Was kann Industrie 4.0?

Eine funktionierende Logistik ist für die Industrie 4.0 unerlässlich. Just-in-time und Just-in sequence sind nur möglich, wenn der Zufluss an Waren funktioniert und die Produktion nicht ins Stocken gerät. Dank neuer Technologien können hier wesentlich Verbesserungen erreicht werden. Einige Beispiele:

• Auf einem räumlich abgegrenzten Betriebsgelände ist der Einsatz von autonom fahrenden LKW erlaubt. Bereits seit 2018 arbeitet die Fraunhofer Gesellschaft im Verbundprojekt AutoTruck daher am Einsatz autonomer Nutzfahrzeuge zur Erhöhung von Effizienz und Sicherheit beim Warenumschlag. Künftig werden auch (teil-)autonome Nutzfahrzeuge auf öffentlichen Straßen zum gewohnten Bild zählen.
• Drohnen (Multicopter/Quadrocopter) zählen zu jenen technologischen Entwicklungen, die in den vergangenen Jahren eine große öffentliche Aufmerksamkeit erzeugt haben. Inzwischen werden nicht mehr nur kleine Drohnen angeboten, sondern auch Schwerlastdrohnen, die im Bereich der Industrielogistik eine flexible und emissionsfreundliche Belieferung sicherstellen können,
• Per Sendungsverfolgung sind die Empfänger rund um die Uhr und in Echtzeit über den Stand ihrer Lieferung informiert. Via App können beispielsweise Behälter und Lademittel überwacht und geortet und die Position via Geo-/GPS-Daten auf Karten dargestellt werden. Für Kunden, lieferanten und Transportdienstleister bedeutet dies eine maximale Transparenz im Unternehmensalltag. Diese Transparenz kann u.a. genutzt werden, um die Anlieferung beim Kunden zu optimieren, indem dieerrechnete Ankunftszeit in Echtzeit übertragen wird und der Entladeprozess des LKW vorbereitet werden kann. So können z.B. Anlieferungstore und Schranken zeitgenau öffnen und Wartezeiten vermieden werden.

Große Lagerhallen. Halden mit halbfertigen Produkten. Ersatzteile, die man bei Bedarf beim Lagerverwalter holt. Alles Vergangenheit! Die moderne Logistik hat mit den Konzepten und Abläufen von vor Jahrzehnten nur noch wenig gemein. Was zählt, sind schlanke Abläufe, die dafür sorgen, dass nur die wirklich benötigten Objekte zum Einsatz kommen – und das nur dann, wenn sie benötigt werden. Das spart nicht nur Geld und Zeit, sondern macht das Unternehmen generell schneller und wettbewerbsfähiger. Folgende technologische Lösungen können exemplarisch eingesetzt werden:

• Lagerlogistik: Aus der ehemaligen Packliste des Kommissionierers ist heute ein elektronisches System geworden. Von der Datenbrille, die es dem Anwender ermöglicht, Informationen vor dem Auge des Lesers anzuzeigen (Pick-by-Vision) bis zu autonomen Kommissionierwägen, die sich mittels Schwarmintelligenz organisieren sind heute zahlreiche innovative Lösungen in der Lagerlogistik umsetzbar.
• Kollaborative Roboter (Cobots): Im Gegensatz zu Industrierobotern in der Produktion haben Cobots eine überschaubarere Struktur, die darauf ausgelegt ist, den Menschen bei seiner Arbeit zu unterstützen. In der Logistik werden diese unter anderem im Bereich der Verpackung und der Palletierung eingesetzt, wo sie gerade bei repetitiven Aufgaben Entlastung bringen.
• Der intelligente Behälter kommuniziert mit Maschinen und Menschen, er überwacht seine Umgebung und trifft Entscheidungen. Er ist energieautark, indem er die erforderliche Energie dank Solarzellen aus der Umwelt holt und kann melden, wenn er versehentlich in einem Raum mit falscher Temperatur steht. Da wundert es nicht mehr, dass der Intelligente Behälter weiß, mit was er befüllt ist und wann er eine Neubestellung anstoßen muss.
• Autonome Routenzüge in der Logistik lokalisieren sich durch Laserscanner und Referenzkarte, sind vernetzt und umfahren Staus. Sie errechnen dynamische Routen nach Lieferprioritäten und tragen dadurch bei, die Produktion dank optimierter Logistikprozesse am Laufen zu halten.
• Moderne Routenzüge fahren heute nur noch jene Beladepunkte (Senken) an, welche Bedarf dafür anzeigen. Hierfür werden z.B. Kanban-Sensoren in Durchlaufregalen mit der Routenzug-Logistik gekoppelt, sodass eine passgenaue Routenzug-Fahrtstrecke ermittelt und eine echtzeit-optmierte Intralogistik sichergestellt wird.

Die Zeiten, in denen das Lager mit dem Stapeln von Kartons ins Hochregal gleichgesetzt wurde sind lange vorbei. Die Anforderungen an Transparenz und Verfügbarkeit haben sich in den letzten Jahrzehnten vervielfacht. Gerade das Beispiel der Online-Shops zeigt, dass heute unterschiedlichste Produkte jederzeit verfügbar sein müssen, während die Kosten gleichzeitig möglichst niedrig gehalten werden. Neben der Schnelligkeit und der Genauigkeit hat sich auch die Verknüfung mit anderen Unternehmensteilen, etwa der Produktion, grundlegend gewandelt. Das vernetzte Unternehmen akzeptiert keine Schnittstellen-Probleme mehr - vom Wareneingang bis zur Auslieferung des fertigen Produktes muss ein Zahnrad ins andere greifen.

Dies wird gut am Beispiel der Suche eingelagerter Produkte deutlich. Quellen zufolge sollen über 50% der anfallenden Gesamtlagerkosten durch den Prozess des "Order Pickings" anfallen. Eine optimierte und durch Technologien getriebene Lagerlogistik hat somit einen erheblichen Hebel auf die Kostenstrukturen eines Unternehmens.

Flexible, adaptive Logistiklösungen unterstützen daher das Unternehmen auf dem Weg zur Industrie 4.0. wie folgende Beispiele verdeutlichen:

• Sensoren erfassen die Füllstände (z.B. von gelagerten Schrauben) von Lagerboxen in Echtzeit und lösen eigenständig Nachbestellungen aus
• Autonome Kommissionier-Roboter führen eigenständig eine Ein- und Auslagerungen von Produkten durch und führen diese z.B. der nächsten Prozess-Schnittstelle zu
• Mobile Roboteranzüge (mechanische Exoskelette) ermöglichen den Arbeitern ein gesundeitsschonendes Arbeiten

Bei additiven Fertigungsverfahren werden über 3D-Konstruktionsdaten Bauteile Schicht für Schicht aufgebaut. Der 3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren. Heute können bereits Kunststoffe, Metalle und auch Verbundwerkstoffe "gedruckt" werden. Durch den Druck lassen sich sehr komplexe Geometrien (z.B. komplizierte bewegliche Bauteile) und auch sehr große Gebilde verwirklichen: So wurde in den USA ein ganzes Auto (ohen Elektronik) gedruckt und in China ein 5-stöckiges Haus. Ein anderes additives Fertigungsverfahrenist das Laser-Sintern. Hier entsteht die Struktur durch das Verschmelzen von Metallpulver durch einen Laserstrahl. Das Metallpulver wird dabei schichtweise aufgetragen und verschmolzen. Gegenüber herkömmlichen Verfahren, z.B. dem CVC-Fräsen, bei dem das Bauteilaus einem kompakten Werkblock herausgefräst wird, sind additive Methoden geometrisch flexibler und verursachen weniger Abfall. Großen Nutzen bringen additive Fertigungsverfahren in der Entwicklung beim Prototypenbau. Aber auch der Einsatzz bei der Wartung von Maschinen und Anlagen in fernen oder abgelegenen Gegenden kann sich lohnen, wenn Spezialbauteile schnell benötigt aber nicht auf Vorrat gehalten werden. Der 3D-Druck wird voraussichtlich auch in der Produktion zunehmend eingesetzt werden.

Der Begriff stammt aus der Künstlichen Intelligenz (KI) und wurde vor über 20 Jahren eingeführt. Agenten sind "intelligente" Computerprogramme, die ein Ziel haben, ihre Umgebung beobachten und Aktionen einleiten, um das Ziel zu erfüllen. Das Programm arbeitet und entscheidet dabei autonom. Es geht proaktiv vor und passt sich seiner Umgebung an (reaktiv). Sie können sich ggf. mit anderen Agenten austauschen und bewegen sich in Netzwerken. Beispiele für Agenten sind Termostatsteuerungen, Software-Dämons bei Mailprogrammen oder auch der autonome Rasenmäher.

Bei Augmented Reality werden dem Nutzer im Sinne einer "erweiterten Realität" zusätzliche Informationen in sein Blickfeld eingeblendet, welche die "normale Realität" überlagern. Durch die augmentierte Realität können u.a. Wartung und Bedienung von Maschinen benutzerfreundlicher werden. Große Konzerne arbeiten derzeit an Datenbrillen, die dem Benutzer individuell anpassbare Informationen zu seiner Tätigkeit einblenden können. So besteht die Möglichkeit, beispielsweise einem Wartungsmitarbeiter die Baupläne des zu reparierenden Produkts direkt in das Blickfeld zu schicken. Möglich sind auch Video-Tutorials für Mitarbeiter, die sich - bereits bevor der Kundendienst kontaktiert wird - selbst an der Reparatur versuchen.

Cloud Computing bedeutet, Daten und Prozesse statt auf unternehmenseigenen Servern oder Rechnenzentren zu speichern, bedarfsorientiert und flexibel externe Ressourcen über das Internet zu mieten. Während bisher zur Datenspeicherung häufig lokale Server oder persönliche Festplatten genügten, explodieren die Datenmengen mit zunehmender Vernetzung der einzelnen Bereiche eines Unternehmens. Verteilte Geräte und Standorte machen eine unabhängige und stets verfügbare Speicherung der Daten unerlässlich. Die Cloud bedient sich dezentraler Serverparks auf dem ganzen Globus und speichert die Sokumente darauf ab. Der Zugriff auf die Daten erfolgt über eine Internetverbindung und persönlichen Zugangsdaten. Durch die Anbindung an das Internet müssen die Unternehmen besonders auf die IT-Sicherheit achten. Die Cloud wird zunehmend zu einer entscheidenden Komponente bei der Realisierung einer vollständigen Welt von CPS.

Unter Condition Monitoring versteht man die regelmäßige und permanente Überwachung von Maschinen mittels Messung und Analyse definierter Parameter wie Schwingungen und Temperaturen. Ziel ist eine Optimierung von Sicherheit und Maschineneffizienz.

Im Gegensatz zu Industrierobotern in der Produktion haben Cobots eine überschaubarere Struktur, die darauf ausgelegt ist, den Menschen bei seiner Arbeit zu unterstützen. In der Logistik werden diese unter anderem im Bereich der Verpackung und der Palletierung eingesetzt, wo sie gerade bei repetitiven Aufgaben Entlastung bringen.

M2M SIM-Karten senden Daten aus Geräten egal von welcher Art und von jedem Punkt der Welt aus an das Unternehmen. Die großen Mobilfunkunternehmen bieten speziell auf den Maschineneinsatz ausgerichtete SIM-Karten an, die teilweise sogar in der Maschine verschweißt werden. Diese Karten senden dann regelmäßig Daten über das mobile Internet zu Auswertung und Überwachung. Vorteil dieses Verfahrens ist, daß die Infrastruktur über den Mobilfunk bereits zur Verfügung steht, somit keine Unterbaukosten anfallen und die Daten meist netzübergreifend versandt werden können. Als Kosten fallen lediglich geringe monatliche Volumengebühren an, da die Größe der gesendeten Pakete im Kilobyte-Bereich liegt.

Prädiktive Instandhaltung stellt durch die Analyse vergangener und in Echtzeit eingehender Informationen Prognosen zu künftigen Ereignissen und gibt so Auskunft, wann Wartungen an Maschinen durchgeführt werden sollen.

Der QR-Code ist eine weiterentwickelte Variante des Barcodes (2D-Barcode) und besteht aus einem quadratischen Feld von weißen und schwarzen Punkten. Anders als der Barcode (1D-Barcode mit Strichen) kann der QR-Code auch dann noch gelesen werden, wenn er teilweise verschmutzt oder zerstört ist, da die Informationen auf dem QR-Code aufgrund seiner großen Speicherkapazität mehrfach vorhanden und durch eine Fehlerkorrekturmethode geschützt sind. Den Code selbst gibt es in unterschiedlichen Auflösungen. Je höher diese sind, umso besser ist die Fehlerkorrektur.

RFID ist das Akronym für Radio Frequency Identification. Hierbei kommuniziert der an einem beliebigen Teil fixierte Sender (Transponder) mit einer Lesestation, dem Reader, über ein elektromagnetisches Feld. Tag und Reader kommunizieren dabei berührungsfrei und ohne Sichtkontakt. Zusätzlich sind die Reader in der Lage, mehrere Transponder auf einmal zu lesen (Massenerkennung). Fährt also beispielsweise eine Palettte oder ein ganzer LKW durch eine Leseeinheit hindurch, so werden alle Artikel durch die Verpackung hindurch erkannt und aufgelistet. Hierdurch sinkt die Bearbeitungszeit im Warenein- bzw. -ausgang erheblich, ebenso die Fehleranfälligkeit. RFID-Chips haben zudem Vorteile in der Verwendung: Ein Tag kann vorab mit relevanten Daten programmiert werden, z.B. welche Ausstattungsmerkmale ein Tag erhalten soll. Die Maschinen vor Ort lesen die Information aus und führen die passenden Fertigungsschritte durch. Eine andere Möglichkeit ist, den Kunden bereits im Chip einzuspeichern, sodass die Ware automatisch von der Fertigung direkt in den richtigen LKW verladen wird. Bei Fehlern in der Fertigung kann der Tag zum Beispiel Aufschluss über die Bearbeitungsmaschinen geben und so bei der Fehleranalyse helfen. Bei der Kommunikation über elektromagnetische Felder ist allerdings zu bedenken, dass diese ggf. (abhänig von Frequenz, Bautyp etc.) durch andere Objekte oder Umwelteinflüsse (z.B. metallische Umgebungenm Feuchtigkeit etc.) beeinflusst werden kann - daher ist der Einsatz von RFID im Einzelfall zu prüfen.

Die automatisierte Produktion ist ohne eine ausgereifte Sensorik - einschließlich Bilderkennung - nicht denkbar. Sensoren messen und kontrollieren Zustände und Veränderungen der Umgebung oder von technischen Systemen. Sensorknoten sind auf das Wesentliche reduzierte Rechenmaschinen: In der Regel bestehen sie aus mindestens einem Mikrocontroller, einer Programmierschnittstelle einer (Funk-) Netzwerkeinheit und der Möglichkeit, Sensoren für Messungen anzubringen. Sie benötigen meist eine mobile Energiequelle, eine Batterie oder Photovoltaikzelle. Mehrere Sensorknoten können zu Sensornetzen ausgebaut werden.