nach an die gesamte Wertschöpfungskette weitergegeben. Es erfolgt eine Anpassung sowie Auslese auf allen Hierarchieebenen.^[13] Die folgende Abbildung veranschaulicht die Wertschöpfungsstruktur in der Automobilindustrie:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1:Wertschöpfungspyramide in der Automobilindustrie^[14]

Der Hersteller oder auch OEM befindet sich an der Spitze der Wertschöpfungspyramide. Die erste Ebene wird von 1st-tier Lieferanten, die als Systemintegrator oder auch Modullieferant bezeichnet werden, vertreten. Ebene zwei und drei bilden die sogenannten 2nd-tier oder 3rd-tier Zulieferer.

2.1.1 Wirtschaftliche Bedeutung

Im Jahr 2013 betrug der Anteil der Automobilindustrie 13 Prozent des deutschen Bruttoinlandproduktes BIP. Die Automobilindustrie umfasst neben Fahrzeugherstellern und –zulieferern auch Hersteller von Anhängern, Aufbauten und Zubehör sowie Entwicklungsdienstleister. Die Automobilbranche zählt zu den bedeutendsten Arbeitgebern in Deutschland.^[15] Geschätzte 54.000 neue Arbeitsplätze konnte die deutsche Automobilindustrie trotz der Absatzschwäche seit 2010 schaffen. Die Inlandsproduktion wächst nicht so stark wie die Fertigung im Ausland. Es entstehen neue Produktionswerke in den Wachstumsmärkten. Jedoch zeigt die positive Entwicklung der Beschäftigung in Deutschland die Sicherung und Schaffung von neuen Arbeitsplätzen, welche durch die Auslandsproduktion induziert wird.^[16]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Beschäftigte in der deutschen Automobilindustrie^[17]

Abbildung 2 zeigt die prozentuelle Veränderung der Beschäftigten in der deutschen Automobilindustrie.

2.1.2 Aktuelle Lage

Im Jahr 2013 wurde die Produktion in den deutschen Werken um ein Prozent auf 5,44 Mio. Fahrzeuge gesteigert. Mehr als zwei Drittel der gefertigten Fahrzeuge werden am europäischen Markt verkauft. Dieser verlor indes zwei Prozent. Die entscheidende Stütze für die deutsche Automobilindustrie bildete der Export. Deutsche Fahrzeuge wurden weltweit nach wie vor nachgefragt und bildeten mit 77 Prozent den höchsten Anteil am Gesamtabsatz. Das Vorjahresergebnis wurde um zwei Prozent mit 4,2 Mio. Fahrzeugen gesteigert. Weltweit konnte sich somit Deutschland an die Spitze als Exportland vor Japan und Südkorea setzen.^[18]

Die folgende Grafik verdeutlicht die Verteilung der Exporte von deutschen PKWs nach Bestimmungsländern:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Exporte deutscher PKWs nach Bestimmungsländern^[19]

Die Produktion im Ausland konnte im Jahr 2013 um fünf Prozent weiter gesteigert werden. Die Anzahl der im Ausland gefertigten PKWs betrug 8,6 Millionen. Besonders die Schwellenländer, wo sich die Globalisierung durch steigende Nachfrage nach Mobilität erkennbar macht, tragen zu einer Auslandsfertigungsquote von 60 Prozent bei. Im Vergleich zu anderen Automobilnationen in Europa bewahrte die deutsche Automobilindustrie ihre Fertigung von Fahrzeugen vor einer Auslagerung ins Ausland.^[20]

2.1.3 Industrie 4.0 in der Automobilindustrie

In einer von der PAC^[21] durchgeführten Sudie zum Thema „IT-Investitionsschwerpunkten in der deutschen Automobilindustrie“ wurden 93 Unternehmen der Automobilindustrie mit mehr als 500 Mitarbeitern befragt. Unter anderem wurde ermittelt, dass für ca. 40% Prozent der Befragten Industrie 4.0 für die Weiterentwicklung ihrer Produktion eine zentrale oder teilweise zentrale Rolle einnimmt (Abbildung 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: PAC-Studie 2013^[22]

Die Befragung zeigt jedoch auch auf, dass für ca. ein Drittel der Unternehmen Industrie 4.0 gegenwärtig noch keine Rolle spielt. Das Ergebnis wird durch die Zusammensetzung der Stichprobe beeinflusst, da ebenfalls Autohändler daran beteiligt waren. Für diese sind fertigungsrelevante Themen nicht von Bedeutung. Zusätzlich besteht unter den Befragten ein großer Anteil aus Automobilzulieferer, bei denen (abhängig von der Größe) die IT-Durchdringung nicht so intensiv wie bei den OEM ist.^[23]

2.2 Herausforderungen in der Automobilindustrie

Die heutige Situation der Nachfrage nach Kraftfahrzeugen hat sich einem grundlegenden Wandel unterzogen. Die für die Automobilindustrie wichtigsten Märkte wie Amerika, Europa und Japan befinden sich im Nullwachstum. Als Konsequenz führt dies zu einem Verdrängungswettbewerb. Preiskämpfe bei Fahrzeugen mit hohen umgesetzten Stückzahlen waren die Folge.^[24] Für diesen harten Verdrängungswettbewerb gibt es vier Faktoren:^[25]

- Marksättigung

Sättigung in den wichtigen Volumenmärkten. Volumen-Wachstum und Nachfrage nach Fahrzeugen stagniert in diesen Märkten.

- Explodierende Modellvielfalt und Entwicklungskosten

Die Automobilhersteller bieten eine Vielzahl von Modellen in jeder vorkommenden Marktnische an. Die Folgen davon sind steigende Entwicklungskosten bei Kleinserien.

- Überkapazitäten an den etablierten Produktionsstandorten

Die Produktionsstätten befinden sich in neuen Wachstumsmärkten wie Asien, Mittel- und Osteuropa. Die Fertigung findet auf regionaler Ebene statt. Bestehende Standorte verzeichnen eine Überkapazität.

- Wachsender Verdrängungsmarkt in allen Segmenten

Gewinnmargen verringern sich aufgrund fehlendem Volumenwachstum und hoher Kosten, bedingt durch steigende Modellvarianten. Der Verdrängungswettbewerb zeichnet sich auf allen Wertschöpfungsstufen ab.

Innerbetriebliche Systeme weisen ebenfalls Turbulenzen auf. Das Produktionssystem wird durch innerbetriebliche Organisationveränderungen, Ressourcenverfügbarkeit und Leistungsschwankungen beeinflusst.^[26] Folgende Szenarien tragen dazu bei:^[27]

- Steigende Produktvarianten, Mengen in Verbindung mit Losgrößen, Auftragseingänge und –zusammensetzung sowie Lieferfristen und –termine;
- Änderungen und Neuerungen nehmen in bestehenden Produktprogrammen zu. Auslöser dafür sind, differenzierte Nachfrage und Varianten bzw. Verbesserungen und Änderungen in bestehenden Serien.
- Produktkonfigurationen werden spät festgelegt. Neue Produkte unterliegen kürzeren Einführungs- und Anlaufphasen.
- Preis- und Kostendruck der Marktsituation

Die Herausforderung durch den Anstieg der Produktvielfalt ist bspw. beim Hersteller Ford zu erkennen. In den Vereinigten Staaten kann der Kunde einen Pickup F150 mit 16 unterschiedlichen Ausstattungsdetails auswählen. Am Ende ergibt dies einen Pickup F150 mit 654 Billionen Kombinationsmöglichkeiten. Neben der Produktvielfalt steigt die Modellvielfalt. Anfang der 90er Jahre boten deutsche Fahrzeughersteller gleichzeitig sieben bis acht Modelle an. Mittlerweile hat sich diese Zahl verdreifacht. Der Volkswagen Konzern bietet insgesamt 280 verschiedene Modelle an.^[28]

Zusätzlich hebt eine Vielzahl an Staaten bei der Einfuhr von Produkten hohe Einfuhrzölle ein. Eine Vermeidung ist mit hohen lokalen Investitionen oder definierten Wertschöpfungsinhalt verbunden.^[29]

2.3 Erfolgsfaktoren der Automobilindustrie

Aufgrund verkürzter Lebenszyklen und kundenindividueller Anforderungen besteht die Herausforderung für Unternehmen darin, deren Unternehmensstrukturen anzupassen. Die Erfolgsfaktoren wie Flexibilität und Wandlungsfähigkeit spielen dabei eine bedeutende Rolle.^[30]

Die Abbildung moderner Wertschöpfungssysteme erfordert eine grundsätzliche Anpassung des bisherigen Verständnisses der Wertschöpfung und deren Muster.^[31]

2.3.1 Flexibilität

Die heute verwendeten Prognosetools zur Abschätzung von zukünftigen Aufträgen sind aufgrund von steigenden Schwankungen nicht ausreichend.^[32] Solche Schwankungen werden oft mit zusätzlichen vorgehaltenen Ressourcen in den Anlagen abgefangen, um eine hohe Flexibilität sicherzustellen. Produkte mit ihren unterschiedlichen Varianten können ohne zusätzlichen Mehraufwand gefertigt werden.^[33] Unternehmen müssen ihre Ziele wie kurze Lieferzeiten mit hoher Lieferfähigkeit bei geringem Bestand erreichen. In Verbindung mit dem Begriff Industrie 4.0, der unter anderem die Vernetzung und Echtzeitdarstellung der Produktion beinhaltet, wird die schnelle Reaktion auf Kundenanforderungen zum weiteren Erfolgsfaktor.^[34]

Eine dazu durchgeführte Befragung von 661 produzierenden Unternehmen brachte folgendes Ergebnis:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Bedeutung der schnellen Reaktion auf Kundenbedürfnisse^[35]

Flexibilität bedeutet auf Änderungen zu reagieren, die zu einem bestimmten Zeitpunkt der Planung bereits bekannt sind. Die Fertigung in der Anlage erfolgt mit wenig Aufwand, kurzer Zeit und kann an vorgesehene Bedingungen angepasst werden. Diese Flexibilität erfordert einen Vorbehalt an zusätzlichen Ressourcen.^[36]

Neben einer hohen Anlagenflexibilität spielt die Flexibilität bei den Mitarbeitern, die sogenannte Kapazitätsflexibilität, eine entscheidende Rolle. Systematischer und proaktiver Einsatz der Kapazitätsflexibilität verhindert Verluste und steigert die Lieferfähigkeit. Die Befragung von Unternehmen durch das Fraunhofer Institut zeigt den hohen Stellenwert der Flexibilität. Ca. 95 Prozent der Befragten sehen dies als wichtig an (Abbildung 6).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Flexibilität als Erfolgsfaktor für Produktionsunternehmen^[37]

Die Flexibilität der Mitarbeiter ist somit ein bedeutender Erfolgsfaktor für produzierende Unternehmen.^[38]

2.3.2 Wandlungsfähigkeit

In der Zukunft wird aufgrund volatiler Märkte ein Vorbehalt an Flexibilitätsressourcen nicht mehr ausreichen. Die Wirtschaftlichkeit dieser Ressource würde nicht mehr gegeben sein.^[39] Flexibilität zielt vielmehr auf einzelne Arbeitsprozesse und Maschinen ab. Dabei konzentriert sich die flexible Produktion auf die Maximierung der technischen und zeitlichen Nutzung kleinerer bzw. mittlerer Stückzahlen.^[40] Eine Fertigungsanlage muss bei nicht geplanten Veränderungen wandlungsfähig und nicht mehr flexibel reagieren. Wandlungsfähige Anlagen besitzen das Potenzial, sich mit wenig Aufwand beliebig umwandeln zu lassen.^[41] Die folgende Abbildung verdeutlicht den Unterschied von Flexibilität und Wandlungsfähigkeit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Gegenüberstellung Flexibilität und Wandlungsfähigkeit^[42]

Bei Einsetzen von Veränderungsimpulsen, die eine bestimmte Grenze nicht überschreiten, arbeitet die implementierte Flexibilität. Notwendige Änderungen werden innerhalb des Systems vorgenommen. Ein Um- bzw. Rückbau des Systems ist nicht notwendig. Verlässt die Anforderung den vordefinierten Flexibilitätskorridor, ist das System gezwungen sich zu wandeln. Die Wandlung passiert in einem bestimmten Rahmen. Bei erneuter Veränderung der Anforderung z.B. starker Anstieg der zu produzierenden Menge, lässt sich die zuvor veränderte Struktur wieder rückgängig machen.^[43]

Die Wandlungsfähigkeit eines Unternehmens beinhaltet Organisation und Technik. Dabei zeichnet sich der Einsatz von modernen Informations- und Kommunikationstechnik ab. Entscheidend für die Wandlungsfähigkeit eines Systems sind der Aufwand und die Dauer, in der es das Unternehmen schafft, das wirtschaftliche Optimum zu erreichen.^[44] Ziel des Unternehmens ist es mit wenig finanziellem Aufwand das System in unterschiedliche Zustände zu bringen. Im Vergleich zur Flexibilität gibt es bei wandlungsfähigen Systemen keinen Ressourcenvorbehalt.^[45]

Die Umwandlung eines Systems von einem Zustand in einen anderen erfordert bestimmte Eigenschaften, sogenannte Wandlungsbefähiger.^[46] Verändert sich z.B. die Nachfrage der Produkte in ihrer Art und Anzahl, bilden Universalität, Mobilität, Skalierbarkeit, Modularität und Kompatibilität die Wandlungsbefähiger. Entspricht eine Fertigung diesen Eigenschaften, wie in Abbildung 8 dargestellt, kann sie ohne großen Aufwand im optimalen Betriebszustand laufen.^[47]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Wandlungsbefähiger^[48]

Wiendahl H.P. et al. beschreiben die Wandlungsbefähiger folgendermaßen:^[49]

- Bei der Mobilität herrscht uneingeschränkte räumliche Beweglichkeit. Objekte besitzen die Fähigkeit, sich bezüglich Raum und Ort zu ändern (z.B. Maschine auf Rollen). Sie ist der Dynamik im System zuzuordnen.
- Die Neutralität steht im Zusammenhang mit der Komplexitätseigenschaft. Sie besitzt die Fähigkeit, verschiedene Zustände des Systems anzunehmen.
- Die Universalität steht je nach Anforderung für individuelle Gestalt- und Dimensionierbarkeit (z.B. Variantenflexibilität) des Objektes oder der Technologie.
- Die Kompatibilität steht für die Vernetzungsfähigkeit in Bezug auf Material, Information, Medien und Energie (z.B. einheitliche Schnittstellen).
- Die Modularität ist wie die Neutralität mit der Komplexität verknüpft. Sie bildet funktionsfähige, standardisierte Objekte ab (z.B. Plug&Produce Module)
- Die Skalierbarkeit bedeutet die Fähigkeit sich räumlich, technisch und personell anzupassen (z.B. flexibles Arbeitszeitmodell). Es herrscht die Möglichkeit zu erweitern oder reduzieren.

„Ein System wird als wandlungsfähig bezeichnet, wenn es aus sich selbst heraus über gezielt einsetzbare Prozess- und Strukturvariabilität sowie Verhaltensvariabilität verfügt. Gelingt es, einen Weg zu beschreiten, der eine kontinuierliche Anpassung der Unternehmensstrukturen ermöglicht, so werden erhebliche Effizienzverbesserungen erreicht.“ ^[50]

2.3.3 Wertschöpfungspartner im Verbund der Automobilhersteller

Die unternehmensübergreifende Zusammenarbeit gewinnt aufgrund der inner- und außerbetrieblichen Faktoren an Bedeutung. Die Anzahl von Entwicklungs- und Integrationskompetenzen ist gewachsen. Herausforderungen vor allem auf der Kostenseite sind für die Automobilhersteller mit den bisherigen Wertschöpfungsstrukturen schwierig standzuhalten.^[51]

Es erfordert eine Reorganisation der Wertschöpfung bzw. stärkeren Integration beteiligter Unternehmen. Zum Erfolgsfaktor wird dabei die weltweite Vernetzung von eigenen Unternehmensgruppen, gekoppelt mit internationalen Lieferantenstrukturen. Daraus entstehen neue Geschäftsmodelle und neuartige Formen der Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Lieferanten. Es entsteht eine grundlegend neue Verteilung von Verantwortung, Aufgabe und Risiko.^[52]

Für die Automobilzulieferer, die dem Kosten- und Preisdruck der Automobilhersteller standhalten, eröffnen sich beträchtliche Wachstumsmöglichkeiten. Der höhere Anteil an Fahrzeugelektronik, bedingt durch die Erfüllung der veränderten Kundenbedürfnisse, erhöht den Wertanteil des Produktes. Der Automobilhersteller übernimmt nach und nach weniger den Bereich der Entwicklung und der Eigenfertigung, da die Zulieferer wirtschaftlicher in diesen Bereichen produzieren können.^[53] Die Hersteller konzentrieren sich bewusst auf ihre Kernkompetenzen und bauen diese im eigenen Unternehmen aus. Nicht ausreichende wertschöpfende Leistungen werden von außen zugekauft.^[54] Die zu beschaffenden Mengen werden auf ausgewählte Partnerunternehmen begrenzt, um zusätzlichen Koordinationsaufwand und Komplexitätserhöhung zu vermeiden. Eine Verbesserung der Kommunikation, ein besserer Informationsfluss, kürzere Entscheidungsprozesse und eine Zunahme der Reaktionsfähigkeit ergeben sich aus dieser Situation.^[55]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Veränderung der Wertschöpfungsstruktur^[56]

Die gegenwärtigen Lieferketten werden in Zukunft miteinander vernetzt (Abbildung 9). Die Höhe des Vernetzungsgrades wie Kooperation oder Beteiligung ist von den sich deckenden Kernkompetenzen abhängig.^[57]

Es sind wesentliche Tendenzen zu beobachten. Finanziell starke Zulieferer entwickeln sich zu sogenannten Integrationspartnern. Diese Integratoren entwickeln, koordinieren, integrieren und fertigen selbständig. Es entstehen neue Zuliefernetzwerke unter der Führung dieser weltweit agierenden Unternehmen.^[58]

Die zunehmende Anzahl neuer Karosseriekonzepte sowie der Modellwechsel in Verbindung mit kleinen Losgrößen veranlasst die Hersteller dazu, auf Entwicklungsdienstleister und Produktionsspezialisten zurückzugreifen. Die Wertschöpfungskette ist einem Strukturwandel unterzogen.^[59] Die Entwicklungsdienstleistung ist nicht nur für Automobilhersteller, sondern auch für deren Zulieferer von Bedeutung. Die Bandbreite an Entwicklungsaufgaben erfordert den Zugriff auf die dafür benötigten Entwicklungsfähigkeiten und –kapazitäten durch die Hersteller selbst. Der Anteil der Wertschöpfung für Forschung und Entwicklung durch Entwicklungsdienstleister (EDL) beträgt in Deutschland etwa 12 Prozent. Die Aufgabe der EDL besteht in der Entwicklung von serienreifen Komponenten, Modulen, Systemen und gesamten Fahrzeugen. Zusätzlich übernehmen EDL die Verantwortung für die Entwicklung der Produktionsprozesse für deren entwickelten Produkte. Die Verantwortung und das Entwicklungsrisiko verlagern sich gleitend vom Hersteller zu den Dienstleistern.^[60]

Hinsichtlich der Herausforderungen in der Automobilindustrie und der damit verknüpften Reorganisation der Wertschöpfungskette bzw. Weiterentwicklung der Zulieferstruktur müssen neue Wege der Zusammenarbeit gegangen werden.^[61]

Das nachfolgende Kapitel nähert sich an den Begriff Industrie 4.0 an, da es noch keine einheitliche Definition gibt. Es wird ein Einblick in mögliche betroffene Technologiefelder und neue Technologien im Rahmen von Industrie 4.0 gegeben.

[...]

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^[1] Vgl.: Mönnig A. (2012), S.2

^[2] Vgl.: Sendler U. et al. (2013), S.5

^[3] Vgl.: Forschungsunion&acatech (2013), S.23

^[4] Vgl.: Sendler U. et al. (2013), S.5

^[5] Vgl.: BITKOM&Fraunhofer IAO (2014), S.7

^[6] Vgl.: Sendler U. et al. (2013), S.22

^[7] Vgl.: Bauernhansl T. et al. (2014), S.103

^[8] Vgl.: OICA (2015)

^[9] Vgl.: Mönnig A. (2012), S.5

^[10] Vgl.: Berylls Top 100 Supplier Studie (2014)

^[11] Vgl.: Sendler U. et al. (2013), S.22

^[12] Vgl.: VDA1 (2014)

^[13] Vgl.: Becker H. (2010), S.10

^[14] Quelle: IWK (n.d) zitiert in Becker H. (2010), S.11

^[15] Vgl.: Kleinhans C./Neidl T. (2015), S.10

^[16] Vgl.: VDA4 (2014), S.18

^[17] Quelle: Statistisches Bundesamt zitiert in VDA2 (2014)

^[18] Vgl.: VDA4 (2014), S.30

^[19] Quelle: VDA

^[20] Vgl.: VDA4 (2014), S.32

^[21] Pierre Audion Consultants-Forschungsinstitut für Software und IT

^[22] Quelle: PAC1 (2013), S.31

^[23] Vgl.: PAC2 (2013)

^[24] Vgl.: Sanz F. et al. (2007), S.251

^[25] Vgl.: Becker H. (2010), S.10

^[26] Vgl.: Westkämper E. et al. (2009), S.9f

^[27] ebenda

^[28] Vgl.: Sendler U. et al. (2013), S.23

^[29] Vgl.: Sanz F. et al. (2007), S.252

^[30] Vgl.: Wulf S. et al. (2015), S.113

^[31] Vgl.: Porter M.E. (2014) zitiert in Wulf S. et al. (2015), S.107

^[32] Vgl.: Fraunhofer IAO (2013), S.67

^[33] Vgl.: Bauernhansl T. et al. (2014), S.103

^[34] Vgl.: Fraunhofer IAO (2013), S.67

^[35] Quelle: Fraunhofer IAO (2013), S.67

^[36] Vgl.: Bauernhansl T. et al. (2014), S.104

^[37] Quelle: Fraunhofer IAO (2013), S.69

^[38] Vgl.: Fraunhofer IAO (2013), S.68

^[39] Vgl.: Bauernhansl T. et al. (2014), S.104

^[40] Vgl.: Westkämper E. et al. (2009), S.13

^[41] Vgl.: Bauernhansl T. et al. (2014), S.104

^[42] Quelle: Zäh/Reinhart (n.d) zitiert in Wiendahl H.P. et al. (2009), S.121

^[43] Vgl.: Wiendahl H.P. et al. (2009), 121f

^[44] Vgl.: Westkämper E. et al. (2009), S.14f

^[45] Vgl.: Bauernhansl T. et al. (2014), S.104

^[46] Vgl.: Wiendahl H.P. et al. (2009), S.125

^[47] Vgl.: Bauernhansl T. et al. (2014), S.104

^[48] Grafik selbst erstellt, vgl.: Wiendahl H.P. et al. (2009), S.125

^[49] Vgl.: Wiendahl H.P. et al. (2009), S.125

^[50] Westkämper E. et al. (2009), S.13

^[51] Vgl.: Richter J. et al. (2006), S.119

^[52] Vgl.: Girschik (2002)/Jahns (2004) zitiert in Sanz F. et al. (2007), S.252

^[53] Vgl.: Becker H. (2010), S.12

^[54] Vgl.: Jahns C. (2004) zitiert in Richter J. et al. (2006), S.120

^[55] Vgl.: Kurek R. (2004), S.22

^[56] Quelle: Kurek R. (2004), S.23

^[57] ebenda

^[58] Vgl.: Gleich/Galgenmüller (2004) zitiert in Richter J. et al. (2006), S.120

^[59] Vgl.: Becker H. (2010), S.12

^[60] Vgl.: VDA5 (2015), S.14

^[61] Vgl.: Richter J. et al. (2006), S.119