Industry 4.0 enthüllt: Geschichte, Vorteile und Schlüsseltechnologien

Aktualisiert am 25. Februar 2021

 

Ein Hersteller-Leitfaden zur vierten industriellen Revolution:

• Was ist Industry 4.0?
• Warum Industry 4.0 wichtig ist
• Was den Wandel zu Industry 4.0 antreibt
• Die Evolution der Fertigung
• Wie Industry 4.0-Lösungen erfolgreich implementiert werden
• Vorteile von Industry 4.0
• Herausforderungen von Industry 4.0
• Industry 4.0 Technologien

 

Was ist Industry 4.0?

Industry 4.0, auch als vierte industrielle Revolution oder 4IR bekannt, ist ein umfassender Begriff für die Art und Weise, wie Computer, Daten und Automatisierung zusammenwachsen und die Arbeitsweise – insbesondere in der Fertigung – verändern.

Aufbauend auf der dritten industriellen Revolution, die PC und Internet hervorbrachte, hebt Industry 4.0 Technologie auf die nächste Evolutionsstufe, indem es die Grenzen zwischen digitaler und physischer Welt verwischt. Elemente wie Automatisierung, KI, IoT und mehr werden immer präsenter. Während frühere industrielle Revolutionen im Wesentlichen den technologischen Fortschritt vorantrieben, geht es bei Industry 4.0 mehr um die Evolution der Technologie und ihre Auswirkungen auf den Alltag.

Warum Industry 4.0 wichtig ist

Frühere industrielle Veränderungen und technologische Fortschritte schufen oft genauso viele Probleme wie sie lösten. Industry 4.0 hingegen zielt darauf ab, Bestehendes zu verbessern. So sind groß angelegte Datenverarbeitung und -erfassung nicht neu, aber die 4.0-Schicht des Cloud Computing ermöglicht es, Daten, die zuvor in Silos gefangen waren, über viele Organisationsebenen und weltweit zu teilen.

Der Abschied von traditioneller Fertigung durch Industry 4.0 kann viele aktuelle Branchenherausforderungen lindern: globaler Wettbewerb mit Volatilität, verkürzte Produktionszyklen komplexer Produkte, Fähigkeit zur Datenanalyse für wertvolle Einblicke. Sich ändernde Trends sind kein Problem mehr, da Unternehmen mit maximaler Flexibilität und minimalen Kosten Kurskorrekturen vornehmen können, und vorausschauende Wartung schafft mehr Effizienz und ein stärkeres Ergebnis.

Da es bei Industry 4.0 nicht nur um technologischen Fortschritt, sondern um dessen Evolution geht, richten sich wirtschaftliche Indikatoren auf Innovation statt auf bloße Erschaffung. Ein Unternehmen kann ein neues Geschäftsmodell – von der Idee bis zur Umsetzung – in einem viel schnelleren Zyklus als früher innovieren.

Anstatt menschliche Interaktion überflüssig zu machen, wie es manche Aspekte früherer Revolutionen taten, innoviert Industry 4.0 Technologie, um den Kunden in den Mittelpunkt zu stellen. Schnellerer Markteintritt, On-Demand-Produktion und einfachere Individualisierung gewährleisten Kundenzufriedenheit auf völlig neuem Niveau. Selbst Menschen, die mit durch IoT, Robotik und Automatisierung verbesserten Maschinen arbeiten, profitieren, da repetitive Aufgaben zugunsten von Problemlösung und Innovation entfallen.

Was treibt den Wandel zu Industry 4.0 an?

Ein paar Bedürfnisse bewegen Hersteller zur Annahme von Industry 4.0.

Der erste und wertvollste ist der Kunde. Dessen Wünsche und Bedürfnisse ändern sich ständig, genauso wie die Forderung nach schnelleren, günstigeren und ressourcenschonenderen Produkten. Zudem ist Individualisierung Trumpf, was in früheren Technologiegenerationen kostspielig und ineffizient war, mit Industry 4.0 aber zur Norm werden kann. 3D-Druck ermöglicht beispielsweise kurzfristige, schnell umsetzbare Produktion hochindividualisierter Artikel bei nur geringfügig höheren Kosten als bei Serienfertigung.

Als Nächstes die Daten selbst: Die Fähigkeit, die riesigen Mengen historischer Daten, die Hersteller ständig produzieren, zu erfassen und zu analysieren, liefert nutzbare Intelligenz für Bedarfs-, Produktions- und Wartungsplanung. Steigerung von Effizienz und Produktivität bei gleichzeitiger Garantie hoher Produktqualität kommt der Gesundheit eines Herstellers zugute.

Schließlich ermöglicht die Nutzung von Cloud Computing und Konnektivität, dass die Beschränkungen des globalen Marktes praktisch entfallen. Entfernung und Zeitzonen sind kein Hindernis mehr, wenn Mitarbeiter aller Ebenen in Echtzeit auf benötigte Daten zugreifen können – von Lieferkettenressourcen über Produktion bis hin zum Versand – dargestellt in für jeden Nutzer relevanter Weise.

Die Evolution der Fertigung: Kurze Geschichte der industriellen Revolutionen

Die Fertigung hat sich seit ihren bescheidenen Anfängen stark gewandelt. Vier große technologische Fortschritte markieren die vier industriellen Revolutionen.

Die erste industrielle Revolution

Hier wandte sich die Fertigung Werkzeugen und Maschinen zu. Beliebte Technologien dieser Ära (Ende 1700er bis Anfang 1800er) waren Webstuhl, Kammmaschine, Spinnmule und Spinning Jenny. Wasser trieb Geräte wie den Webstuhl an, später dampfgetriebene Maschinen. Dampfmaschinen wurden für diverse Anwendungen populär. Im Gegensatz zur manuellen Menschen- und Tierarbeit vor dieser Revolution.

Die zweite industrielle Revolution

Von Ende 1800er bis Anfang 1900er kennzeichnete die zweite industrielle Revolution eine Phase rasanter technologischer Fortschritte, die zu vermehrter Industrialisierung und Standardisierung führte, getrieben vom Bedarf an austauschbaren Teilen. Hier entstand die Fertigungslinie, wie wir sie kennen. Wichtige Technologien und Fortschritte: elektrische Energie, Telefone, Stahl und das erste moderne Schiff.

Die dritte industrielle Revolution

Manchmal als digitale Revolution bezeichnet, dank rascher Einführung digitaler Elektronik. Mikroprozessoren, PCs, Handys und Internet waren prägende Technologien der dritten industriellen Revolution im späten 20. Jahrhundert. Dies markierte den Beginn des Informationszeitalters.

Die vierte industrielle Revolution

Automatisierung ist der große Differenzierer der vierten industriellen Revolution (Industry 4.0). Maschine-zu-Maschine-Kommunikation und IoT-Technologie führten zu Smart Factories, smarten Sensoren, vorausschauender Wartung mittels Maschinendaten und maschinellem Lernen sowie additiver Fertigung. Diese Phase nimmt Menschen dort aus dem Loop, wo es möglich ist. Viele Experten betrachten dies als unseren aktuellen historischen Standpunkt.

Die fünfte industrielle Revolution

Einige Experten glauben, wir seien bereits jenseits von Industry 4.0 und stünden am Beginn der fünften industriellen Revolution (Industry 5.0). Während Meinungen divergieren, legt 5IR großen Wert auf menschliche Intelligenz. In dieser Revolution müssen Mensch und Maschine letztlich zusammenarbeiten, um Fortschritt zu erzielen. Ein Beispiel für aufkeimende 5IR-Technologie könnte Elon Musks Neuralink oder MachineMetrics' Operator Dashboards sein, die menschlichen Kontext mit Maschinendaten überlagern für bessere, präzisere ML-Analysen.

Wie Industry 4.0-Lösungen erfolgreich implementiert werden

Es gibt drei wesentliche Wege, um sicherzustellen, dass die Implementierung von Industry 4.0 – insbesondere IoT-Integration auf dem Shopfloor – in Ihrer Fertigungsumgebung reibungslos verläuft:

1. Vermeiden Sie die 20/60/20-Regel des Change Managements: 20 % der Belegschaft stehen fest hinter Ihren Plänen, 60 % gehen mit, sind aber skeptisch, 20 % sind unzufrieden. Während 100 % Akzeptanz bei jedem Change Management unwahrscheinlich ist, kann jene letzte 20 % bei der Integration von Industrial IoT schwer zu ignorieren sein. Eine Verbesserung der 60 % gelingt, indem man change-aversen Mitarbeitern zuhört, deren Gründe ergründet und das große Bild diskutiert. Einbeziehung schafft Eigenverantwortung. Zudem ist Investition in Training der beste langfristige Weg, Unbehagen abzubauen. Wenn Menschen das WARUM und WIE verstehen, begleiten sie den Wandel gerne.
2. Wechseln Sie zu proaktiver Wartung. Vor Industry 4.0 und fehlender Maschinenkonnektivität, Big Data und Cloud-Analytics war Wartung standardmäßig reaktiv. Historische Muster erlaubten zwar etwas Planung, aber der Standard war: Auf Ausfall warten, dann reparieren. Mit solider Datenanalyse können Hersteller Industry 4.0 nutzen, um Muster und Trends vorherzusagen für Wartungs- und Produktionsplanung, bis hin zu autonomer Erkennung, Selbstkorrektur oder -reparatur durch Maschinen.
3. Teilen Sie Daten, aber schützen Sie sie auch. Ein großer Vorteil von Industry 4.0 ist Echtzeit-Datenaustausch, sogar mit Drittlieferanten. Wenn diese Ihre Nachfrage sehen, können sie besser prognostizieren und Sie adäquat beliefern. Doch mit dem Teilen kommt die Notwendigkeit, Daten zu sichern. Cybersicherheit ist ein Kernpfeiler von Industry 4.0 bei Cloud-Speicher, -Management und drahtloser Konnektivität. Dies von Anfang an einzurichten, verhindert nachgelagerte Probleme, die nachträgliche Lösungen erfordern würden.

Vorteile von Industry 4.0

Verbesserte Effizienz und Produktivität

Wenn der Mensch aus dem Loop genommen wird, entfallen menschliche Ineffizienzen und Ungenauigkeiten. Mit besserer Ressourcenallokation basierend auf Daten werden weniger Ressourcen für optimale Produktivität benötigt. Ausfallzeiten werden seltener, wenn Daten und maschinelles Lernen für vorausschauende und präskriptive Wartung zusammenwirken, Maschinen in Topform halten, ohne Lagerplatz für unnötige Ersatzteile zu opfern oder planmäßige Stillstände in Kauf zu nehmen.

Verbesserte Agilität

Wenn Entscheidungen auf Zahlen basieren, die sich ändern lassen, um Alternativszenarien zu betrachten, profitieren Hersteller von massiver Agilitätssteigerung. Mit Daten als Grundlage können sie schnell pivotieren, wenn Chancen auftauchen, sogar Einzelfertigungsläufe ermöglichen, wenn prognostizierter Bedarf bereits gedeckt ist.

Mehr Geld

Dies resultiert aus verschiedenen Faktoren. Gesteigerte Effizienz und Produktivität maximieren Output. Sensordaten für vorausschauende Wartung senken Ausfallzeiten und Ausschuss. Bessere Ressourcenplanung bedeutet geringere Vorlaufkosten für Material, Lagerfläche (auch durch ML optimierbar) und insgesamt niedrigere Betriebskosten bei erhöhtem Umsatzpotenzial.

Herausforderungen von Industry 4.0

Disparate, überwältigende Datenmengen

Hersteller werden oft von mehr Daten überflutet, als sie sinnvoll nutzen können. Der Nutzen dieser Daten wird durch fehlende interne Talente (oder externe Services) gemindert, die verstehen, wie man Daten bereinigt und organisiert – die richtigen Daten –, um Geschäftsfragen zu beantworten. Viele Hersteller erwarteten Plug-and-Play-Datenlösungen, die harmonisch zusammenarbeiten. Besonders Early Adopters stellten oft fest, dass ihre Daten in verschiedenen Formaten vorlagen, die nicht zusammenpassten, und es keinen One-Click-Button gab, um alle Daten für die jeweilige Frage zu bündeln. Data-Normalisierungs-Engines und Low-Code-ML-Umgebungen lösen einige dieser Probleme, machen Citizen Data Science zum Vorteil für Unternehmen, die es nutzen und erlauben, doch viele Hersteller haben immer noch Data Warehouses voller Informationen ohne Nutzungsmöglichkeit.

Fachkräftemangel

Zwar gibt es viele talentierte Menschen, aber bestimmte Talente sind heute gefragter denn je, und das Angebot hält nicht Schritt. Interne Data Scientists waren im letzten Jahrzehnt ein Luxus, und selbst Unternehmen, die einen eingestellt haben, finden oft, dass sie zum Flaschenhals werden, weil sie hoffnungslos überlastet sind. Data Scientists hatten aufgrund des extremen Angebots-Nachfrage-Ungleichgewichts weitgehend die Möglichkeit, ihren Preis selbst zu bestimmen. Data Analysten und Low-Code-ML-Umgebungen haben das Deployen neuer Algorithmen schneller und einfacher gemacht, doch der Mangel an Experten im Data-Science-Bereich bleibt bestehen.

Unternehmenskultur-Abwehr

Große digitale Transformationen können für Mitarbeiter stressvoll sein. Fehlende Change-Management-Verfahren hinterließen viele Unternehmen im Chaos und viele Mitarbeiter in Angst, ihre Jobs an KI oder Roboter zu verlieren (obwohl dies nicht der Ausrichtung von Industry 5.0 entspricht). Das Aufbrechen von Silos und das Erzwingen abteilungsübergreifender Zusammenarbeit kann Spannungen erzeugen, wo einst Wettbewerb war. Unternehmenskultur muss sich zu einem offenen, innovativen und kollaborativen Ort entwickeln, damit die Vorteile von Industry 4.0 voll realisiert werden können, und schnelles, datenbasiertes Handeln statt langer Beratung setzt sich in der modernen Geschäftswelt durch.

Industry 4.0 Technologien

Welche Lösungen und Technologien kommen als Teil der Industry-4.0-Innovationen? Wir haben einen kompletten Artikel zu 4IR-Technologien, hier eine Kurzfassung der Top 10:

Big Data & Analytics

Dies ist die riesige Menge an Daten, die mittels Sensoren, Tracking-Pixel, Umfragen und anderen Datenströmen erfasst wird, wo diese Daten gespeichert werden und die Mittel, sie zu analysieren – etwa durch Edge Computing und Machine Learning.

Autonome Roboter

Roboter, die ohne menschliche Eingriffe arbeiten. Mittels ML können sie Entscheidungen und Korrekturen in Echtzeit treffen, um ihre programmierten Aufgaben auszuführen.

Simulation / Digital Twins

Eine digitale Version eines Systems, z. B. einer Fabrikhalle. Durch Sensoren an Fertigungsanlagen und ähnlichen digitalen Geräten können Unternehmen einen virtuellen „Zwilling“ eines Systems sehen, den sie für Analysen, Tests etc. nutzen können.

Horizontale und vertikale Systeme

Dies bezeichnet die Vernetzung aller Aspekte eines Systems, sowohl horizontal als auch vertikal – etwa abteilungsübergreifende Zusammenarbeit über Standorte hinweg sowie Maschinendatenaustausch und Interaktion zwischen verschiedenen Hierarchieebenen.

Industrial IoT (IIoT)

Jedes IoT-Gerät in industrieller Umgebung, z. B. smarte HLK-Steuerung oder Fertigungsmaschinensensor. Die MachineMetrics IIoT-Plattform wandelt Ihre Shopfloor-Daten von Insights in Actions um mit mächtigen Apps, die Maschinenstillstände reduzieren, Durchsatz erhöhen und Profitabilität maximieren – getrieben von Ihren Fertigungsanlagen.

Cybersicherheitstechnologie

Cybersicherheit ist in IR4 kritisch, da der Zustrom von Maschinen die Anzahl der Sicherheitslücken erhöht, die geschützt werden müssen.

Die Cloud

Extern zugängliche Informationsspeicherung, meist über das Internet erreicht. Erfordert keine lokale Hardware und ermöglicht Herstellern bedarfsgerechten Zugriff auf Computerressourcen, ohne diese aktiv verwalten zu müssen.

Additive Fertigung

Fertigung, die nicht durch Schneiden, Schleifen etc. Material abträgt, sondern Material hinzufügt, um ein Objekt zu erstellen. 3D-Druck ist das prominenteste Beispiel.

Künstliche Intelligenz

KI bezeichnet Maschinen, die selbstständig lernen und Schlussfolgerungen ziehen können, basierend auf Verbindungen aus Trainingsdaten und kontinuierlichen Vorhersagemöglichkeiten.

Augmented Reality

AR bezeichnet die Überlagerung von Informationen auf die physische Welt. Bekannte Beispiele sind Snapchat-Filter und Pokémon Go, aber viele Anwendungsfälle existieren auch in der Geschäftswelt, besonders bei Training und Wartung.