Die Digitale Fabrik als Wegbereiter für die Industrie 4.0-fähige Fabrik der Zukunft

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung der Arbeit
1.3 Aufbau der Arbeit

2. Der Ansatz der Digitalen Fabrik
2.1 Definitionsansätze
2.1.1 Abgrenzung der Definitionsansätze
2.1.2 Abgrenzung zur Virtuellen Fabrik
2.2 Stand der Digitalen Fabrik
2.2.1 Evolution der Digitalen Fabrik
2.2.2 Anwendungsgebiete der Digitalen Fabrik
2.2.3 Methoden und Werkzeuge der Digitalen Fabrik
2.2.4 Ziele und Nutzenpotenziale der Digitalen Fabrik
2.2.5 Tatsächlicher Nutzen
2.3 Handlungsfelder der Digitalen Fabrik

3. Das Konzept Industrie 4.0
3.1 Definitorik, Hintergründe und Ziele von Industrie 4.0
3.1.1 Definitionsansätze Industrie 4.0
3.1.2 Die vierte industrielle Revolution
3.1.3 Ziele und Nutzenpotenziale von Industrie 4.0
3.2 Merkmale von Industrie 4.0
3.2.1 Vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme
3.2.2 Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke
3.3 Das Internet der Dinge und Dienste
3.3.1 Eingebettete Systeme und Cyber-Physische-Systeme
3.3.2 Cloud Computing und Big Data
3.4 Smart Factory

4. Voraussetzungen für Industrie 4.0
4.1 Referenzarchitektur und Standards
4.1.1 Die Auflösung der Automatisierungspyramide nach VDI
4.1.2 Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 – RAMI 4.0
4.2 Datensicherheit

5. Zusammenfassung und Fazit

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

1.1 Problemstellung

„ Es sind weder die Stärksten einer Art, die überleben, noch die Intelligentesten. Es sind vielmehr diejenigen, die sich einem Wandel am besten anpassen können.“^[1]

Die Anforderungen an heutige Produktionsstätten steigen im Zeitalter der digitalen Vernetzung stets. Waren früher die hohe Qualität und der Preis über den Kauf eines Produktes entscheidend, wird zukünftig die Schnelligkeit der Realisierung eines Auftrags der essentielle Erfolgsfaktor sein.^[2] Eine hohe Wandlungsfähigkeit ist der Treiber der Zukunft und eine der wichtigsten Veränderungen gegenüber der analogen Welt. Der digitale Darwinismus beschreibt den Prozess, dass sich viele Unternehmen den wandelnden Rahmenbedingungen der immer volatileren Märkten nicht schnell genug anpassen können und ihre Marktposition verlieren, hervorgerufen durch die Digitalisierung ganzer Wertschöpfungsketten.^[3] Unternehmen sehen sich mit immer größeren marktseitigen Herausforderungen konfrontiert, da sie auf steigende Qualitätsanforderungen, fortschreitende Produktdiversifizierung und verkürzte Produktlebenszyklen reagieren müssen. Das Wettbewerbsumfeld wird von Trends wie Globalisierung, Wandlungsfähigkeit, Produktindividualisierung, Nachhaltigkeit und Komplexität beeinflusst. Die beschriebenen Trends sind Treiber für zahlreiche Weiterentwicklungen in allen Unternehmensbereichen. Nur mithilfe vernetzter, hochflexibler Produktionseinrichtungen ist es möglichen, den gestiegenen Ansprüchen aufgrund der zunehmenden Dynamik und Komplexität gerecht zu werden. Mit dem unterdessen zur Realität gewordenen ganzheitlichen Ansatz der Digitalen Fabrik kann den gestiegenen Anforderungen begegnet werden. Aktuelle Entwicklungen deuten darauf hin, dass sich der Prozess der Planung und Inbetriebnahme einer Fa­brik, ihrer Maschinen und Anlagen und deren Kompo­nenten in Zukunft grundlegend verändern werden. Die vorliegende Arbeit leitet, aufgrund des Wandels durch Industrie 4.0, ein neues Framework für die industrielle Kommunikation her, so dass die Digitale Fabrik weiterhin das Bindeglied zwischen realer und virtueller Produktion bleibt.

1.2 Zielsetzung der Arbeit

Vor allem große Unternehmen haben die Digitale Fabrik in den letzten Jahren in ihre Unternehmensstrategie implementiert. Aus diesem Grund spielen die digitalen Methoden und Werkzeuge der Digitalen Fabrik bei der Einführung von Industrie 4.0-Ansätzen eine entscheidende Rolle.

Die vorliegende Arbeit widmet sich deshalb der Frage, welche notwendige Weiterentwicklung der Methoden und Werkzeuge der Digitalen Fabrik es geben muss, um zukünftig Industrie-4.0-fähige Produktionssysteme in der Smart Factory anhand von Praxisbeispielen planen und betreiben zu können. Dazu muss zuerst ein grundlegendes Verständnis für die Digitale Fabrik geschaffen werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll der Frage nachgegangen werden, welche unterschiedlichen Definitionen bzgl. des Begriffes der Digitalen Fabrik existieren. Anhand einer wissenschaftlichen, systematischen Literaturrecherche wird der Forschungsstand der Digitalen Fabrik aufgezeigt, um einen vollständigen Überblick über das Konzept der Digitalen Fabrik zu erhalten.

Anhand der einschlägigen Literatur werden die Zusammenhänge bzw. Unterschiede der Begriffe „ Digitale Fabrik “, „ Industrie 4.0 “ und der „ Smart Factory “ erläutert und voneinander abgegrenzt. Damit soll ein Beitrag zur begrifflichen und konzeptionellen Übersichtlichkeit dieser Begriffe geleistet werden. Zu diesem Zweck wird die einschlägige Literatur zu Industrie 4.0 und Smart Factory bearbeitet. Speziell setzt sich die Arbeit mit den verschiedenen industriellen Revolutionen auseinander und stellt diese anhand geeigneter Kriterien einander tabellarisch gegenüber. Daran anschließend wird zur Erörterung der Nutzenpotenziale von Industrie 4.0 übergegangen. Die Enabler von Industrie 4.0: Cloud Computing, Big Data, Cyber-physische Systeme und Internet der Dinge und Dienste werden jeweils erklärt, an Praxisbeispielen veranschaulicht und anschließend im Hinblick auf den Forschungsstand kritisch gewürdigt.

Der Fokus liegt auf den Möglichkeiten, welche die Digitale Fabrik in Bezug auf die Industrie 4.0 bereit hält bzw. bereit halten kann. Es sollen die Flexibilität und die Vernetzung durch den gezielten Einsatz Industrie 4.0-fähiger Methoden und Werkzeuge entscheidend verbessert werden.

1.3 Aufbau der Arbeit

Die Arbeit gliedert sich in fünf Teile, wie in Abbildung 1.1 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Aufbau der vorliegenden Arbeit

(Quelle: Eigene Darstellung)

Zu Beginn widmet sich Kapitel 2 der Bewertung des Forschungsstandes der Digitalen Fabrik. Zugrunde gelegt werden die Definitionen, Charakteristika und die Evolution der Digitalen Fabrik, um den gegenwärtigen Forschungsstand zu bewerten. Verschiedene definitorische Festlegungen der Digitalen Fabrik in der Literatur werden analysiert, um die Entwicklung des Konzepts darzustellen. Dafür wird der Begriff charakterisiert und von dem Begriff Virtuelle Fabrik abgegrenzt. Die vorliegende Arbeit setzt dabei einen Schwerpunkt auf die Definition des Vereins Deutscher Ingenieure 4499. Dazu wird die einschlägige Literatur zur Digitalen Fabrik vor dem Hintergrund der Fragestellungen aus Abschnitt 1.2 der vorliegenden Arbeit rezensiert. Die Ziele und Nutzenpotenziale und der tatsächliche Nutzen werden einander in Abschnitt 2.2.4 bzw. 2.2.5 gegenübergestellt. Daraus werden zukünftige Herausforderungen abgeleitet, die in Abschnitt 2.3 betrachtet werden.

Zu Beginn von Abschnitt 3 wird die Auffassung der Zukunftsvision einer Industrie 4.0-fähigen Fabrik dargestellt. Im Anschluss daran folgt in Kapitel 3.1 die terminologische Klärung und Abgrenzung der Begriffe „Digitale Fabrik“, „Industrie 4.0“ und „Smart Factory“. Darüber hinaus wird in Abschnitt 3.3 näher auf die Begriffe Cyber-physisches-System (CPS), eingebettete Systeme, Cloud Computing und Big Data eingegangen. Kapitel 3 hat mehrere praktische Anwendungsbeispiele zum Gegenstand, welche die Theorie untermauern. Abschnitt 3.4 setzt sich mit der Vision der Fabrik der Zukunft auseinander. Hierbei wird näher auf die Smart Products eingegangen. Darauf aufbauend werden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen der Digitalen Fabrik, der Industrie 4.0 und der Smart Factory diskutiert.

In Abschnitt 4 wird die notwendige Weiterentwicklung der Digitalen Fabrik, ihrer Werkzeuge und Methoden, kritisch erläutert. In diesem Zusammenhang wird auf die zwei wesentlichen Referenzarchitekturmodelle, nach VDI 2013 und RAMI 4.0, in Abschnitt 4.1 näher eingegangen. Dabei werden die Ansätze der Automatisierungspyramide aufgegriffen, um die Entwicklung zu einer Fabrik der Zukunft zu verdeutlichen. Auf die Datensicherheit, als erfolgskritischer Faktor, wird in Abschnitt 4.2 eingegangen.

Die vorliegende Arbeit endet mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse und einem Fazit, in dem die Widersprüche zusammenfassend dargestellt werden, offene Punkte und Ansätze für weitere Entwicklungs- und Forschungsaktivitäten und mögliche Lösungsansätze für zukünftige Herausforderungen aufgezeigt werden.

2. Der Ansatz der Digitalen Fabrik

Im sich anschließenden Kapitel 2 setzt sich zunächst der Anschnitt 2.1 mit den divergierenden Definitionen der Digitalen Fabrik auseinander. Ferner wird in Abschnitt 2.2 die Digitale Fabrik anhand der Evolution, der Anwendungsgebiete, der Ziele und Nutzen als auch der Werkzeuge und Methoden charakterisiert. Ein weiterer Fokus wird auf den Stand der Technik und Forschung gesetzt und aus diesen Erkenntnissen ein Handlungsbedarf sowie ergänzend die Möglichkeiten der zukünftigen Entwicklung abgeleitet.

Bei der Anwendung der Methoden der Digitalen Fabrik gehört die Automobilindustrie neben der Luft- und Raumfahrtindustrie, sozusagen die Original Equipment Manufacturers (OEMs), zu den Pionieren.^[4] Durch die neuesten Entwicklungen im Bereich der Industrie 4.0 ist der Einsatz der Methoden und Techniken dieses Ansatzes noch weiter in das Bewusstsein der verschiedenen Industriezweige vorgedrungen.^[5] Im Jahr 2013 haben sich laut einer Umfrage durch BITKOM, VDMA und ZVEI lediglich ca. 48% der Unternehmen mit dem Thema Industrie 4.0 auseinander gesetzt.^[6] Kleine und mittelgroße Unternehmen (KMU), die mit OEMs zusammenarbeiten, müssen sich mit dem Konzept der Digitalen Fabrik auseinander setzen.^[7]

Die Digitale Fabrik (DF) ist ein virtuelles, dynamisches Modell eines vollständigen Produktionssystems, in dem alle Produkte, Ressourcen sowie Prozesse und logistische Abläufe ohne Medienbruch realitätsnah abgebildet sind. Infolgedessen können auftretende Zustände verlässlich simuliert werden. Dadurch bietet die Digitale Fabrik ein Planungs- und Betriebskonzept, das den Anforderungen der immer komplexeren Planungsaufgaben, wie bspw. sinkende Losgrößen bei gleichzeitig mehr Varianten, verkürzte Innovations- und Produktlebenszyklen und ein größerer Detaillierungsgrad Rechnung tragen kann. Es gilt die Fertigungssysteme flexibel zu gestalten, ohne dass die Herstellkosten durch längere Umrüstzeiten ansteigen. DF muss eine aufwandsarme Adaption an veränderte Umweltbedingungen erlauben, um wettbewerbsfähige Unternehmen zu betreiben.^[8]

2.1 Definitionsansätze

Der Begriff der Digitalen Fabrik entstand Ende der 1990er Jahre. In der Vergangenheit existierte eine Vielzahl von Missdeutungen des Begriffes der Digitalen Fabrik, die diese als reines IT-Thema und nicht als Prozesslösung auffassen.^[9] Die in der einschlägigen Literatur gängigste und branchenübergreifende Definition des Begriffes „Digitale Fabrik“ stammt aus der Richtlinie VDI 4499 des Fachausschusses führender Vertreter aus Wissenschaft und Praxis aus dem Jahr 2008. Obwohl der Begriff bereits seit 1990 existierte, hat sich erst durch den VDI-Ausschuss eine allgemein gültige Definition herausgebildet. Diese allgemeingehaltene Definition integriert die diskutierten Auffassungen. In Zusammenarbeit mit CIM Aachen GmbH hat das Institut für Produktionssysteme der Technischen Universität Dortmund eine Studie durchgeführt bzgl. des Umsetzungsstandes der Digitalen Fabrik. Ein einheitliches Begriffsverständnisses teilen 80% der Befragten Unternehmensvertreter unterschiedlicher Branchen, das sich mit der Definition gemäß der VDI Richtlinie 4499 deckt. Etwa 5% verstehen unter dem Begriff nur ein Modell der realen Fabrik oder verschiedene Simulationsmethoden, während ca. 10% der Studienteilnehmer den Begriff mit einem integrierten Werkzeug innerhalb der Produktentstehung gleichsetzen.^[10]

Oft wird dieser Begriff fälschlicherweise gleichgesetzt mit dem Begriff „Smart Factory“, wie in „Wirtschaft des 21. Jahrhunderts“ von V. Brühl (2015).^[11] Synonym zum Begriff der Digitalen Fabrik werden die Begriffe „Digital Manufacturing (DMF)“ und „Virtual Manufacturing“ verwendet.^[12]

„ Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen, – u.a. der Simulation und dreidimensionalen Visualisierung, – die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden.

Ihr Ziel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik in Verbindung mit dem Produkt.“^[13]

Die Digitale Fabrik stellt ein Abbild der realen Fabrik dar und hat die Aufgaben alle wesentlichen Prozesse in einer Fabrik zu beschreiben, zu simulieren und deren Durchführbarkeit zu prüfen, bevor diese überhaupt physisch existieren. Explizit werden die technischen Aspekte, wie Werkzeuge, Modelle und Methoden genannt. Werkzeuge sind in diesem Falle softwaretechnische Systeme, welche Methoden mit Hilfe von Modellen unterstützen. Zum anderen wird die Gesamtheit aller Mitarbeiter, Softwarewerkzeuge und Prozesse, die zur Erstellung notwendig sind, verstanden. In der Realität besteht die Digitale Fabrik aus einer Vielzahl von digitalen Werkzeugen, die jeweils für spezifische Problemstellungen eingesetzt werden. Laut VDI 3633 ist ein Modell ein vereinfachtes Abbild eines geplanten oder existierenden Systems. Es besteht die Auffassung, dass die DF eine Teilmenge des PLM ist und eine Schnittmenge mit dem PDM besitzt.^[14]

Von der Montage- und Fertigungsprozessplanung bis zur Serienproduktion werden die Phasen horizontal über ein durchgängiges Datenmanagement integriert. Das softwaretechnische Rückgrat der DF bildet ein gemeinsames durchgängiges Datenmanagement, das eine redundanzfreie Datenerhaltung und eine interdisziplinäre Arbeitsweise im Unternehmen ermöglicht und deswegen zu den Haupterfolgsfaktoren bei der Integration der Digitalen Fabrik zählt, wie Abbildung 2.1 zeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Digitaler Fabrikbetrieb in den Lebenszyklusphasen eines Produktionssystems

(Quelle: VDI 4499 (2011), Blatt 2.)

2.1.1 Abgrenzung der Definitionsansätze

Die Fülle an weiteren Definitionen und Aspekten impliziert, dass die Entwicklung des Begriffs der digitalen Fabrik längst nicht als abgeschlossen betrachtet werden kann, da technologischer Fortschritt und wissenschaftliche Erkenntnisse eine stetige Erweiterung und Anpassung bedingen. Ein Beleg für diese These bietet die bereits referierte Studie der Technischen Universität Dortmund. Dort sind 10% der Ansicht die Digitale Fabrik sei ein integriertes Werkzeug innerhalb der Produktentstehung. Weniger als 5% verstehen unter dem Begriff ein Modell der realen Fabrik oder eine Auswahl von Simulationsmethoden.^[15]

Für einen umfassenden Überblick über Digitale Fabrik sei auf die Arbeiten von Bracht, Geckler und Wenzel (2011), in denen sieben verschiedene Definitionsansätze aufgezeigt werden, und Schack (2007), sowie auf die nachstehende chronologische Tabelle verwiesen.^[16]

Himmler und Amberg (2013) analysierten 45 verschiedene Definitionsansätze und unterteilten diese in drei Kategorien, um verstehen zu können, inwiefern die Definitionen zusammenhängen. Die Untersuchungen weisen nach, wie hoch die Anzahl der Nennungen im Zeitverlauf sind, woraus sich ein Trend abzeichnet.

In der ersten Kategorie wird die Digitale Fabrik lediglich als Abbild einer Fabrik gesehen, um bereits bestehende Strukturen darzustellen. Die Prozessabdeckung dieses Ansatzes ist gering. Mit einem steigenden Trend in der zweiten Kategorie wird der Schwerpunkt auf die Fabrik- und Produktionsplanung gelegt. Die dritte Kategorie der Definitionsansätze bezieht explizit die Produktentwicklung mit ein. Die Anzahl der Nennungen im Zeitverlauf dieses Ansatzes ist fallend.^[17]

Tabelle 2.1 verzichtet auf eine vollständige Auflistung aller Definitionen, sondern dient vielmehr der Darstellung divergierender Definitionsansätze, die kategorisiert wurden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1: Kategorisierung ausgewählter Definitionen der Digitalen Fabrik

(Quelle: in Anlehnung an Landherr et al. (2013), S. 111.)

2.1.2 Abgrenzung zur Virtuellen Fabrik

Es gibt Definitionen, welche die Digitale Fabrik als statisches Abbild der realen Fabrik sehen (Kategorie 1).^[18] Das dynamische Gegenstück der Digitalen Fabrik bildet die Virtuelle Fabrik unter zusätzlicher Berücksichtigung des Parameters Zeit. Das Konzept der Virtuellen Fabrik ermöglicht es Prognosen über das dynamische, zeitabhängige Verhalten von komplexen Produktionsabläufen auf Grundlage von Simulationen zu erlangen. Erkenntnisse dieser Simulationen können, z.B. über Veränderungen der Durchlaufzeit eines Produkts oder den Ersatz von Maschinen auf die reale Fabrik übertragen werden. Damit dient es der präventiven Optimierung und der Realisierung des optimalen Fertigungskonzepts und als eine Leistungslinie für die Zukunft.^[19]

Laut Kühn (2006b) ist die Virtuelle Fabrik in der Digitalen Fabrik enthalten und mit der realen Fabrik verbunden (Vgl. Abbildung 2.2).^[20] Die Digitale Fabrik gilt als das „Bindeglied“ zwischen realer und virtueller Produktion. Die Änderungen im realen Umfeld durch cyber-physische Systeme bedingen Änderungen in der zukünftigen virtuellen Fabrik.^[21]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Die Digitale Fabrik integriert die Virtuelle und die Reale Fabrik

(Quelle: Kühn (2006b), S. 1.)

Eine Erweiterung dazu biete die Graphik von Westkämper & Löffler (2016) (Vgl. Abbildung 2.3), die u. a. auch die Relationen der Parameter untereinander in Verbindung mit der Zeit betrachtet.

Die Digitale Produktion ist ein Modell aller Produkte, Objekte und Ressourcen, welche mit IT-Werkzeugen in einer vernetzten Umgebung verarbeitet werden können. Werkzeuge erlangen ihre Wissensbasis aus Historiendaten, Betriebsdaten und Erfahrungsdaten aus alten Projekten von der „Alt-Struktur“ der Fabrik. Die Wissensbasis muss über den Lebenszyklus einer Fabrik stets angepasst, erweitert bzw. erneuert werden.

Mit Hilfe von Werkzeugen der digitalen Fabrik und Informations- und Kommunikationstechnologien erfolgt die rechnerunterstützte Modellerstellung der „Realen Produktion“, die mit ihren Elementen und Relationen abgebildet wird. In der Fertigungssteuerung werden Fabrikdaten aus der Realen Produktion durch Betriebsdatenerfassung (BDE) in das Modell integriert und somit werden die Datenmodelle aktualisiert. Es muss eine Sensor-Kopplung bestehen, um die Differenzen zwischen digitalem Modell und der realen Fabrik zu überwinden. Digitale Produkte entsteht aus der optimalen Nutzung und Pflege von Produktdaten über den gesamten Produktlebenszyklus.^[22]

Die Simulation zukünftiger realer Prozesse kennzeichnet die Virtuelle Produktion, mit der in Zukunft eine durchgängige experimentelle Planung und Steuerung von Produktionsprozessen und Anlagen über digitale Modelle möglich werden soll. Es entsteht ein vollständiges Abbild der realen Welt in der virtuellen Welt, in der neue Produktionsabläufe inklusive Maschinenprogramme komplett entwickelt und getestet werden. Aufgrund dieser Tatsache können die Resultate schnell und effizient in die reale Produktion übertragen werden. Eine manuelle, zeitaufwendige Programmierung an den einzelnen Maschinen entfällt somit, wodurch auch die Fehlerrate sinkt. Als Ergebnis steigen die Auslastung und die Flexibilität der realen Fabrik. Die Feinjustierung der Maschinen, ist aktuell noch manuell notwendig.^[23]

Die Verfügbarkeit des Wissens aus dem eigenen Unternehmen oder externen Quellen führt zu einer Verbesserung der Realiätsnähe der Modelle. Durch die Verbindung mit dem realen Umfeld nach Industrie-4.0-Methoden kann die erforderliche Realitätsnähe erzeugt werden. Erst durch die Kenntnis des Zeitverhaltens können Wirkzusammenhänge ermittelt werden, denn eine rechnerinterne Darstellung von Objekten ist nur eine statische Darstellung. Geht man davon aus, dass sich Objekte und Orte (Raum und Zeit) permanent verändern, muss die Veränderung der Modelle in der Zeit zum Gegenstand der Repräsentation werden. Elemente sind Objekte oder Subsysteme, wie z.B. das Produktionsnetzwerk, Prozesse oder Arbeitsplätze, deren Zeitverhalten und ihre Relationen durch die Wirkmodelle beschrieben werden.^[24]

Die Relation zwischen realer, digitaler und virtueller Fabrik ist grafisch in Abbildung 2.3 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Abgrenzung der Digitalen zur Virtuellen Fabrik

(Quelle: Westkämper & Löffler (2016), S. 195.)

Der Begriff der „Virtuellen Produktion“ ist keinesfalls mit dem „Virtuellen Unternehmen“ bzw. „Virtual Factory“ zu verwechseln. Unter Virtueller Produktion versteht man einen zweckgebundenen Zusammenschluss unabhängiger Unternehmen über einen begrenzten Zeitraum, um am Markt gemeinsam aufzutreten und eine größere Produktpalette anbieten zu können. Wenn die gemeinsame Aufgabe erfüllt ist, wird das Netzwerk wieder aufgelöst.^[25]

Der VDI erweitert die Richtlinie „Digitale Fabrik“, um ein zweites Blatt mit dem Titel „Digitale Fabrik – Digitaler Fabrikbetrieb“.

Der Digitale Fabrikbetrieb bezeichnet die Nutzung und das Zusammenwirken von Methoden, Modellen und Werkzeugen der Digitalen Fabrik, die bei der Inbetriebnahme einzelner Anlagen, dem Anlauf mehrerer Anlagen und der Durchführung realer Produktionsprozesse eingesetzt werden. Ziele sind die Absicherung und Verkürzung des Anlaufs sowie die betriebsbegleitende und kontinuierliche Verbesserung der Serienproduktion. Dazu wird das dynamische Verhalten einzelner Produktionsanlagen und komplexer Produktionssysteme und -prozesse einschließlich der Informations- und Steuerungstechnik realitätsnah abgebildet. Virtuelle und reale Komponenten können dabei miteinander gekoppelt sein. Auf Basis eines durchgängigen Datenmanagements nutzt der Digitale Fabrikbetrieb die Ergebnisse der Produktionsplanung in der Digitalen Fabrik und stellt seinerseits Daten für operative IT-Systeme bereit. Bei der Nutzung in der Serienproduktion werden die Modelle laufend der Realität angepasst.^[26]

Die virtuelle Inbetriebnahme bildet den Anfang für den Digitalen Fabrikbetrieb.^[27] Ausgehend von der definitorischen Festlegung des Begriffs der VDI 4499 Blatt 1 (2008) sollen überdies der Stand der DF herausgearbeitet werden.

2.2 Stand der Digitalen Fabrik

2.2.1 Evolution der Digitalen Fabrik

Grundsätzlich lässt sich zur Umsetzung der Digitalen Fabrik festhalten, dass die Digitale Fabrik bereits gelebte Realität ist.^[28] An dieser Stelle empfiehlt sich eine weitere Untersuchung, inwiefern das für KMUs der Fall ist. Der Einsatz von aktuellen Methoden wie bspw. digitale 3D-Modelle (Digital-Mock-Up) ist heutzutage ein fester Bestandteil der Produktentstehung, um auf hohe Planungskomplexität reagieren zu können. Es wird aus Abbildung 2.4 ersichtlich, dass die Digitale Fabrik ihren vollen Reifegrad erreicht hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Evolution der Digitalen Fabrik

(Quelle: Schack (2008), S. 29.)

Der folgende Absatz dient der Herleitung, Abgrenzung und Einordnung des Konzeptes in einen zeitlichen Kontext. Der Ursprung der Digitalen Fabrik liegt im Aufkommen der Rechnerunterstützung in den Unternehmen ab den 1980er Jahren, das in den letzten Jahrzehnten stetig gewachsen ist (Vgl. Abbildung 2.4) . Unter dem Begriff Computer Integrated Manufacturing (CIM) scheiterte damals der Ansatz einer vollautomatisierten, IT-gesteuerten zentralen Fertigung mit dem Ziel einer durchgängigen digitalen Informationsverknüpfung, da der Faktor Mensch vernachlässigt wurde (menschenleere Fabrik) und die Technologien wie bspw. Rechenleistung, Datenübertragungstechnik und Vernetzungstechnik schlichtweg zu teuer und noch nicht ausgereift waren.^[29] Im Übrigen wurde die hohe Automatisierung der ansteigenden Produktdiversifikation nicht gerecht. Ferner werden heutzutage die Kommunikationstechniken mit Hilfe von Clouds weltweit gespeichert, verknüpft und flexibel genutzt.

Im Fokus des CIM-Ansatzes steht die Verknüpfung von betriebswirtschaftlichen und technischen Systemen.^[30] Das Y-CIM-Modell von Scheer zeigt den Zusammenhang von CAx-Systemen zu den Produktionsplanung und –steuerungssystemen auf.^[31] Zugegebenermaßen ist der CIM-Ansatz gescheitert, nichtsdestotrotz fließen viele entstandene Werkzeuge heute in das Konzept der Digitalen Fabrik ein, weshalb das CIM-Konzept wissenschaftlich gesehen als Vorreiter für Ansätze der Digitalen Fabrik charakterisiert werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Das Y-CIM-Modell

(Quelle: Scheer (1987).)

Der Gartner Hype Cycle Report beurteilt die Reife von branchenübergreifenden relevanten Technologien: zunächst entwickelt sich ein Hype, nach ersten Projekten tritt eine Ernüchterung ein bevor sich die Technologie nach dem ausbessern der Anfangsfehler etabliert. Die technologischen Lebensphasen werden den gesetzten Erwartungen dieser Phase gegenüber gestellt. Virtual Reality und Augmented Reality sind Werkzeuge der Digitalen Fabrik und im Verlauf schon weiter fortgeschritten, was ihren hohen Verbreitungsgrad und ihre Akzeptanz in den Unternehmen belegt. Augmented Reality befindet sich im Tiefpunkt der Ernüchterung wohingegen Virtual Reality bereits beim „Anstieg der Erkenntnis“ ist. Der „Gartner Hype Cycle 2016“ für „Emerging Technologies“ (siehe Abbildung 2.6) ordnet die Technologien von Industrie 4.0 wie IoT-Plattform & Maschine learning in ganz unterschiedlichen Phasen an. Machine learning befindet sich bei dem Höhepunkt des Hypes. Für die Entwicklung von Industrie 4.0 ist es relevant, eine industrieübergreifende, horizontale Plattform zu integrieren, die noch vor dem Hype vorzufinden ist. Das bedeutet, dass in der Digitalen Fabrik vorkommende Systemfamilien, welche sich an spezifische Workflows und unternehmensspezifische Bedingungen anpassen lassen, zu einer übergreifenden Lösung um zentrale Dienste erweitert werden. Die Plattformen dienen der Speicherung und Übertragung von Daten und Informationen und der Bereitstellung dieser Informationen und Wissen. Zudem werden Softwaredienste wie Schnittstellen, Standardsoftware, Upgrading und Sicherheit bereitgestellt. Desweiteren setzen sie Entwicklungsstandards für IT-Anwendungssysteme und IT-Architekturen der digitalen Produktion.^[32] Den smarten Technologien (Smart Robots, Smart Data Discovery, Smart Workspace, Smart Dust) steht der Hype noch bevor.^[33]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Gartner´s Hype Cycle (2016) für neue Technologien

( Quelle: Gartner Hype Cycle (2016) )

Gartner definiert fünf unterschiedliche Phasen, die Erkenntnisse über den Stand der Marktaufnahmen bieten:

- Innovation Trigger („technologische Impulse“)
- Peak of Inflated Expectations („Höhepunkt der überzogenen Erwartungen“)
- Trough of Disillusionment („ Tiefpunkt der Ernüchterung“)
- Slope of Enlightenment („Anstieg der Erkenntnis“)
- Plateau of Productivity („Produktivitätsniveau“).

Das Erreichen des Produktivitätsplateaus wird in Abbildung 2.6 ebenfalls anhand der verschiedenen Farben der Technologien prognostiziert. Ab diesem Niveau rechnet sich eine Technologie und wird in großen Stückzahlen produziert, da sie breit eingesetzt wird.

2.2.2 Anwendungsgebiete der Digitalen Fabrik

Bislang hat sich das Anwendungsgebiet der Digitalen Fabrik auf die Verkürzung der Entwicklungszeit durch das Parallelisieren der Produktentwicklung und Produktionsplanung im Sinne des Simultaneous Engineering^[34] bezogen.

Im Zentrum der Betrachtung steht das „Produkt- und Produktionsentstehungsprozess“ mit dem Fokus auf der Produktionsplanung und Gestaltung der Fabrik (Vgl. Abbildung 2.7). Es wird eine ganzheitliche Betrachtung ermöglicht, welche auf der Verbindung technischer und wissenschaftlicher Daten und Modelle basiert.^[35]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7: Einsatzbereiche der Digitalen Fabrik

(Quelle: VDI 4499 Blatt 1 (2008), S. 3.)

Die heutigen Anwendungsfelder der Digitalen Fabrik erstrecken sich keinesfalls nur auf die Entwicklung und Planung, sondern auf die gesamte unternehmerische Wertschöpfungskette, die den kompletten Fabriklebenszyklus beinhaltet, wodurch deutlich größere Optimierungspotentiale ausgeschöpft werden. Dessen ungeachtet bietet die Digitale Fabrik in der Produktentwicklung und der Fabrikplanung dennoch das größte Nutzenpotential. Die Investitionskosten sind die Kosten von der Produktentwicklung bis zur Inbetriebnahme. Sie machen lediglich 20% bis 30% der Produktlebenszykluskosten aus, während die Betriebskosten 70% bis 80% ausmachen. Aus diesem Grund muss der Fokus auf die frühzeitige Planung der Produktionsphase durch digitale Daten, Werkzeuge und Methoden fallen.^[36]

Im Bereich der Produktentwicklung soll eine Einschränkung erfolgen, die sich aus den weiteren, oben angeführten Definitionen der Digitalen Fabrik ableiten lässt. Für den Bereich der Produktentwicklung sollen nur die Entwicklung und Überprüfung derjenigen Produkteigenschaften betrachtet werden, die sich unmittelbar auf die Produzierbarkeit des Produktes auswirken. Fragestellungen des ästhetischen oder sonstigen technischen Designs fallen somit aus der weiteren Betrachtung heraus.

Gemäß Siemens PLM Solutions wird die erste Implementierungsstufe, welche die Verkürzung der Time-to-Market in der Entwicklungsphase des Produkts beinhaltet, „ Digitale Fabrik 1.0 “ bezeichnet. Die Produktionsplanung wird in dieser Phase fokussiert. Das zeigt, dass marktführende Hersteller auf Herausforderungen mit der Erweiterung ihrer durchgängigen Werkzeugwelten reagieren. Der Fokus der nächsten Implementierungsstufe „ Digitale Fabrik 2.0 “ liegt hierbei darin digitale Werkzeuge in der kompletten Wertschöpfungskette zu integrieren. Derzeit bestehende voneinander unabhängige Werkzeuge, die heterogene Systemlandschaften bilden, sollen in einer durchgängigen Werkzeugwelt über Schnittstellen miteinander verknüpft werden.^[37] Bisher mangelt es an einer durchgängigen Vernetzung der zahlreichen Prozessschritte vor allem über Standorte und Unternehmen hinweg. Der Grund dafür liegt in fehlenden kompatiblen Softwaresystemen.^[38] Mit dem folgenden Beispiel in Abbildung 2.8 kann schematisch verdeutlichen werden, welcher Bereich der zweiten Implementierungsstufe entspricht und einen Gesamtüberblick über die Anwendungsgebiete geben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Anwendungsgebiete der Digitalen Fabrik

(Quelle: VDI 4499 Blatt 1 (2014))

Es sind die Anwendungsgebiete der Digitalen Fabrik im Ablauf der Lebenszyklusphasen des Produktionssystems abgebildet. Außerdem wird anhand der Abbildung 2.8 deutlich, dass hierbei eine Vielzahl von Schnittstellen vorhanden sind, die Beachtung finden müssen. Zur Realisierung der Planungsaufgaben müssen Schnittstellen zur Konstruktion und Entwicklung vorhanden sein, bis hin zu nachgelagerten Phasen wie der Qualitätssicherung. Die Integrationsdefizite zwischen der Digitalen Fabrik und dem Anlagenbetrieb werden behoben. Als Ergebnis entsteht ein ganzheitlicher Ansatz, der die Integration verschiedener digitaler Werkzeuge vorsieht.^[39]

Die durchgängige Nutzung einheitlicher Datenstände im Rahmen des Produkt- und Fabriklebenszyklus und die daraus entstehenden digitalen Modelle der Produkte und Produktionsprozesse bilden die Basis für die Vision Industrie 4.0.^[40]

[...]

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^[1] Charles Darwin (1809-1882).

^[2] Vgl. Giersberg (2017), S. 19.

^[3] Vgl. Kreutzer & Land (2016), S. 1.

^[4] Vgl. Kerber (2016), S. 4.

^[5] Vgl. Krückhans & Meyer (2013), S. 31.

^[6] Vgl. Plattform Industrie 4.0 (2013).

^[7] Vgl. Schack (2008), S. 5.

^[8] Vgl. Landherr et al. (2013), S. 127.

^[9] Vgl. Matysczok & Meyer (2009), S. 30.

^[10] Vgl. Schallow et al. (2014), S. 140.

^[11] Vgl. Brühl (2015), S. 62.

^[12] Vgl. Schack (2008), S. 11.

^[13] VDI 4499 Blatt 1 (2008), S. 3.

^[14] Vgl. VDI 4499 Blatt 2 (2011).

^[15] Vgl. Schallow et al. (2014), S. 140.

^[16] Vgl. Spillner (2012), S. 23.

^[17] Vgl. Himmler & Amberg (2013), S. 167.

^[18] Vgl. Landherr et al. (2013), S. 108.

^[19] Vgl. Westkämper & Löffler (2016), S. 195.

^[20] Vgl. Kühn (2006b), S. 1.

^[21] Vgl. Schack (2008), S. 10.

^[22] Vgl. Westkämper et al. (2013), S. 49.

^[23] Vgl. Huber (2016), S. 86f.; Landherr et al. (2013), S. 108.

^[24] Vgl. Westkämper & Löffler (2016), S. 196.

^[25] Vgl. Bracht et al (2011), S. 13.

^[26] VDI 4499 Blatt 2.

^[27] Vgl. Bracht et al. (2011), S. 15.

^[28] Vgl. Bracht & Spillner (2009), S. 648.

^[29] Vgl. Artischewski (2014), S. 8.

^[30] Vgl. Hofmann (2017), S. 11.

^[31] Vgl. Bracht et al. (2011), S. 6f.

^[32] Vgl. Westkämper (2013), S. 138f.

^[33] Vgl. Kaufmann (2015), S. 9f.

^[34] Methode zur Verkürzung der Entwicklungen vor allem durch Parallelisierung.

^[35] Vgl. Fleischmann (2016), S. 8.

^[36] Vgl. Schenk & Schumann (2015), S. 32.

^[37] Vgl. Schenk et al. (2014), S. 653 und 661.

^[38] Vgl. Brühl (2015), S. 101f.

^[39] Vgl. Schenk & Schumann (2015), S. 32.

^[40] Vgl. Schenk et al. (2014), S. 660.