Industrie 4.0: Automatisierung nutzen, um Fertigung zu transformieren

1784 begann die erste industrielle Revolution mit wasser- und dampfgetriebenen Maschinen. Die zweite kam 1870 mit Massenproduktion von Stahl und Elektrizität; die Welt erlebte auch die Erfindung des Flugzeugs. 1960 brachte die dritte industrielle Revolution fortschrittliche Elektronik, Computer und Automatisierung – Fokus auf die digitale Revolution im Industrieprozess. Heute leben wir in einem cyber-physischen System, das die reale mit der virtuellen Welt synchronisiert. Dies wird als vierte Revolution oder Industrie 4.0 bezeichnet, ein Begriff, der 2015 offiziell von Klaus Schwab, dem Exekutivvorsitzenden des Weltwirtschaftsforums, geprägt wurde.

Industrie 4.0 ist die neue industrielle Revolution für Smart Factories, angetrieben durch Vernetzung von Maschinen und Prozessen mit intelligenten Plattformen. Zu den Elementen der Industrie-4.0-Fertigungsrevolution gehören: Datenanalytik, Internet of Things (IoT), fortschrittliche Robotik, Augmented Reality, Additive Fertigung, Virtual-Factory-Software und digitale Rückverfolgbarkeit.

Dieser Artikel blickt tief in die Industrie-4.0-Fertigung: Prozesse, Technologien, die brillieren, und was noch verbessert werden muss.

Wichtige technologische Elemente der Industrie-4.0-Fertigung

Im Folgenden beleuchten wir wichtige technologische Elemente der heutigen Industrie-4.0-Fertigungsprozesse und betrachten Vor- und Nachteile.

Additive Fertigung

Additive Fertigung (AM), auch 3D-Druck genannt, nutzt ein 3D-CAD-Modell, um Bauteile Schicht für Schicht durch Materialauftrag zu fertigen – im Gegensatz zu konventionellen subtraktiven Verfahren, die Material von einem Block abtragen. Heute deckt AM-Technologie anspruchsvolle Designbedürfnisse vieler Branchen ab: Automobil, Fertigung, Luftfahrt, Medizintechnik.

Über die letzten zwanzig Jahre hat sich AM-Technologie durch verschiedene Phasen entwickelt. Stereolithografie war 1986 die erste patentierte Rapid-Prototyping-Technik unter AM. Es folgten:

• 3DP (Three-Dimensional Printing) – 1993
• Fused Deposition Modeling – 1992
• Selective Laser Sintering – 1989
• Laminated Object Manufacturing – 1988
• Laser Engineered Net Shaping – 2000

Vorteile

Im Gegensatz zu traditionellen subtraktiven Prozessen ermöglicht AM-Technologie funktionale Prototypen in kurzer Zeit. Materialverschnitt wird signifikant reduziert, da die Technologie nur das für das Bauteil benötigte Rohmaterial nutzt und Restmaterial wiederverwendet werden kann. Da das Bauteil in einem Prozess und mit wenig Setup gefertigt wird, sparen Sie Zeit und Geld bei mehreren Fertigungs- und Montageschritten.

Limitationen

Additive Fertigung steckt noch in den Kinderschuhen. Funktionale Limitationen wie niedrige Geschwindigkeiten machen sie für Massenproduktion ungeeignet. AM-Prototypen benötigen oft Nachbearbeitung. Zudem fehlen den verwendeten Flüssigpulvern und Metallpolymeren oft ausreichende Festigkeit für großdimensionierte Bauteile.

Virtuelle Fabriken

Heutige Smart Factories nutzen cyber-physische Systeme und schöpfen Informationstechnologie stark aus. In Smart Factories ermöglichen Systeme Maschinen und Fertigungsressourcen, zu kommunizieren, zu kollaborieren und als Team mit wenig oder ohne menschliches Eingreifen zu arbeiten. Die Installation solcher Systeme ist jedoch teuer und risikoreich zu testen. Hier bietet das Virtual-Factory-Framework Entscheidungsunterstützung.

Vorteile

Das Virtual-Factory-Framework (VF) ist eine fortschrittliche 3D-Simulationssoftware-Umgebung zur Leistungsbewertung Ihrer Smart Factory unter variabler Nachfrage und dynamischen Fabrikbedingungen. Nutzbar für einzelne Anlagen oder die gesamte Fabrik. VF-Technologie ist hochwertig, um Prozessvariabilität neuer Fertigungssysteme ohne historische Daten vorherzusagen.

Limitationen

Für verlässliche Simulationsergebnisse muss der spezifischen Bedingungen Ihrer Anlage genau abgebildet werden. Das sind arbeitsintensive Anpassungen, die Fachexperten erfordern. Da die Simulation auf kontinuierlichen Echtzeitdaten basiert, kann jede Parameteränderung im Fertigungssystem, an Maschinen oder Robotern die Ergebnisgenauigkeit beeinflussen.

Industrieroboter

Mit Technologien wie künstlicher Intelligenz und Big-Data-Analytik setzen Industrie-4.0-Fertigungsprozesse auf Industrieroboter zur Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit und Senkung der Prozesskosten.

Vorteile

Im Gegensatz zu ihren traditionellen Vorfahren sind Roboter in der Industrie-4.0-Revolution mit Selbstwahrnehmung, Selbstwartung und Selbstvorhersagefähigkeiten ausgestattet. Mit fortschrittlichen Sensorsystemen interagieren diese neuen Roboter-Generationen mit anderen Robotern und menschlichen Arbeitern zur Steigerung der Fertigungsqualität. Sie nutzen fortschrittliche Sensortechnologien, um ihre Wahrnehmung für manuelle Aufgaben zu stärken: automatische Teileerkennung, korrektes Materialhandling, sichere Handhabung.

Limitationen

Das Onboarding hochsensibler, energieeffizienter Roboter ist herausfordernd. Zudem sind Roboter in der industriellen 4.0-Phase noch nicht ausgereift genug, um erfahrene Arbeiter bei komplexen Aufgaben in Montagelinien und Vertriebszentren zu ersetzen.

Industrie 4.0 & Metallverarbeitungsanlagen

Die Metallverarbeitungsindustrie kann stark von der Industrie-4.0-Revolution profitieren: reduzierte Betriebskosten, geringer Materialverschnitt, schnelle Lieferung, geringe Revisionswahrscheinlichkeit. Hersteller profitieren in jeder Fertigungsstufe.

Smarte CNC-Maschinen können mit historischen Daten Vorhersagemodelle bauen, um potenzielle Ausfallpunkte abzuwehren. Die Kombination aus IoT-Sensoren und Smart Metern hilft großen Maschinen, Energieflüsse in Leerlaufphasen effektiv zu managen. Echtzeit-Prozessfeedback von Maschinen wäre ideal für Bediener, um potenzielle Fehler bereits in der Alpha-Phase zu eliminieren.

Automatisierung steigert Produktionsgeschwindigkeit und reduziert menschliche Fehler, aber bestimmte Elemente bleiben außerhalb ihrer Reichweite. Ein solches Element ist die Beschaffung des richtigen Materials für das Projekt. Ein automatisiertes smartes CNC-Maschine nützt nichts, wenn das Werkstück minderwertig ist.

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