Die Transformation der Produktion zur digitalen Fabrik der Zukunft (Quelle: Analog Devices)
Die steigende Nachfrage nach stärker personalisierten Produkten und die Rückverlagerung von Produktionsstandorten infolge der pandemiebedingten Lieferkettenkrise sind nur einige der aktuellen Herausforderungen. Gleichzeitig verschärfen gesetzliche Regularien weltweit die Anforderung hinsichtlich der Dekarbonisierung der Industrie und des Ziels der Netto-Null-Treibhausgasemissionen. Diese Herausforderungen eröffnen Fertigungsunternehmen zugleich neue Chancen: Durch den Einsatz innovativer Technologien lassen sich Produktivität, Skalierbarkeit und Flexibilität steigern und zudem die Emissionen verringern.
Aktuelle Herausforderungen
In heutigen Brownfield-Anlagen kommt eine Vielzahl unterschiedlicher Maschinen und Automatisierungssysteme zum Einsatz, die oftmals über Jahre hinweg ergänzt und erweitert wurden. Meist fehlt ein durchgängiges, einheitliches Netzwerk, das alle Automatisierungsanlagen miteinander verbindet.
Die wachsende Zahl neuer Produktvarianten (Stock-Keeping Units, SKU) erfordert häufige Umrüstungen und aufwendige Validierungen der Produktionslinien. Besonders in der Medizintechnik sind diese Validierungsprozesse kostenintensiv und zeitaufwendig. Die gesteigerte Variantenvielfalt reduziert zudem die Gesamtanlageneffektivität (OEE), da die Produktivität durch häufigere Rüstvorgänge sinkt. Zu den weiteren Herausforderungen in der Produktion gehört der Fachkräftemangel: Bis 2030 werden in der Fertigungsindustrie voraussichtlich etwa 2,1 Mio. Fachkräfte fehlen [1]. Da der größte Teil der aktuell produzierten Güter auf Bestandsanlagen hergestellt wird, können diese an Kapazitätsgrenzen stoßen: Fertigungsunternehmen werden versuchen, die Produktionsleistung auf der vorhandenen Gebäudefläche zu steigern. Die digitale Fabrik der Zukunft setzt genau hier an: Sie soll diese Herausforderungen lösen und die nächste Generation der industriellen Fertigung einläuten.
Auf dem Weg zur digitalen Fabrik der Zukunft treiben technologische Fortschritte die industrielle Transformation entscheidend voran. Ein Beispiel hierfür ist Sensorfusion, bei der durch den verstärkten Einsatz von Sensoren im Produktionsumfeld umfangreiche Datensätze generiert werden, die zur Optimierung von Maschinen und zur Steigerung der OEE genutzt werden können. Ein weiteres Beispiel ist die softwaredefinierte Automatisierung, mit der sich die Produktivität, Flexibilität und Skalierbarkeit der Fertigung steigern und schnellere Einrichtungs- sowie Validierungszeiten ermöglichen lassen. Ferner bewegt sich die künstliche Intelligenz (KI) in Richtung Edge (nahe am Sensor oder Aktuator), wo die Daten generiert werden. Edge-AI wandelt erfasste Daten in umsetzbare Erkenntnisse um und ermöglicht autonome Entscheidungen direkt an der Maschine. Dies markiert einen grundlegenden Wandel und einen Quantensprung hin zu höherer Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit.
Ressourcenbewusste Produktion
Eine nachhaltigere Fertigung muss den Einsatz aller Ressourcen – Kapital, Energie, Material und menschliche Arbeitskraft – ganzheitlich optimieren: Bei der Kapitaleffizienz müssen alle Investitionen in das Fertigungskapital eine Kapitalrendite (Return on Investment, ROI) aufweisen, die sich auf ein, drei oder fünf Jahre erstrecken kann. Eines der Hauptziele der digitalen Fabrik der Zukunft ist die Gewinnmaximierung bei minimalem Kapitalaufwand, um den höchstmöglichen ROI zu erreichen.
Das zweite Ziel ist die Energieeffizienz: Die zukünftige Fertigung muss einen höheren Output bei geringerem Energieverbrauch liefern, um die globalen CO2-Emissionen zu senken. Wesentliche Hebel zur Reduzierung des Energieverbrauchs sind der Einsatz von Elektromotoren mit höherem Wirkungsgrad, die Umstellung von pneumatischen auf elektromechanische Antriebe sowie eine adaptive Regelung.
Neben der Senkung des Energieverbrauchs spielt die Reduzierung der Materialverschwendung eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Nachhaltigkeit in der Fertigung. Die Minimierung des Rohstoffverbrauchs in Kombination mit einer höheren Produktivität und Qualitätskontrollen wird die Materialverschwendung im gesamten Fertigungsablauf erheblich reduzieren. Ziel ist es, Ausschuss gänzlich zu vermeiden.
Der letzte und einer der wichtigsten Bereiche gerade im Hinblick auf den Fachkräftemangel ist die menschliche Effizienz. Menschliche Eingriffe in den Produktionsablauf sollten weitgehend reduziert werden. Eine autonomere Fertigung, innovative Robotik sowie echtzeitfähige, adaptierbare Automatisierungslösungen sind der optimale Ansatz.