Industrie 4.0: Willkommen in der Smart Factory

Roboter bewegen sich autonom durch Werkhallen und transportieren Materialien von A nach B. Produkte kommunizieren mit Maschinen, welche Entscheidungen treffen und ihren nächsten Fertigungsschritt selbständig einleiten. Wenn Geräte feststellen, dass sie zeitnah gewartet werden müssen, verständigen sie automatisch den Technik-Service. Zentrale Steuerungen gehören der Vergangenheit an. Willkommen in der Smart Factory!

Erstmals kam der Begriff auf der Hannover Messe 2011 auf: Industrie 4.0 ist das Internet der Dinge für die Produktion und vernetzt transparent die gesamte Wertschöpfungskette. Man spricht deshalb auch vom „Industrial Internet of Things“, kurz: IIoT. Branchenverbände und ihre Mitgliedsunternehmen, die Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF) sowie für Wirtschaft und Energie (BMWi), schlossen sich zusammen, um den Aufbruch ins vierte industrielle Zeitalter voranzutreiben. Digitalisierung und der Einsatz neuer Technologien ebnen seither den Weg für intelligente Maschinen, die Informationen miteinander austauschen und sich selbst organisieren. Prozesse über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg werden vernetzt und lassen sich automatisieren.

Durch die Verbindung der physischen mit der digitalen Welt wird die Produktion insgesamt effizienter, flexibler und kostengünstiger. Diese Möglichkeiten bringen weitreichende Veränderungen mit sich, sowohl für Unternehmen als auch ihre Mitarbeitenden. Deshalb steht der Begriff Industrie 4.0 für die vierte industrielle Revolution. Nach der Dampfmaschine (Industrie 1.0), dem Fließband (Industrie 2.0), Computern und Elektronik (Industrie 3.0) kommen jetzt intelligente, vernetzte Systeme als vierter Meilenstein der Industrialisierung.

Bereits 62 Prozent deutscher Unternehmen gaben im Jahr 2021 laut der Umfrage „Welche Bedeutung hat Industrie 4.0 für Ihr Unternehmen?“ von statista an, spezielle Anwendungen für Industrie 4.0 zu nutzen. Ein Trend, der sich fortsetzt und seit Jahren daran erkennbar wird, dass sich grundlegend die Art und Weise ändert, wie produziert wird. Maschinen kommunizieren zum Beispiel über smarte Sensoren – ihre Sinnesorgane. Sie sammeln Daten, welche sie vorgefiltert an eine digital verknüpfte Plattform weitergeben. Diese bildet das Gedächtnis bzw. das Gehirn. Dort fließen die Maschinendaten mit Informationen aus anderen Quellen zusammen. Dazu gehören etwa Business-Anwendungen zur Ressourcenplanung (ERP). Sie werden ausgewertet und aus den Ergebnissen werden notwendige Handlungen abgeleitet.

Die Zwillinge im Rennsport: Ein smartes Beispiel für Industrie 4.0 sind digitale Zwillinge, die bereits am Anfang dieses Einblickes erwähnt wurden. In Zusammenarbeit mit Siemens entwickelte das amerikanische Rennsport-Team Penske einen virtuellen Prüfstand für die Entwicklung neuer Fahrzeug-Komponenten. Die Idee dahinter: Sensoren, die an einem echten Auto angebracht sind, messen Werte wie Reifendruck, Motorsteuerung oder Windgeschwindigkeit. Diese Werte werden analysiert und in ein virtuelles Fahrzeugmodell übertragen. Der digitale Zwilling ist erschaffen: das digitale Modell eines Objekts aus der realen Welt. Mit Hilfe dieses digitalen Zwillings können Ingenieure verschiedene Konfigurationen sowie Designs simulieren, testen und die Ergebnisse zeitnah auswerten. So kann die Leistung eines Fahrzeugs schon optimiert werden, bevor es auf der Rennstrecke zur Startlinie fährt. Mehr zu diesem Beispiel finden Sie im Artikel „Spotlight: Racing to win with digital twins“ auf der Website von AMFG (Autonomous Manufacturing).

Viele Unternehmen nutzen zudem vorausschauende Wartungen – mehr zu diesem Thema erfahren Sie in unserem Einblick „Predictive Maintenance: Smarte Instandhaltung“. Tauchen Sie für mehr Expertenwissen rund um dieses Thema gerne auch auf unserer Seite „Smart Factory“ ein. Bei vorausschauenden Wartungen werden kontinuierlich Maschinendaten ausgewertet und mit Informationen aus der Vergangenheit abgeglichen. So erkennt man, unter welchen Bedingungen üblicherweise Störungen auftreten und es können Service-Arbeiten durchgeführt werden, bevor es zu teuren Ausfällen kommt. Die Technologie dahinter nennt sich Edge Computing: Daten werden „on the edge“ am Ort des Geschehens gesammelt und ausgewertet. Die relevanten Daten – beispielsweise eine zu hohe Temperatur – werden dann in eine Cloud gesendet, in der daraus Handlungen abgeleitet werden. Das Prinzip einer Smart Factory ist jedoch nicht lokal beschränkt: Es kann Maschinen auf der ganzen Welt an verschiedenen Standorten miteinander zu einer riesigen, virtuellen Fabrik verbinden.

Neue Produktionsprozesse durch Anwendungen für Industrie 4.0 etablieren sich auch in der Halbleiterindustrie. So übertragen zum Beispiel bei Infineon Standorte in Asien ihre Testergebnisse direkt an das Werk in Dresden. Dort fließen sie dann in die Produktion ein, welche bereits von manuell auf automatisiert umgestellt wurde. Auch am österreichischen Standort Villach wurde investiert und Ende 2021 startete die vollautomatisierte Produktion. Ebenfalls 2021 wurde Infineon von ROI-EFESO für seine Industrie 4.0 Supply-Chain-Lösung in der Kategorie „Smart Supply Chain“ ausgezeichnet. Das Ziel: die Resilienz seines globalen Produktionsnetzwerks gegenüber Volatilität und Auftragsschwankungen zu stärken.

In der Automobilindustrie hat sich Industrie 4.0 bereits erfolgreich etabliert. Einen spannenden Ansatz hat die Volkswagen AG mit dem „Gläsernen Prototypen“ umgesetzt, der auf der Website von plattform-i40 im Artikel „Volkswagen: Gläserner Prototyp“ näher beschrieben wird: Die AG nutzt unternehmensübergreifend RFID-Technologie (Radio Frequency Identification), um Bauteile in Versuchsfahrzeugen schneller zu erfassen. Die Komponenten werden bereits ab Werk von den Lieferanten mit RFID-Chips versehen. In der Fahrzeugerprobung erkennen Ingenieure mühelos die verbauten Prototypenteile und können sich Detailinformationen anzeigen lassen, die sie für die Entwicklung brauchen. So stehen ihnen die richtigen Informationen am richtigen Ort und zur richtigen Zeit zur Verfügung.

Ein weiteres Beispiel für Industrie 4.0 in der Automobilindustrie ist das Joint Venture von Porsche und dem Unternehmen Schuler, welches im Artikel „Industrie-4.0-Prämissen für die Smart Factory“ von ROI näher beschrieben wird. In Halle an der Saale wurde ein vollkommen digitales und automatisiertes Presswerk in Betrieb genommen. Digitalisiert vom Auftrag für die Produktion über die Werkzeugrüstung bis hin zur Fertigung der Karosserieteile. „Papierkram“ gehört hier der Vergangenheit an – die Zukunft ist cloudbasiert und transparent. In puncto Nachhaltigkeit überzeugt das Presswerk mit einem emissionsarmen Betrieb durch den Einsatz erneuerbarer Energien.

In der Logistik helfen Technologien der Industrie 4.0 Transportwege zu optimieren, Lagerkapazitäten passgenau auszuschöpfen und vorausschauend zu planen. Ein Beispiel führt an die Elbe: Am Hamburger Hafen betrug 2021 der Seegüterumschlag laut der Erhebung „Statistiken zum Hamburger Hafen“ von statista rund 129 Millionen Tonnen. Bis zum Jahr 2030 soll sich diese Zahl verdoppeln. Dafür gibt es im Hafen jedoch nicht genügend Platz. Deshalb stand die Hamburg Port Authority vor der Herausforderung, Container schneller zu verlagern. In einem Industrie-4.0-Projekt wurden zur Lösung dieser Herausforderung Menschen, Lkws, Container, Schiffe, Kräne und Verkehrsleitsysteme intelligent miteinander vernetzt. Sie kommunizieren und liefern geschäftsrelevante Daten in Echtzeit. Das Resultat: Lkw kamen nun schneller ans Ziel und ihre Fahrer wussten, wo sie ihre Fracht rascher entladen konnten. Schiffsführern war es möglich, ihre Touren im Voraus zu planen. Die Ergebnisse des Projekts haben die Abläufe vereinfacht, wodurch der Hamburger Hafen Waren schneller umsetzte. Dieses Beispiel wird auf der Website des Media Economics Institut im Artikel „Fallstudie zur Digitalen Transformation – Smart Port Logistics“ näher beschrieben.

Digitalisierung in der Industrie 4.0 bedeutet nicht, an allen Touchpoints auszureizen, was technisch möglich ist. Unternehmen müssen ihre Produktion bzw. Fertigung vielmehr vollständig digitalisieren, um sich am Markt erfolgreich zu behaupten und flexibel agieren zu können – denn der internationale Wettbewerbsdruck ist groß. Strategien für ein erfolgreiches Change-Management zu entwickeln, Prozesse zu optimieren sowie Kosten zu sparen wird daher Teil der Königsdisziplin „Digitalisierung 4.0“. Intelligente, vernetzte Systeme ermöglichen es Unternehmen auch kleinere Stückzahlen nach individuellen Kundenwünschen rentabel zu produzieren. Dadurch haben sie die Chance, sich von „Billiganbietern“ abzuheben, die sich mit Massenproduktion in den Märkten positionieren.

Auch der demografische Wandel macht es erforderlich, die Produktion zu optimieren. Denn unsere Gesellschaft wird zunehmend älter, während der Anteil der Erwerbstätigen sinkt. Das lässt sich auch durch Zuwanderung nicht vollständig ausgleichen. Das Statistische Bundesamt hat berechnet, dass die Zahl der Menschen in Deutschland mit einem Alter von 67 Jahren und mehr bis zum Jahr 2040 um 42 Prozent auf mindestens 21,5 Millionen ansteigen wird. Die Zahl der 20- bis 66-Jährigen wird dagegen voraussichtlich um 11 bis 25 Prozent sinken, je nach Zuwanderungsrate. Experten sind sich daher einig: Wenn wir unseren Wohlstand erhalten wollen, müssen wir die Arbeitswelt künftig noch effizienter gestalten und die verfügbaren Arbeitskräfte besser einsetzen.

In puncto Effizienz und Schnelligkeit wird dem neuen Mobilfunkstandard 5G (Fifth Generation) eine bedeutende Rolle als Schlüsseltechnologie für das Internet der Dinge in der Industrie 4.0 zugeschrieben. Dank der schnellen Übertragung großer Datenmengen in Echtzeit ermöglicht 5G eine leistungsfähige Kommunikation, die laut der Erhebung „Industrie 4.0 – so digital sind Deutschlands Fabriken“ von Bitkom Research 85 Prozent der Industrieunternehmen für ihre Geschäfte als wichtig ansehen. Mit leistungsstarken Komponenten schafft Infineon in diesem Bereich Lösungen, die für eine bessere Energieeffizienz sorgen. Wie 5G funktioniert und in welchen Anwendungsbereichen des Alltags es Potentiale hat, erfahren Sie in dem Einblick: „5G – Das Highspeed-Mobilfunknetz der Zukunft“.

Was passiert mit den Menschen in Unternehmen, wenn Maschinen durch Automatisierung mehr und mehr Aufgaben übernehmen? Viele Arbeitnehmende machen sich Sorgen um ihren Arbeitsplatz – speziell einfache Routineaufgaben sind automatisierbar. Jochen Hanebeck, Vorstandsvorsitzender von Infineon, sieht die Entwicklung gelassen: „Die Hälfte aller Arbeitnehmer ist mit Sicherheit von der Digitalisierung betroffen. Dass in Summe Arbeitsplätze wegfallen, sehen wir nicht.“ Ein Musterbeispiel ist die Halbleiterfertigung von Infineon in Dresden. Hier stellt das Unternehmen Chips auf 200-Millimeter und auf 300-Millimeter-Wafern her. Die 300-Millimeter-Linie wurde von Beginn an auf eine vollautomatisierte Fertigung angelegt. Die ältere 200-Millimeter-Linie hingegen wurde in den vergangenen Jahren schrittweise immer stärker automatisiert und vernetzt. Sie verfügt mittlerweile über einen Automatisierungsgrad von rund 90 Prozent. So konnte der Fertigungsstandort seine Produktivität seit Gründung Mitte der Neunziger Jahre um 70 Prozent steigern. Gleichzeitig blieb die Zahl der Beschäftigten in den vergangenen zehn Jahren konstant bei circa 2.000 Mitarbeitenden. Im Dresdner Werk haben Digitalisierung und Vernetzung die Wettbewerbsfähigkeit erhalten, für Wachstum gesorgt und einen wesentlichen Beitrag zur langfristigen Sicherung des Standorts geleistet.

Zu einer vielversprechenden Prognose kommt auch die Studie „Digitalisierung schafft mehr Arbeitsplätze, als sie vernichtet“ des Instituts der deutschen Wirtschaft Köln e.V., die auf der Website von „Forschung und Wissen“ beschrieben wird: Die Digitalisierung von Arbeits- und Geschäftsprozessen schafft in Summe mehr Arbeitsplätze, als gefährdet werden. Die Studie bestätigt jedoch auch, dass künftig mehr hochkomplexe Tätigkeiten gefragt sind, vor allem in den Bereichen IT, Datenanalysen und Wartung. Vorwiegend einfache Routineaufgaben werden weniger gefragt sein – und es gibt auch positive Aspekte: Wenn der Roboter Tag für Tag schwere Kästen durch die Gegend schleppt, schonen Menschen nicht nur ihre Gesundheit, sondern haben auch mehr Zeit, sich anspruchsvolleren Aufgaben zu widmen. Klar ist: Es werden je nach Tätigkeit und Markt viele der heute bestehenden Arbeitsplätze schwinden, gleichzeitig entstehen durch neue Qualifikationen und Geschäftsmodelle auch neue Arbeitsplätze, die es heute noch nicht gibt. So werden im Bereich Nachhaltigkeit beispielsweise neue Fachkräfte für grüne Energie, umweltfreundliche Gebäude und Smart Citys entstehen. Der Mensch wird weiterhin im Mittelpunkt stehen – zudem schafft die Industrie 4.0 auch Voraussetzungen für langfristige Arbeitsplatzsicherheit.

Arbeitnehmenden fordern diese Entwicklungen die Bereitschaft ab, sich lebenslang weiterzuentwickeln. Das Stichwort ist „EdTech“, eine Kombination aus Education und Technology, die individuelle Möglichkeiten für Aus-, Weiterbildungen und Schulungen bietet. Hier ist auch das Engagement von Unternehmen gefragt. Ein erfolgreiches Beispiel ist Uwe Häßler: Der gelernte Elektriker fing 1990 als Facharbeiter beim Maschinenbauunternehmen Harting Applied Technologies an und wechselte 2001 in die SPS-Programmierung. Heute entwickelt er Industrie-4.0-Systeme und IT-Schnittstellen. „Vor drei Jahren, als ich mit dem Forschungsprojekt begonnen habe, waren all die Dinge, die damals angesprochen wurde, für mich unvorstellbare Visionen“, sagt Uwe Häßler. „Damals habe ich gesagt, das geht nie. Heutzutage gehöre ich selbst zu denjenigen, die sagen: Ja, das geht. Und ich entwickle selbst Visionen.“

Je mehr vernetzte Geräte, desto mehr potenzielle Sicherheitslücken: Die technologische Infrastruktur von Industrie 4.0 und IIoT stellt hohe Anforderungen an die digitale Sicherheit. Solange Produktionsmaschinen von der IT getrennt sind, kann man sie relativ einfach nach außen abschirmen. In der vernetzten und sich stetig weiterentwickelnden Welt der Industrie 4.0 gibt es hingegen viele Zugangsmöglichkeiten. Ziele von Cyberkriminellen können sein:

• Produktionsanlagen unter ihre Kontrolle bringen
• Maschinen manipulieren bzw. verfälschen (Data Poisoning)
• Wirtschafts- bzw. Industriespionage betreiben
• persönliche Daten sammeln, die im Darknet verkauft werden
• Zugriff über Social Engineering bei Mitarbeitenden suchen

Einen bekannten Cyberangriff gab es im Mai 2017: Der Kryptotrojaner „Wannacry“ befiel unter anderem Rechner des National Health Service in Großbritannien, des Autobauers Renault in Frankreich sowie der Deutschen Bahn. Die Schadsoftware verschlüsselte Systeme, sodass sie vorübergehend ausfielen. Auf diese Weise wollten die Hacker Lösegeld erpressen.

Um sich vor solchen Szenarien zu schützen, müssen Unternehmen daher von Anfang an die Sicherheit ihrer Industrie 4.0 Technologien berücksichtigen. Dazu gehört zum einen, Systeme immer auf dem neuesten Stand zu halten und Sicherheits-Updates einzuspielen – zum anderen kann eine Kombination aus Software- und Hardware-basierten Sicherheitslösungen für den Schutz von vernetzten Maschinen und Kommunikationsknoten sorgen. Die Sicherheit beginnt häufig bei den eingesetzten Chips der Geräte, die sich im Idealfall bereits selbst gegen Cyberangriffe schützen können. Beispiele sind die OPTIGA TPM-Chips von Infineon. Sie lassen sich in Routern, Industrie-PCs oder komplexen Steuereinheiten einbauen und dienen den Kommunikationspartnern im Netz als Ausweis der Geräte. Ein Zukunftsthema wird zudem die „Post Quantum Cryptography“ sein. Hier enwickelt Infineon bereits heute Lösungen, um zukünftig die Datensicherheit von Quantencomputern zu gewährleisten.

Neben der Sicherheit stehen Unternehmen bei ihren Industrie-4.0-Projekten vor einer grundlegenden Herausforderung: Wie bringen sie ihre Maschinen überhaupt ins Internet? Hersteller bieten heute zwar neue Geräte an, die bereits IoT-Module integriert haben – doch die wenigsten Fabriken entstehen auf der grünen Wiese. Sie arbeiten mit einer historisch gewachsenen Produktionsstraße, die Maschinen verschiedenen Alters enthält. Solche Geräte sind teuer und können nicht auf einen Schlag ausgetauscht werden. Während wir uns als Konsumenten alle drei Jahre ein neues Smartphone oder einen neuen PC kaufen, sind Industriemaschinen oft 20 Jahre oder länger im Einsatz.

Um diese älteren Geräte fit für die Digitalisierung 4.0 zu machen, muss man Sensoren, Software und eine IoT-fähige Industriesteuerung nachrüsten. Dafür hält der Markt Retrofitting-Lösungen parat. So konnte das IoT-Gateway von Bosch Rexroth sogar eine pedalbetriebene Drehbank aus dem Jahr 1887 ins Internet bringen. Ein Sensor überwacht dabei die Drehzahl der Drehbank und überträgt diese Daten an ein Vermittlungsgerät: das IoT-Gateway. Dieses ist wiederum mit anderen Unternehmenssystemen vernetzt. Auf einem Monitor an der Drehbank sieht man die übertragenen Daten in Echtzeit. So erhält man die Information, ob schneller oder langsamster getreten werden muss, um die optimale Drehzahl einzuhalten. Mehr zum Thema IoT erfahren Sie in unserem Einblick: „Was Sie über das Internet der Dinge wissen müssen“.

Wie steht es um die Zukunft aus der Perspektive von produzierenden Unternehmen? Die Antworten sind sehr individuell, das Meinungsbild jedoch klar: 95 Prozent sehen Industrie 4.0 laut der Presseinformation „10 Jahre Industrie 4.0 – was noch zu tun ist“ von Bitkom klar als Chance für ihr Geschäft. Die Umsetzung eines Ökosystems für Digitalisierung und neue Technologien spielt schon heute nicht nur in Anwendungsbereichen der Industrie, sondern auch in Bereichen wie Klima, Energie und Mobilität eine bedeutende Rolle. Doch bleibt aktuell das produzierende Gewerbe als Herz der deutschen Wirtschaft gefühlt zurück: Zwei Drittel der Unternehmen stufen sich als Nachzügler ein oder sagen, dass sie bereits abgehängt sind. Die Herausforderungen liegen neben benötigten finanziellen Mitteln auch in den Anforderungen an den Datenschutz und die IT-Sicherheit. Jochen Hanebeck, Vorstandsvorsitzender von Infineon, sieht Deutschland sehr gut aufgestellt: „Grundsätzlich sind wir in Deutschland und Europa für Industrie 4.0 hervorragend positioniert. Wir haben die gesamten Wertschöpfungsketten und wir beherrschen es, sehr komplexe Produkte in höchster Qualität zu produzieren. Kurz: Im Dinge-Machen sind wir gut.“

Wie Infineon die Zukunft der Industrie 4.0 mit seinen Halbleiterlösungen aktiv mitgestaltet, erfahren Sie auf unserer Seite: „Smart factory“.

Letzte Aktualisierung: Juni 2022