Ob durchgehende Systemintegration vom Sensor bis zum ERP (Enterprise Resource Planning), Virtual und Augmented Reality, 3D-Druck oder humanoider Roboter: Neue Technologien für Industrie 4.0 sind inzwischen in zahlreichen Produktionsstätten Realität. Die zunehmende Digitalisierung inklusive der Vernetzung von Menschen, Komponenten und Algorithmen verändert Schritt für Schritt die komplette industrielle Produktionskette. Informationstechnik, Telekommunikation und Fertigungsindustrie verschmelzen – die Autonomie und Intelligenz der Produktionsmittel nimmt immer weiter zu.

In ihren Smart Factories arbeiten bereits zahlreiche Unternehmen daran, durch gezielten Einsatz verschiedener Methoden, Instrumente und mit informationstechnologischer Unterstützung eine reale Fabrikplanung von der Entwicklung der Produkte, der Produktionsplanung bis hin zum Anlauf der Fabrik und deren Betrieb digital darzustellen und zu optimieren. Dabei werden die Anforderungen an die Unternehmen in Bezug auf Flexibilität und Veränderungsnotwendigkeit zunehmend größer, nicht zuletzt aufgrund des sich stetig verschärfenden Wettbewerbs.

Wie die smarte Fabrik der Zukunft aber im Detail aussehen wird, lässt sich heute noch schwer absehen. Ein realistisches Szenario: Die Maschinen in der Fabrik der Zukunft werden sich weitgehend selbst organisieren, Lieferketten sich automatisch zusammenstellen und Aufträge sich direkt in Fertigungsinformationen umwandeln, um dann in den Produktionsprozess zu münden. Doch bis dahin gibt es noch Einiges zu tun, zumindest für die große Mehrheit der Betriebe, so das Ergebnis der aktuellen Studie „Digital Factories 2020 – Shaping the future of manufacturing“ , von PwC Deutschland im Vorfeld der Hannover Messe unter 200 Industrie­unternehmen.

Demnach fristen zahlreiche digitale Zukunftstechnologien – bis auf die Sensorvernetzung – in den Unternehmen derzeit noch ein relatives Nischendasein: Während zwar 39 Prozent der Unternehmen bereits vernetzte Sensorik und damit verbundene Datenplattformen nutzen, kommen etwa humanoide Roboter erst in zwölf Prozent der Betriebe zum Einsatz. Künstliche Intelligenz spielt nur bei neun Prozent der Unternehmen eine Rolle, allerdings mit deutlichen Unterschieden je nach Unternehmensgröße: Bei den Firmen mit unter 500 Millionen Euro Umsatz setzen fünf Prozent auf diese Technologie, diejenigen mit mehr als drei Milliarden Umsatz immerhin schon 18 Prozent. Aber auch digitale Technologien wie Drohnen (2%), Virtual und Augmented Reality (13%) und 3-D-Druck (18%) sind noch wenig verbreitet.

Einzelne Technolgien bauen aufeinander auf und verstärken sich gegenseitig

„Für den Vorsprung bei Industrie.4.0 ist es jetzt wichtig, dass die deutschen Unternehmen Strategien und Konzepte für ihre digitalen Fabriken schnell und gezielt umsetzen“, sagt Philipp Berttram, Principal bei Strategy&, Teil des PwC-Netzwerks und Mitautor der Studie „Digital Factories 2020“. Denn gerade die neuen Mega-Themen von Big Data bis Blockchain tragen entscheidend dazu bei, in den kommen drei bis sieben Jahren Geschäftsmodelle und Geschäfte rund um den Globus umzuwälzen, wie die weltweite PwC-Studie „Tech breakthroughs megatrend“ schon im Vorjahr bestätigte. Zudem erzielen Unternehmen, die Technologieführer in ihren Branchen sind, doppelt so häufig schnelle Umsatz- und Gewinnzuwächse als die Nachzügler, so das Fazit des jüngsten „Digital IQ Survey“ von PwC.

Dazu kommt: Je mehr das Internet, Laptops, mobile Geräte und andere vernetzte Tools im persönlichen und beruflichen Leben genutzt werden, desto vertrauter wird die Gesellschaft mit Technologie. Business-Anwender erwarten inzwischen die gleiche Benutzerfreundlichkeit, die sie mit ihren persönlichen Geräten erleben, an ihrem Arbeitsplatz. Einzelne Technologien bauen dabei aufeinander auf und verstärken sich gegenseitig: So sind beispielsweise Fortschritte in Sensorik, Aktorik und in der künstlichen Intelligenz die treibende Kraft hinter Robotern, die Einzug nicht nur in Fabrikhallen, sondern auch in Hotels, Krankenhäuser, Banken und Büros halten.

Auf diese Entwicklung stellen sich nun auch in Deutschland die Industrieunternehmen zunehmend ein. 90 Prozent der für die Studie „Digital Factories 2020“ befragten Unternehmen bereiten den weiteren technologischen Ausbau ihrer smarten Werke vor – wenn auch in unterschiedlicher Granularität. Der Schwerpunkt liegt auch hier bei der vollständigen Vernetzung innerhalb der Fabrik zwischen Sensoren, Anlagen, Fertigungsleitung und Mitarbeitern: 64 Prozent planen deren Einsatz in den kommenden Jahren oder setzen sie bereits ein. Stark wachsen wird allerdings auch die Rückverfolgung von Bauteilen, den demnächst 46 Prozent der Unternehmen nutzen wollen oder bereits im Einsatz haben, gegenüber 26 Prozent heute. Überproportional zunehmen werden in den Werken auch der Einsatz von Virtual und Augmented Reality-Lösungen.

Big-Data-gestützte Wartung wird einer der künftigen Schwerpunkte

Ebenfalls mehr als verdoppeln wird sich die Nutzung von 3-D-Druck, den künftig 37 Prozent der Unternehmen nutzen wollen. Dessen Verwendung erlaubt bereits sehr viele Materialien und Geometrien. „Das ermöglicht deren Einsatz in der modularen Fertigung aber auch dem externen Ersatzteilgeschäft, das zunehmend wichtiger wird“, so Philipp Berttram. Stark zunehmen wird zudem der Einsatz von künstlicher Intelligenz, von humanoiden Robotern und Drohnen.

Ein differenziertes Bild zeichnet die Studie ebenfalls beim Einsatz digitaler Konzepte, insbesondere im Hinblick auf den zeitlichen Horizont. So ist die datengestützte Planung des Ressourceneinsatzes heute in der Mehrzahl der Industrieunternehmen gang und gäbe. 52 Prozent der 200 befragten Industrieunternehmen setzen bereits darauf, 77 Prozent wollen bis in fünf Jahren soweit sein, 81 Prozent in zehn Jahren. Stark zulegen wollen die Firmen bei der vernetzten Planung: Während heute mit 32 Prozent etwa ein Drittel auf eine vollständig vernetzte Planung von der Anlage über das Manufacturing Execution System (MES) bis hin zum Enterprise Resource Planning-(ERP) System setzt, werden es in fünf Jahren 61 Prozent und in zehn Jahren mehr als doppelt so viele sein, nämlich 66 Prozent.

„Eine solche umfassende Vernetzung wird künftig ein wesentlicher Wettbewerbsfaktor sein. Unternehmen, die hier nicht tätig werden, können sehr schnell den Anschluss verlieren, zumal die Vernetzung der Vielfalt der eingesetzten Systeme zeit- und kostenintensiv ist“, gibt Philipp Berttram zu bedenken.

Der Einsatz von Prozess- und Qualitätsoptimierung mittels Big Data wird sich von heute 30 Prozent der Unternehmen auf 65 Prozent bis 2022 vervielfachen. Hier ist das Ziel insbesondere die Optimierung der Produktionsprozesse und der Produktqualität durch intelligente Datenanalysen. Am stärksten zulegen dürfte der Studie zu Folge die Nutzung von Big-Data-gestützter Wartung: Setzen heute erst 28 Prozent auf vorausschauende Wartung durch den Einsatz von Big Data Analytics unter Verwendung von internen Prozess- und Anlagendaten, so werden es in fünf Jahren bereits 66 Prozent sein.

Hohen strategischen Wert bekommt der „digitale Zwilling“ der Fabrik

Ein großes Zukunftsthema ist zudem die Visualisierung und Automatisierung von Prozessen, beispielsweise mit mobilen Anwendungen (Apps), Virtual- und Augmented Reality-Lösungen und verbesserter Zusammenarbeit von Mensch und Maschine. Damit planen im Fünf-Jahres-Horizont 62 Prozent der Unternehmen, gegenüber 28 Prozent, die bereits heute darauf setzen. Die autonome Fabriklogistik, zum Beispiel mit fahrerlosen Transportsystemen, Drohnen und vollautomatisierten Lagern, wollen 35 Prozent der Unternehmen bis 2022 umgesetzt haben (heute: 17%).

Hohen strategischen Wert messen die Unternehmen dem digitalen Abbild eines Produkts oder der Produktionsanlage beziehungsweise eines digitalen Fabrikzwillings bei: 43 Prozent möchten bis in fünf Jahren beim einzelnen Produkt so weit sein (heute: 23%) und die Integration der Fabrik mit Engineering und Product Lifecycle Management (PLM) vorantreiben. 39 Prozent planen den Einsatz eines digitalen Abbilds einzelner Anlagen oder Fertigungslinien, um diese zu planen oder zu optimieren(heute: 18%). Und 44 Prozent setzen auf ein digitales Abbild der gesamten Fabrik für Fabrikplanung und Betrieb (heute 19 Prozent).

„Für die gesamte Strategie bei der Planung und Errichtung einer Smart Factory ist das digitale Abbild, quasi ein digitaler Zwilling der Fabrik, ihrer Anlagen und Prozesse, ein zentraler Enabler. Durch ein digitales Modell können bis zu 20 Prozent der Kosten für Neuplanung oder Änderungen im Vergleich zur herkömmlichen Planung eingespart werden“, weiß Philip Berttram. „Um das umzusetzen, ist allerdings ein fundamentaler philosophischer Wechsel im Denken sowie ein hoher initialer Aufwand erforderlich. Am Ende kommt daran niemand vorbei, der das Thema Digitalisierung konsequent umsetzen möchte.“

Die letzte Konsequenz, eine vollständig autonome, sich selbst organisierende Fabrik, in der Mitarbeiter vermehrt zur Überwachung und Optimierung eingesetzt werden, hat immerhin fast jedes fünfte Unternehmen im Blick. Sehen sich heute erst fünf Prozent so weit, haben sich elf Prozent dieses Ziel in den kommenden fünf Jahren gesetzt, 19 Prozent wollen in zehn Jahren so weit sein.