Industrie 4.0 und Lean Management. Eine theoretische Analyse der Synergien in der Produktion

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Forschungsfrage und Aufbau der Arbeit

2 Produktion
2.1 Definition des Produktionsbegriffes
2.2 Stellenwert der Produktion
2.3 Produktion als Zukunftskonzept

3 Industrie 4.0
3.1 Begriffsdefinition Industrie 4.0
3.2 Historische Entwicklung der vierten industriellen Revolution
3.3 Kernkomponenten von Industrie 4.0
3.4 Neue Paradigmen der industriellen Fertigung
3.5 Chancen und Herausforderungen von Industrie 4.0

4 Lean Management
4.1 Begriffsabgrenzungen im Lean Management
4.2 Das Toyota Produktionssystem
4.3 Die Fünf Prinzipien des Lean Thinking
4.4 Vorteile und Grenzen des Lean Managements

5 Synergien zwischen Industrie 4.0 und Lean Management
5.1 Analyse der Synergien in der Produktion
5.1.1 Der Synergiebegriff
5.1.2 Gemeinsame Ressourcennutzung als Voraussetzung für Synergien
5.1.3 Identifikation von Synergiepotentialen
5.2 Gegenüberstellung
5.3 Ergebnisse der Analyse
5.4 Kritische Würdigung

6 Fazit und Ausblick

Anhang

Literaturverzeichnis

Internetquellen-Verzeichnis

Kurzfassung

Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist die Untersuchung der Synergien zwischen Industrie 4.0 und Lean Management im Bereich der Produktion. Zu diesem Zweck wurden mithilfe einer systematischen Literaturanalyse die relevanten Merkmale beider Konzepte herausgearbeitet und mittels einer Stärken-Schwächen-Analyse auf bestehende Synergie-potenziale untersucht. Die Gemeinsamkeiten und Unterschiede beider Ansätze konnten festgestellt und beschrieben werden. Dabei stellte sich insbesondere heraus, dass standardisierte und schlanke Prozesse eine wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche Entwicklung hin zu einer intelligenten Fabrik schaffen. Die Ergebnisse der Arbeit bilden einen möglichen Ansatz für produzierende Unternehmen, den Herausforderungen von Industrie 4.0 zu begegnen.

Management Summary

This Bachelor thesis was commissioned to examine the synergies between Industry 4.0 and Lean Management in the area of production. For this purpose, the relevant features of both concepts were identified using a systematic analysis of literature and the synergy potential was parsed using a strength-weakness analysis. The similarities and differences between both approaches could be identified and described. In particular, it emerged that standardized and streamlined processes are an important prerequisite for a successful development towards an intelligent factory. The findings of the thesis form a possible approach for manufacturing companies to meet the challenges of Industry 4.0.

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Welthandelsanteile der größten Exporteure forschungsintensiver Waren 2000 bis 2015 Anteile in %

Abbildung 2: Die vier Stufen der industriellen Revolution

Abbildung 3: Die Komponenten von Industrie 4.0

Abbildung 4: Die fünf Paradigmen der Industrie 4.0

Abbildung 5: Die Elemente des TPS

Abbildung 6: Die Schlüsselprinzipien des Lean Thinking

Abbildung 7: Klassifikation unternehmerischer Ressourcen

Abbildung 8: Industrie 4.0 und Lean Management im Kontext der Komplexität

Abbildung 9: Die Synthese von Industrie 4.0 und Lean Management im Rahmen der Produktion

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Stärken-Schwächen-Profile im Vergleich

Tabelle 2: Gegenüberstellung Lean Management und Industrie 4.0

1 Einleitung

„Innovation distinguishes between a leader and fellower.“ (Steve Jobs, 2001)^[1]

Innovationen sind das Ergebnis des kontinuierlichen Strebens nach neuen Ansätzen und Verbesserungen für die Zukunft, welches die Menschen schon immer vorantreibt. Als zentraler Ausgangspunkt für die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen, insbesondere in einem dynamischen Wettbewerbsumfeld, verändern Innovationen immer wieder ganze Wirtschafts- und Industriezweige. Die wachsenden Herausforderungen angesichts sinkendender Innovations- und Produktlebenszyklen sowie die Zunahme kunden-individueller Anforderungen bei gleichzeitig steigendem Kostendruck machen die Wertschöpfungsnetzwerke im Kontext der Globalisierung und Vernetzung zunehmend dynamischer und komplexer. Getrieben durch die ansteigende Digitalisierung der Wirtschaft und Gesellschaft sowie durch die Entwicklungen im Bereich des Internets, verschmelzen die reale und die virtuelle Welt immer mehr miteinander. Die damit einhergehenden Auswirkungen auf die bestehenden Technologien und existierenden Geschäftsprozesse eröffnen erhebliche Potenziale in den industriellen Kernprozessen, stellen die Industrieproduktion jedoch auch vor immense Herausforderungen. Um diesen neuen Anforderungen gerecht werden zu können, wird eine Verzahnung der Produktion mit den modernen Informations- und Kommunikationstechniken notwendig sein. Damit befindet sich die Wirtschaft an der Schwelle zur vierten industriellen Revolution, die auch als Industrie 4.0 bezeichnet wird.

1.1 Problemstellung

Im digitalen Zeitalter, in dem individualisierbare Produkte kontinuierlich an Bedeutung gewinnen und Technologien immer kürzere Innovationszyklen aufweisen, müssen sich auch die vorherrschenden Paradigmen verändern.

Der Output der Produktion fokussiert eine zunehmend individuellere und kleinteiligere Serienfertigung, welche sich durch eine möglichst frühzeitige Einbindung von Kunden und Geschäftspartnern in die Design- und Wertschöpfungsprozesse sowie durch eine Kopplung von Produktion und hochwertigen Dienstleistungen auszeichnet. Für den Input der Produktion bedeutet das einen noch kurzfristiger berechenbaren Materialfluss und die Notwendigkeit von Just-in-time-Lieferungen sowie eine komplexe Fertigungsumgebung, in der viele verschiedene Aufträge überblickt werden müssen.^[2] Eine der zentralen Herausforderungen der industriellen Produktion ergibt sich deshalb aus dem Spannungsfeld zwischen einer kurzfristigen Herstellung kundenindividueller Produkte und der Realisierung der Fließfertigung. Bisher galten die Prinzipien der Lean Production vor diesem Hintergrund, besonders in der variantenreichen Serienfertigung, als Best-Practise.^[3] Seit einigen Jahren wird in diesem Kontext aber auch das Konzept der digitalen Fabrik verstärkt diskutiert, welches einen neuen Ansatz für den Umgang mit der steigenden Volatilität und Unvorhersehbarkeit der notwendigen Entwicklungs- und Herstellungsprozesse bietet. Der alleinige Einsatz bisher etablierter Fertigungsverfahren und -strukturen kann die hohen Anforderungen an die Prozessreife und Prozessleistung nicht mehr erfüllen. Die Frage, inwieweit die bewährten Methoden des Lean Managements mit der vierten industriellen Revolution zusammenwirken, ist deshalb von großer Relevanz für die Gestaltung der Produktion der Zukunft.

1.2 Forschungsfrage und Aufbau der Arbeit

Ausgehend von der Problemstellung beschäftigt sich die vorliegende Bachelorarbeit in den folgenden Abschnitten mit der Forschungsfrage, ob Synergien zwischen Industrie 4.0 und Lean Management im Rahmen der Produktion bestehen. Innerhalb der Arbeit soll deshalb der in der Betriebswirtschaft häufig angewendete Synergiegedanke auf die Konzepte Industrie 4.0 und Lean Management übertragen werden. Dafür werden die zentralen und für die Arbeit relevanten Merkmale beider Konzepte herauszuarbeitet. Den Schwerpunkt der Untersuchung bildet jedoch die Identifikation bestehender Synergie-potenziale zwischen beiden Konzepten, eine vergleichende Gegenüberstellung und die Visualisierung der Analyseergebnisse.

Die Forschungsfrage dieser Arbeit wird anhand einer systematischen Literaturanalyse untersucht. Dazu wird zu Beginn ein Überblick über die Produktion vermittelt, indem sowohl der Begriff erläutert, als auch deren wirtschaftliche Bedeutung betrachtet wird. Der Abschnitt schließt mit den aktuellen Entwicklungstendenzen im Bereich der Industrieproduktion.

In den beiden anschließenden Kapiteln werden die zentralen und für die Arbeit relevanten Merkmale von Industrie 4.0 und Lean Management beschrieben. Die Abschnitte tragen dazu bei, ein grundlegendes Verständnis für beide Konzepte zu schaffen und bilden die theoretische Grundlage für die nachfolgende Analyse der Synergien.

Um die Synergiepotenziale zwischen beiden Konzepten zu wissenschaftlich zu untersuchen wird in Kapitel fünf zunächst der Synergiebegriff definiert. Im Anschluss folgen die Untersuchung der Voraussetzungen des gegenseitigen Zusammenwirkens und die Identifikation konkreter Synergiepotenziale. Basierend darauf und einer vergleichenden Gegenüberstellung werden die Ergebnisse der Analyse zusammengefasst und visualisiert. Danach werden die Resultate kritisch gewürdigt.

Den Abschluss der Arbeit bildet eine Schlussbetrachtung, in welcher die Ergebnisse zusammengefasst und daraus eine Handlungsempfehlung für die Zukunft abgeleitet wird.

2 Produktion

Ein leistungsfähiger industrieller Kern und die Fähigkeit, die komplexen industriellen Wertschöpfungsketten zu beherrschen, bilden die Schlüsselqualifikation im internationalen Wettbewerb. Im folgenden Abschnitt soll deshalb zunächst der Begriff der Produktion definiert und deren volkswirtschaftlicher Stellenwert erörtert werden. Des Weiteren wird auf die zukünftigen Herausforderungen in der Produktion eingegangen, sowie auf die Frage nach der Notwendigkeit einer politischen Reaktion auf diese Prozesse.

2.1 Definition des Produktionsbegriffes

Während des Transformationsprozesses der Produktion werden durch den gelenkten Einsatz natürlicher Ressourcen und Dienstleistungen, den sogenannten Produktions-faktoren, Rohstoffe abgebaut bzw. Güter oder Dienstleistungen erzeugt, für die es eine Nachfrage in privaten Haushalten und in Industriebetrieben gibt. Der Transformations-prozess ist ein Wertschöpfungsprozess, welcher von Menschen unter Zuhilfenahme von Werkzeugen und Maschinen ausgeführt wird. Der technische Fortschritt beeinflusst dabei maßgeblich die Effizienz der Produktion in den Fabriken und ihre ökonomischen, ökologischen und sozialen Wirkungsgrade.^[4]

2.2 Stellenwert der Produktion

In den vergangenen Jahrzehnten sank der Anteil der industriellen Wertschöpfung am Bruttosozialprodukt in den westlichen Industrieländern kontinuierlich, obwohl die Weltproduktion stieg. Diese Entwicklung lässt sich auch in Europa beobachten. So ist seit 2000 der industrielle Anteil an der Bruttowertschöpfung in fast allen Ländern Westeuropas gesunken. Die einzige Ausnahme bildet Deutschland, wo er in etwa konstant blieb.^[5] Trotz alledem leistet die verarbeitende Industrie einen maßgeblichen Beitrag zur europäischen Wertschöpfung. Etwa 30 Millionen Menschen sind in den verschiedenen Sektoren in rund 250.000 Unternehmen beschäftigt, weitere ca. 70 Millionen Menschen arbeiten in den peripheren Dienstleistungsbereichen.^[6]

Als Reaktion auf den Prozess der De-Industrialisierung innerhalb Europas hat die Europäische Kommission im Herbst 2012 das Ziel formuliert, den Industrieanteil in der EU von 16% in 2012 bis 2020 wieder auf 20% zu steigern und den Fokus wieder stärker auf den industriellen Sektor zu lenken.^[7] Deutschland kommt dabei eine besondere Rolle zu. Mit einem breiten Portfolio an verschiedenartigen Technologien gilt die Bundesrepublik als weltweit führend im Bereich der Produktionstechnik und der Fabrikausrüstung. Die Industrie hält ihren Anteil an der Wertschöpfung in Deutschland stabil auf einem hohen Niveau, unabhängig von einem weltweiten Trend zur Tertiarisierung. Gemessen an der Bruttowertschöpfung ist Deutschland weltweit das viertgrößte Industrieland.^[8] Trotz Globalisierung und Migration von Produktions-standorten in das Ausland zählt das produzierende Gewerbe^[9] mit einem Anteil von rund 25 % am BIP^[10] zu den wichtigsten deutschen Wirtschaftszweigen. Knapp jeder fünfte Erwerbstätige in Deutschland (18,9%)^[11] ist im industriellen Sektor tätig. Entsprechend bedeutsam ist die Effizienz der Fertigungsprozesse und ‑verfahren der deutschen Produktionsstätten, um auch langfristig im internationalen Wettbewerb bestehen zu können.

2.3 Produktion als Zukunftskonzept

Betrachtet man die industrielle Produktion der vergangenen Jahrhunderte, lag das Hauptaugenmerkt des technischen Fortschrittes in der Effizienz der einzelnen Prozesse, um mit einer verbesserten maschinellen Leistung Vorteile im globalen Wettbewerb zu erzielen. Heute hingegen fokussiert man eine Optimierung des Gesamtsystems der Wertschöpfung und Effizienz. Die kontinuierliche Suche nach innovativen Lösungen für den Erhalt und die Ausweitung der globalen Wettbewerbsfähigkeit rückt in den Mittelpunkt.

Der Transformationsprozess erweitert sich damit signifikant:

- von der Zentrierung innerbetrieblicher Prozesse auf ein gesellschaftliches Gesamt-system einschließlich der außerbetrieblichen Organisationen,
- von der bloßen Herstellung eines Produktes auf die Berücksichtigung des gesamten Produktlebenszyklus,
- von einer technischen Gestaltung der Produkte und Prozesse zu einer vernetzten und verteilten Produktion in einem umfassenden Informations- und Kommunikations-system, in welchem Informationen und Wissen jederzeit und in Echtzeit zur Verfügung stehen.^[12]

Die Produktion muss also als erweitertes System verstanden werden, das die gesamte Wertschöpfungskette von der Leistungserstellung bis zum Ende des Lebenszyklus eines Produktes und die Einflüsse der Produktionsumwelt berücksichtigt.

Aufgrund dieser gravierenden Veränderung wird das Thema „Zukunft der Produktion“ derzeit intensiv diskutiert. Während noch um die Jahrtausendwende Outsourcing das weitgehend dominierende Thema war und sowohl die Finanzwirtschaft als auch andere Dienstleistungen als Konjunkturtreiber gesehen wurden, profitierte vor allem Asien vom „Outsourcing-Boom“ der westlichen Länder. Besonders in der Produktion von „High-Tech“-Produkten^[13] gewannen asiatische Produzenten Marktanteile, obwohl der technologischen Führung in den rohstoffarmen, westlichen Ländern eine wichtige wirtschaftliche Bedeutung zukommt. Die Sicherung der nationalen Produktionsstandorte und damit auch der heimischen Arbeitsplätze rückt jedoch aktuell wieder stärker in den Fokus. Die Politik der westlichen Länder hat erkannt, dass ein hohes Maß an Outsourcing und die Verlagerung der Produktion in Niedriglohnländer langfristig dazu führt, dass sich auch Forschung und Entwicklung verlagern. Ohne eine physische Nähe von Produktion und Produktentwicklung im Sinne des „Simultaneous Engineering“ läuft eine Volkswirtschaft Gefahr, ihre Innovationsfähigkeit zu verlieren.

In Abbildung 1 wird deutlich, dass weite Bereiche der Wirtschaft eine kurzfristige und reaktive Politik verfolgt haben und damit wesentlich zum Prozess der De-Industrialisierung beitrugen. Im Hinblick auf langfristige gesellschaftliche Trends und die strukturellen Veränderungen durch den Einfluss von Technologien auf die Produktion sollte jedoch eine nachhaltige Industriepolitik verfolgt werden,^[14] um die Wettbewerbs-fähigkeit der westlichen Länder aufrechterhalten zu können.

Abbildung 1: Welthandelsanteile der größten Exporteure forschungsintensiver Waren 2000 bis 2015 Anteile in %

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Schiersch/Gehrke 2017, S. 10

Eine moderne Politik sollte deshalb durch vier wesentliche Schwerpunkte geprägt sein:

- Bildung und Ausbildung zur Qualifikation des Personals,
- Forschung und Entwicklung für Produkt- und Produktionstechnologien,
- Effizienz der Ressourcen durch die Produktion,
- Investitionen in die Produktion zur Umsetzung von Wissen in Wertschöpfung.^[15]

Im Kern jener Industriepolitik sollte das erweiterte System der Produktion stehen, welches möglichst anpassungsfähig sein sollte, um es angesichts der vielfältigen Herausforderungen zukunftsfähig zu machen (siehe Anlage 1).

3 Industrie 4.0

Nachdem die Produktionsarbeit und deren aktuelle Herausforderungen untersucht wurden, folgt nun die Betrachtung eines politischen Projektes zur Gestaltung der „Produktion der Zukunft“ im Rahmen einer solchen zuvor beschriebenen modernen Industriepolitik.

3.1 Begriffsdefinition Industrie 4.0

Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 entstand 2011 im Rahmen der Hightech-Strategie der deutschen Bundesregierung als Reaktion auf die gravierenden Veränderungen in der Produktion der Industriestaaten. Ziel der politischen Initiative ist es, durch eine moderne Politik die deutsche Industrie in die Lage zu versetzen, den zukünftigen Heraus-forderungen der Produktion gewachsen zu sein. Dabei wird eine duale Strategie verfolgt, bei der die deutsche Ausrüstungsindustrie mit klassischen Hochtechnologieansätzen eine Leitanbieterschaft für intelligente Produktionstechnologien anstrebt sowie gleichzeitig neue Leitmärkte für CPS-Technologien und -produkte gestaltet und bedient.^[16]

Die Bezeichnung Industrie 4.0 wurde erstmals auf der Hannover Messe verwendet und beschreibt die „Informatisierung“ der deutschen Fertigungstechnik.^[17] Während es anfangs keine offizielle Definition gab, wurde aufgrund der steigenden Diskussion des Themas im April 2015 im Rahmen der „Umsetzungsstrategie Industrie 4.0“ durch die „Plattform Industrie 4.0“ erstmals eine Definition vorgenommen.^[18]

Demnach steht der Begriff Industrie 4.0 „[...] für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungs-kette über den Lebenszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend individualisierten Kundenwünschen und erstreckt sich von der Idee, dem Auftrag über die Entwicklung und Fertigung, die Auslieferung eines Produkts an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen.“^[19]

Es wird deutlich, dass die Veränderung der Fertigung sowie der Weg zu neuen Produktideen, ihre Entwicklung und das Design entscheidende Faktoren in der Produktion der Zukunft sind. Auch die Dienstleistungen und die damit verbundenen neuen Geschäftsmodelle unterliegen einer Veränderung.

„Basis [für die grundlegende Veränderung der Produktionsweise] ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten. Durch die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen entstehen dynamische, echtzeitoptimierte und selbst organisierende, unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie beispielsweise Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.“^[20]

Das heißt, Produkte und Dienstleistungen werden künftig durch Software miteinander verknüpft und dadurch in die Lage versetzt, relevante Informationen in Echtzeit über das Internet oder andere Netzwerke auszutauschen. Es findet eine unternehmens-übergreifende Vernetzung von Wertschöpfungspartnern statt, welche nicht nur auf die technologischen Komponenten zu begrenzen ist, sondern auch in der Organisation und Steuerung eines Unternehmens Einzug halten muss.

Es herrscht Uneinigkeit darüber, ob es sich bei Industrie 4.0 tatsächlich um eine Revolution oder vielmehr um eine Evolution handelt. Daher ist eine Betrachtung der drei vorangegangenen industriellen Revolutionen sinnvoll, um den Begriff besser einordnen zu können.

3.2 Historische Entwicklung der vierten industriellen Revolution

Getrieben von der zunehmenden Digitalisierung und Vernetzung steht die industrielle Produktion vor einem massiven Umbruch. Diese Entwicklung wird von einigen Experten also so gravierend angesehen, dass von einer vierten industriellen Revolution, der sogenannten Industrie 4.0, gesprochen wird.

Abbildung 2: Die vier Stufen der industriellen Revolution

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Spath (Hrsg.) 2013, S. 23

Wie in Abbildung 2 dargestellt, vollzog sich die erste industrielle Revolution Ende des 18. Jahrhunderts mit der Einführung mechanischer Produktionsanlagen, welche durch Wasser- und Dampfkraft angetrieben wurden. In Verbindung mit der Erfindung der Dampfschifffahrt und Eisenbahnen hatte dies eine verbesserte Produktivität und Grundversorgung zur Folge.^[21]

Die zweite industrielle Revolution wurde ab 1870 durch eine starke Mechanisierung, Elektrifizierung und Rationalisierung geprägt. Beeinflusst von der Erfindung der Fließbandarbeit durch Henry Ford, den Prinzipien der prozessorientierten Steuerung von Arbeitsabläufen und der arbeitsteiligen Organisationen von Frederic W. Taylor, wurde das Zeitalter der industriellen Massenproduktion eingeläutet.^[22] Das Ergebnis war eine kostengünstigere Produktion, welche die Basis für die heute konsumorientierte Wohlstandgesellschaft schuf.^[23]

Ausgehend von der Verbreitung von Computern und Mikroprozessoren sowie der speicherprogrammierbaren Steuerung im Jahr 1969 begann die dritte industrielle Revolution, die auch als erste „digitale Revolution“ bezeichnet werden kann.^[24] In Folge der zunehmenden Automatisierung von Produktionsprozessen, durch den Einsatz von Maschinen und Robotern stieg sowohl die Produktivität als auch die Flexibilität der Fertigung sprunghaft an. Die Entwicklungen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik sowie die des Internets führten zu einer Optimierung der einzelnen Prozesse und zur Sicherung ihrer Reproduzierbarkeit durch Mechanisierung und Automatisierung. Hieraus ergab sich ein grundlegender struktureller Wandel der Produktion mit einer rechnergestützten Verarbeitung in nahezu allen Produktions-prozessen.^[25]

Betrachtet man die erste, zweite und dritte industrielle Revolution historisch, stellt man fest, dass diese erst nach erfolgreicher Realisierung als industrielle Revolution bezeichnet wurden. Bei Industrie 4.0 hingegen handelt es sich um ein Zukunftsprojekt, welches bereits vor der eigentlichen Umsetzung ausgerufen wurde. Die zeitliche Dimension bildet damit einen wesentlichen Unterschied im Vergleich zu den vorangegangenen industriellen Entwicklungsstufen.

Der Übergang hin zu einer Industrie 4.0 ergibt sich aus einer immer weiter ansteigenden Komplexität. Aufgrund des Einsatzes innovativerer Informations- und Kommunikations-technik in der Produktion sowie der steigenden Störanfälligkeit von Maschinen und des geplanten Produktionsprogrammes wird im Rahmen der vierten industriellen Revolution nach Selbstoptimierung gestrebt. Die Entwicklung hin zu einer solchen intelligenten Fabrik bedarf keiner grundlegend neuen Erfindung, sondern vielmehr einer Weiterentwicklung des Gedankens des Computer Integrated Manufacturings (CIM) aus den 70er-Jahren. So hat sich Industrie 4.0 kontinuierlich über das CIM und die Einführung der sogenannten „Lean Production“ Anfang der neunziger Jahre bis hin zur heutigen Idee der digitalen Fabrik entwickelt (siehe Anlage 2). Die technologischen Grundelemente bleiben somit gegenüber der dritten industriellen Revolution weitestgehend unverändert. Neue Kommunikationsstandards, leistungsfähigere Datenbanksysteme und das Internet als Kommunikationsbasis lassen jedoch die Umsetzung der ursprünglichen „CIM-Vision“ vor diesem Hintergrund als möglich erscheinen.^[26]

3.3 Kernkomponenten von Industrie 4.0

Die nachfolgende Abbildung 3 dient dazu, die komplexen Zusammenhänge rund um den Ansatz Industrie 4.0 anschaulich darzustellen. Darauf aufbauend werden die verschiedenen Stufen sowie deren technologische Bausteine beschrieben.

Abbildung 3: Die Komponenten von Industrie 4.0

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Siepmann 2016, S. 22

Stufe 1:

Die Basis der digitalen Fabrik bilden die sogenannten cyber-physischen Systeme (CPS), welche sich als „[…] Verknüpfung von realen (physischen) Objekten und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze“^[27] definieren lassen. Jedes CPS ist durch eine eigene Identität eindeutig identifizierbar. Die CPS resultieren aus dem Zusammenspiel der drei technologischen Bausteine Rechnerallgegenwart, Internet der Dinge und Dienste (IoTS) sowie Cloud-Computing.^[28] CPS verbinden damit zwei starke Innovationsfelder der Informations- und Kommunikationstechnologie mit-einander, indem eingebettete Softwaresysteme und globale Netzte wie das Internet und die darin verfügbaren Daten und Dienste zusammenwachsen.^[29]

Die Rechnerallgegenwart, auch als „Ubiquitious Computing“ bezeichnet, fokussiert eine informationsverarbeitende Funktionalität in allen Bereichen. „Smarte“ Gegenstände ermöglichen einen weitgehenden, autonomen Informationsaustausch, den Zugriff auf beliebige Ressourcen im Internet und unterstützten dadurch den Produktionsmitarbeiter bei der Bewältigung seiner Aufgaben auf eine völlig neue und intuitive Art.^[30]

Das Internet der Dinge und Dienste dient als Kommunikationskanal zwischen den Objekten des Ubiquitous Computing. Um die Kommunikation zwischen den Objekten im Internet der Dinge und Dienste zu ermöglichen, müssen diese eine eindeutige Identität besitzen, welche seit der Internet Protocol Version 6 zugewiesen werden kann. So werden Produktionsmittel gezielt über ein Netzwerk adressierbar, das die benötigten Daten erhebt, verarbeitet und die Maschinen unmittelbar damit steuert.^[31] Die Bereitstellung solcher Dienste in der Produktion findet im Bereich des Cloud Computings statt.^[32] Die Netzwerke unterstützen die Steuerung, Wartung und Kontrolle der CPS durch Echtzeitauswertungen und ermöglichen einen Datenaustausch über die Grenzen von Produktionssystemen hinaus.^[33] Um die enormen Datenmengen zu beherrschen, finden Big Data-Ansätze und InMemory-Technologien Anwendung.^[34]

Stufe 2:

In der zweiten Stufe werden die cyber-physischen Systeme im Verbund als cyber-physisches Produktionssystem (CPPS) eingesetzt und sind dadurch in der Lage, die Produktion dezentral und kontextadaptiv über die Unternehmensgrenzen hinweg zu steuern. In CPPS werden Daten, Dienste und Funktionen dort gehalten, abgerufen und ausgeführt, wo es den größten Vorteil im Sinne einer flexiblen, effizienten Entwicklung und Produktion bringt.^[35] Die Datenhaltung wird nicht länger notwendigerweise auf den klassischen Automatisierungsebenen stattfinden, so könnten Prozessdaten bspw. statt über Sensoren auf der Feldebene auch über Dienste in einer sogenannten „Automatisierungs-Cloud“ gewonnen werden.

Um eine vollumfängliche, funktionsfähige Vernetzung und Kommunikation zwischen den Produktionsanlagen und Komponenten eines CPPS und dem Menschen zu ermöglichen, müssen jedoch Standards in den Technologien der Mensch-Maschine-Interaktion geschaffen werden. Virtual Reality (VR) bietet dabei den Ansatz einer Schnittstelle zwischen Mitarbeiter und Maschine und ermöglicht es, den Menschen als letzte Entscheidungsinstanz in die Produktionsplanung und -steuerung mit einzu-beziehen.^[36] Diese Art der Interaktion verspricht diverse Möglichkeiten der lokalen Optimierung und damit ein hohes Potenzial zur Verringerung der Komplexität der Fertigung.^[37]

Stufe 3:

Damit das Konzept der CPPS im Unternehmen konsequent etabliert werden kann, bedarf es neben den technischen Bausteinen auch einer Anpassung in den Führungsprozessen eines Unternehmens. Folglich sollte mit der Veränderung der Wertschöpfungsprozesse auch eine Entwicklung neuer, geeigneter Strategien und Geschäftsmodelle einhergehen.

3.4 Neue Paradigmen der industriellen Fertigung

Damit das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 in der Realität verwirklicht werden kann, ist ein grundlegendes Verständnis für die neuen Paradigmen und deren Unterschiede im Vergleich zur „traditionellen Produktion“ notwendig. Abbildung 4 stellt die fünft neuen Paradigmen dar, die eine grundlegende Veränderung der Produktion zur Folge haben.

Abbildung 4: Die fünf Paradigmen der Industrie 4.0

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Siepmann 2016, S. 37

1. Vertikale und horizontale Integration

Durch die vertikale und horizontale Integration soll die Realisierung eines integrierten Wertschöpfungsnetzwerks erreicht werden. Dies betrifft sowohl die Integration in Richtung der Lieferanten und Endkunden, als auch die über die einzelnen Kernprozesse innerhalb des Unternehmens.^[38]

Die vertikale Integration innerhalb der Produktion zielt auf die Einbindung aller IT-Systeme auf den unterschiedlichen Hierarchieebenen ab, um eine durchgängige Lösung für die Produktions- und Automatisierungstechnik zu erzielen. Die horizontale Integration hingegen betrifft die Prozessschritte des Material-, Energie- und Informationsflusses innerhalb und außerhalb des Unternehmens.^[39] Auf Basis dieser ganzheitlichen Betrachtung kann ein erhebliches Verbesserungspotenzial durch eine Erhöhung der Transparenz der Wertschöpfungsprozesse erzielt werden. Die steigende Komplexität und die immer größer werdenden kundenindividuellen Wünsche inklusive der kürzeren Entwicklungszeiten werden dadurch beherrschbar.

Zukünftig werden immer stärker Netzwerke anstelle von Punkt-zu-Punkt-Lieferanten-beziehungen entstehen und die unternehmensinternen Bereich verschmelzen lassen. Die Integration und die damit verbundene Digitalisierung stellt daher eine zwingende Voraussetzung für eine flexible und effiziente Produktion dar. Die klassischen Trennungen zwischen Produkten und Prozessen werden aufgelöst.^[40]

2. Dezentrale Intelligenz

Die dezentrale Intelligenz ist die Fähigkeit von Produktionsmitteln und -anlagen individuell und ortunabhängig voneinander zu kommunizieren. Hierfür werden das IoTS und mit Sensoren ausgestattete Anlagen sowie mit RFID-Chips versehene Produktionsmittel benötigt. Die starren Strukturen der bisherigen, zentraleren Automatisierungssysteme müssen durch flexible Technologien ersetzt werden, die in der Lage sind, fertigungsrelevante Daten jederzeit und überall abzurufen.^[41]

[...]

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^[1] Internet-Recherche vom 10.07.2017: http://edition.cnn.com/2012/10/04/tech/innovation/steve-jobs-quotes/index.html, 10 great quotes from Steve Jobs

^[2] Vgl. Internet-Recherche vom 10.07.2017: http://www.management-circle.de/blog/industrie-4-0-und-lean-management-zwei-seiten-einer-medaille-mit-hohen-anforderungen-an-das-personal/, Industrie 4.0 und Lean Management – Zwei Seiten einer Medaille… mit hohen Anforderungen an das Personal

^[3] Vgl. Schneider, M.; Kaspar, S.: Lean und Industrie 4.0 in der Intralogistik. Effizienzsteigerung durch Kombination der beiden Ansätze, in: productivITy 20/2015, S. 17

^[4] Vgl. Westkämper, Engelbert/Löffler, Carina: Strategien der Produktion. Technologien, Konzepte und Wege in die Praxis, Berlin/Heidelberg 2016, S. 2

^[5] Vgl. Heymann, Eric/Vetter, Stefan: Re-Industrialisierung Europas: Anspruch und Wirklichkeit, S. 1

^[6] Vgl. Westkämper, Engelbert/Löffler, Catarina: a.a.O., S. 12

^[7] Vgl. BDI – Bundesverband der Deutschen Industrie e. V.: Industrielle Wertschöpfungsketten, S. 5

^[8] Vgl. BDI – Bundesverband der Deutschen Industrie e. V.: a.a.O., S. 12

^[9] ohne das Baugewerbe

^[10] Vgl. Internet-Recherche vom 11.07.2017: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/36846/umfrage/ anteil-der-wirtschaftsbereiche-am-bruttoinlandsprodukt/, Anteil der Wirtschaftssektoren an der Bruttowertschöpfung in 2016

^[11] Vgl. Internet-Recherche vom 11.07.2017: http://www.bpb.de/nachschlagen/datenreport-2016/225970/erwerbstaetige-nach-wirtschaftsbereichen, Erwerbstätige nach Wirtschaftsbereichen

^[12] Vgl. Westkämper, Engelbert/Löffler, Carina: a.a.O., S. 3

^[13] Vgl. Ramsauer, Christian: Industrie 4.0 – Die Produktion der Zukunft, in: WINGbusiness 3/2013, S. 6

^[14] Vgl. Gornig, Martin/Schiersch, Alexander: Perspektive der Industrie in Deutschland, in: Vierteljahrshefte zur Wirtschaftsforschung 01/2015, S. 51

^[15] Vgl. Westkämper, Engelbert/Löffler, Carina.: a.a.O., S. 22 f.

^[16] Vgl. Forschungsunion/acatech: Deutschlands Zukunft als Produktionsstandort sichern. Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0. Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0 , S. 6

^[17] Vgl. Siepmann, David: Industrie 4.0 – Grundlagen und Gesamtzusammenhang. Industrie 4.0 – Struktur und Historie, in: Roth, Armin (Hrsg.): Einführung und Umsetzung von Industrie 4.0. Grundlagen, Vorgehensmodell und Use Cases aus der Praxis, S. 20

^[18] Die „Plattform Industrie 4.0“ ist über die Ver­bände BITKOM, VDMA, ZVEI organisiert und arbeitet eng mit den Unternehmen der deutschen Industrie zusammen.

^[19] BITKOM e.V. et al.: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0. Ergebnisbericht der Plattform Industrie 4.0, 2015, S. 8

^[20] BITKOM e.V. et al.: a.a.O., S. 8

^[21] Vgl. Mauritz, Nina: Die vierte industrielle Revolution, ihre Auswirkungen und wie Unternehmen diesen begegnen können – eine Literaturanalyse, in: Franken, Swetlana (Hrsg.): Industrie 4.0 und ihre Auswirkungen auf die Arbeitswelt, S. 16

^[22] Vgl. Bauernhansl, Thomas et al.: Industrie 4.0 in Produktion. Automatisierung und Logistik - Anwendung, Technologien, Migration, Wiesbaden 2014, S. 5 f.

^[23] Vgl. Ebenda., S. 7

^[24] Vgl. Pinnow, Carsten/Schäfer, Stephan: Industrie 4.0. Grundlagen und Anwendungen, Branchentreff der Berliner Wissenschaft und Industrie, Berlin 2015, S. 5

^[25] Vgl. Westkämper, Engelbert/Löffler, Carina. a.a.O., S. 47

^[26] Vgl. Internet-Recherche vom 20.07.2017: http://www.august-wilhelm-scheer.com/2012/02/08 /industrie-4-0-alter-wein-in-neuen-schlauchen/, Industrie 4.0: Alter Wein in neuen Schläuchen?

^[27] VDI/VDE-Gesellschaft: Thesen und Handlungsfelder. Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht, S. 2 [zitiert nach Geisberger, Eva/Broy, Manfred: Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, Berlin/München 2012]

^[28] Vgl. Siepmann, David: a.a.O., S. 23

^[29] Vgl. acatech (Hrsg.): Cyber-Physical Systems. Innovationsmotor für Mobilität, Gesundheit, Energie und Produktion, Berlin/Heidelberg 2011, S. 10

^[30] Vgl. Mattern, Friedrich (Hrsg.): Die Vision vom Verschwinden des Computers - Die Vision vom Ubiquitious Computing, in: Mattern Friedemann (Hrsg.), Total vernetzt. Szenarien einer informatisierten Welt, S. 1

^[31] Vgl. Siepmann, David: a.a.O., S. 23

^[32] Vgl. Bauernhansl, Thomas et al: a.a.O., S. 587

^[33] Vgl. Ebenda, S. 587

^[34] Vgl. Huber, Walter: Industrie 4.0 in der Automobilproduktion. Ein Praxisbuch, Wiesbaden 2016, S. 11

^[35] Vgl. VDI/VDE-Gesellschaft: a.a.O., S. 4

^[36] Vgl. Siepmann, David: a.a.O., S. 23 f.

^[37] Vgl. Huber, Walter: a.a.O., S.11

^[38] Vgl. Huber, Walter: a.a.O., S. 11

^[39] Vgl. Birgit Vogel-Heuser et al.: Handbuch Industrie 4.0 Bd. 1. Produktion, Berlin 2017, S. 98

^[40] Vgl. Huber, Walter: a.a.O., S. 11

^[41] Vgl. Siepmann, David: a.a.O., S. 39