Smarte Fabriken: Wie die automatisierte Fertigung die Industrie 4.0 revolutioniert

• Was ist automatisierte Fertigung?
• In 6 Schritten zur automatisierten Produktion
• Merkmale und Vorteile der automatisierten Fertigung
• Herausforderungen und Nachteile der automatisierten Fertigung
• Die Zukunft der automatisierten Produktion
• Fazit

Die Industrie 4.0 setzt auf die umfassende Digitalisierung aller Bereiche der industriellen Produktion. Ein Kernkonzept dabei ist die automatisierte Fertigung: Hier arbeiten Roboter, Maschinen und Computersteuerungssysteme ganz oder teilweise, ohne dass Menschen eingreifen. Automatisierung spielt in der modernen Produktionslandschaft eine bedeutende Rolle, denn sie erlaubt effizientes, sicheres und produktives Arbeiten.

Deutschland mit seiner starken industriellen Tradition hat die automatisierte Fertigung in einigen Branchen pionierhaft vorangetrieben. Einer Studie von reichelt elektronik zufolge laufen derzeit in Deutschland 43 Prozent aller Fertigungsprozesse automatisiert ab, wenn auch noch kein Unternehmen vollständig auf Industrie 4.0 umgestellt hat. Besonders in der Automobilindustrie sorgen Roboter für größere Qualität und Flexibilität in der Herstellung. In der metallverarbeitenden Industrie und der Kunststoff- und Chemieindustrie optimieren intelligent vernetzte Systeme Produktions- und Geschäftsprozesse.  

Die Industrie 4.0 verändert die gesamte Fertigung – und damit die Rolle der Mitarbeitenden im Unternehmen. Die Arbeitsweise der Menschen transformiert sich damit ein weiteres Mal nach der Einführung der Dampfmaschine, der Fließbandproduktion und der EDV.  

Manuelle, repetitive und körperlich belastende Aufgaben verschwinden in der Fabrik der Zukunft. In den Händen der Mitarbeiter und Führungskräfte liegen mehr denn je strategische Entscheidungen und Planungsaufgaben rund um die Implementierung, den Einsatz und die Entwicklung der automatisierten Fertigung. Nur Menschen können bisher komplexe Marktmechanismen und gesellschaftliche Veränderungen verstehen und darauf reagieren. Auch die Überwachung und Kontrolle der Prozesse, das Change Management sowie die kreative Weiterentwicklung von Produkten und Technologien sind weiterhin Felder, in denen unsere Eigenschaften und Fähigkeiten unverzichtbar sind.

Was ist automatisierte Fertigung?

Ein automatisierter Prozess ist eine über Technologie gesteuerte, systematische Abfolge von Aktivitäten, die ohne oder mit minimaler menschlicher Intervention selbstständig ablaufen. Software, Maschinen und andere technische Systeme übernehmen Aufgaben, um die Effizienz, Genauigkeit, Sicherheit und Konsistenz der Produktion zu steigern.  

Die Industrie 4.0 basiert auf der Integration digitaler Technologien in die Fertigung. Das Internet der Dinge, Künstliche Intelligenz, Big Data und Cloud Computing machen die Produktion intelligenter und anpassungsfähiger. Software und Steuerungssysteme bilden das Gehirn der automatisierten Systeme. Sie steuern Maschinen und Prozesse. Sensoren und Aktuatoren erfassen Daten aus der Umgebung und setzen digitale Befehle in physische Aktionen um. Roboter, also mechanische Arme und Geräte, übernehmen spezifische Aufgaben wie Montage, Schweißen oder Lackieren. All diese Maschinen und Systeme sind miteinander vernetzt und befinden sich in ständiger Kommunikation.

Im Unterschied zu manuellen Prozessen erfordert automatisierte Fertigung keine schwere physische menschliche Arbeit und Mikro-Entscheidungsfindung mehr. Sie kann damit dazu beitragen, die Arbeitsbedingungen zu verbessern.

Während des automatisierten Prozesses lassen sich außerdem kontinuierlich Daten sammeln, um konsistente Qualität zu gewährleisten. Mit diesen Daten werden beispielsweise auch Roboter gefüttert, um sich durch maschinelles Lernen an wechselnde Bedingungen anzupassen und sich zu verbessern. Dies führt zu einer bemerkenswerten Steigerung der Produktivität und Qualität.

In 6 Schritten zur automatisierten Produktion

Automatisierte Systeme lassen sich in 6 Schritten in eine Produktionslandschaft implementieren. Dazu braucht es neben maßgeschneiderten Technologie-Lösungen vor allem flexible, schnelle Planungsinstrumente und einen dynamischen Talentpool.

1. Bedarfsanalyse und Planung

Im ersten Schritt werden für die Automatisierung geeignete Prozesse in der Produktion identifiziert. Dazu gehören oft regelbasierte, repetitive, manuelle Vorgänge mit hohem Volumen. Eine IST- und eine SOLL-Analyse unterstützen bei der Zielfindung und helfen, Verbesserungspotenziale aufzudecken.  

Ein fortschrittliches Planungs- und Forecasting-Tool wie Workday Adaptive Planning bietet eine umfassende, flexible und datengetriebene Planungsumgebung. Es ermöglicht Unternehmen, die finanziellen, operativen und organisatorischen Aspekte der Automatisierung effektiv zu steuern. Mit Adaptive Planning lassen sich Finanz-, Personal- und Betriebspläne erstellen und anpassen. Finanzen, Vertrieb, HR und Produktion verfügen damit über eine vernetzte Plattform, um sich zu koordinieren.

2. Strategische Personalplanung

Unternehmen stehen vor hohen Anforderungen an ihre strategische Personalplanung, wenn es um die Implementierung, Instandhaltung, Entwicklung und Anpassung der automatisierten Fertigungsprozesse geht. Es bedarf einer Belegschaft mit besonderem Skillset, das sich von dem des bisherigen Talentpools unterscheidet und mit der Skill Cloud von Workdays Human Capital Management effektiv geplant und verwaltet werden kann. Mit KI und Maschinellem Lernen ist es möglich zu verstehen, wie Fähigkeiten miteinander in Bezug stehen und sich weiterentwickeln lassen. 

Dass hier Bedarf besteht, zeigt eine Studie von BearingPoint und der Hochschule München, die 2024 publiziert wurde. Rund 40 Prozent der befragten hundert Führungskräfte aus dem produzierenden Gewerbe geben an, dass die mangelnde Verfügbarkeit von Arbeitskräften eine wesentliche Herausforderung bei der Implementierung von Industry 4.0 sei.

3. Technologieauswahl

Die Auswahl spezifischer Technologien (z. B. Roboter, Maschinensteuerungen, Softwareplattformen) richtet sich nach den definierten Anforderungen und dem verfügbaren Budget. Hierbei spielen auch Faktoren wie die Integration in bestehende Systeme und die langfristige Skalierbarkeit eine Rolle.

4. Testing und Optimierung

Sind die Automatisierungssysteme installiert, finden umfangreiche Tests statt, um sicherzustellen, dass alle Maschinen und Softwarekomponenten funktionieren und sauber miteinander arbeiten. Dazu gehören Funktionstests, Stresstests und Leistungstests, denn die Systemstabilität muss unter verschiedenen Bedingungen überprüft werden.  

5. Schulung und Inbetriebnahme

Diese beiden Phasen stellen sicher, dass die automatisierten Systeme effizient arbeiten und die Mitarbeiter in der Lage sind, die Technologien optimal zu nutzen. Die Schulung gewährleistet, dass das Personal über das nötige Wissen und die Fähigkeiten verfügt, um den automatisierten Prozess zu steuern und zu überwachen. Die Inbetriebnahme markiert den Übergang von der Planungs- und Implementierungsphase zur Produktion.

6. Künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und Cobots

Künstliche Intelligenz analysiert große Mengen an Produktionsdaten, um Muster zu erkennen und fundierte Entscheidungen zur Prozessoptimierung zu treffen. Sie hilft, Engpässe zu identifizieren und Empfehlungen zur Verbesserung der Effizienz zu geben. KI-basierte Systeme können Anomalien und potenzielle Fehler in Echtzeit erkennen, was zu einer schnellen Reaktion und weniger Ausfallzeiten führt.

ML-Algorithmen lernen aus historischen Produktionsdaten, sodass die Produktionsabläufe sich kontinuierlich verbessern. Maschinelles Lernen ermöglicht es Produktionssystemen damit, sich an veränderte Bedingungen anzupassen. Beispielsweise lassen sich Produktionsparameter automatisch an neue Materialien oder Designs adaptieren.

ML-Modelle können von Daten aus Maschinen und Sensoren lernen, typische Fehlerarten zu erkennen und Lösungen vorzuschlagen, was die Reaktionszeit bei Problemen verkürzt.

Cobots (kollaborative Roboter): Cobots arbeiten direkt neben Menschen und unterstützen sie bei Aufgaben, die Präzision und Wiederholbarkeit erfordern. Sie sind darauf ausgelegt, sicher und flexibel mit Menschen zu kooperieren, ohne spezielle Sicherheitszäune oder Schutzvorrichtungen notwendig zu machen. Cobots sind oft leichter zu programmieren und in den Prozess einzufügen als traditionelle Industrieroboter. Neue Aufgaben lassen sich leichter integrieren und neue Produktionsanforderungen schneller umsetzen.  

Ein typisches Beispiel dafür, wie die automatisierte Fertigung funktioniert, ist eine Smart Factory. Hier sammeln mit Sensoren ausgestattete Produktionsmaschinen kontinuierlich Betriebsdaten. Ein zentrales System, das die Produktionsabläufe überwacht und steuert, empfängt diese Daten in Echtzeit. Zeigt eine Maschine beispielsweise Anzeichen von Verschleiß, kann das System automatisch einen Wartungsprozess initiieren oder die Produktion an eine andere Maschine umleiten, um Stillstandszeiten zu vermeiden.

Merkmale und Vorteile der automatisierten Fertigung

Automatisierte Fertigung bringt für viele Unternehmen erhebliche Investitionen mit sich. Ein Blick auf die Vorteile zeigt, dass sich die Implementierung lohnen könnte.

Höhere Sicherheit in Koordination und Planung

Automatisierte Prozesse befreien Menschen von gefährlichen oder körperlich anstrengenden Betätigungen. Die Arbeitsbedingungen verbessern sich damit erheblich, denn das Risiko für Verletzungen und durch physische Arbeit bedingte Erkrankungen und Verschleißerscheinungen sinkt. Mitarbeitende, die von schweren Arbeiten entlastet werden, haben oft die Möglichkeit, sich weiterzubilden und neue Fähigkeiten zu entwickeln, die sie für anspruchsvollere Aufgaben qualifizieren. Dies kann ihre beruflichen Perspektiven und Karrierechancen verbessern. Auch diese Zukunft der Arbeit lässt sich mit KI und ML planen und gestalten. Während intelligent gesteuerte Maschinen und Roboter in die schweren und monotonen Aufgaben übernehmen, können sich die Mitarbeitenden auf anspruchsvollere Aufgaben konzentrieren: Strategisch die Zukunft des Unternehmens planen und innovative Produkte kreieren.

Dabei hilft ihnen die Datenanalyse durch automatisierte Prozesse. Prädikative Analyse führt zu einer wesentlich präziseren und effizienteren Produktionsplanung. Sie ermöglicht genauere Produktionspläne und schnelle Anpassung an die sich ändernden Marktbedürfnisse. Unternehmen können flexibler auf Nachfrageänderungen antworten und ihre Ressourcen optimal zu nutzen.  

Effizienz auf Knopfdruck

Maschinen benötigen keine Pausen und können rund um die Uhr arbeiten. Automatisierte Systeme sorgen für eine schnellere Produktion, sodass aus Konzepten schneller verkaufsfertige Produkte werden.

Automatisierte Fertigung führt außerdem zur effizienteren Entwicklung von Produkten. Digitale Zwillinge und Simulationstechnologien ermöglichen eine schnellere Iteration und Optimierung von Produktdesigns, ohne physische Prototypen erstellen zu müssen. Ein digitaler Zwilling ist ein virtuelles Modell eines physischen Produkts, Prozesses oder Systems – eine digitale Kopie, die in Echtzeit aktualisiert wird, um Zustand und Verhalten des physischen Gegenstücks zu imitieren.  

Kostenreduktion

Automatisierung senkt Personalkosten, da weniger menschliche Ressourcen erforderlich sind. Vor allem manuelle Arbeiten entfallen. Außerdem sinkt der Bedarf an Überstunden, da die intelligenten Systeme konsistent und vorhersehbar arbeiten. 

Ebenso lassen sich Kosten für den Materialeinsatz einsparen. Präzise Fertigungstechniken stellen sicher, dass kein Material verschwendet wird.

Außerdem führt die geringere Time-to-Market zu geringeren Kosten. Ausfallzeiten werden minimiert, da es möglich ist, kritische Maschinenteile besser zu warten und zu ersetzen.  

Verbesserte Qualität und Leistung

Automatisierte Systeme sorgen dafür, dass das Endprodukt eine gesteigerte und gleichbleibende Qualität aufweist, denn sie arbeiten mit konstanter Präzision. Das erhöht die Kundenzufriedenheit und damit die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens. Manuelle Prozesse hingegen sind fehleranfälliger, sodass das Ergebnis möglicherweise in der Qualität schwankt.  

Automatisierte Systeme steigern die Leistung von Fertigungsanlagen erheblich. Sie kennen keine Pausen oder Müdigkeit. Die Anlagen sind optimal ausgelastet, die Produktionskapazität ist maximiert. Unternehmen können die Leistung ihrer Anlagen auf ein neues Niveau heben und gleichzeitig die Betriebskosten senken.

Herausforderungen und Nachteile der automatisierten Fertigung

Die smarte Produktion bringt Vorteile, aber auch Herausforderungen mit sich. Hier von Nachteilen zu sprechen, würde dem Denkmodus der Digitalisierung und Automatisierung jedoch nicht entsprechen. Denn charakteristisch für den ganzen Bereich ist: Lösungsansätze sind immer schon zum Greifen nah.  

Komplexes Qualitätsmanagement

Moderne Technologie kann Störungen schnell identifizieren. Diese ebenso schnell zu beheben, ist aber weiter eine erhebliche Herausforderung. In der Regel ist hier weiter ein Eingreifen vonnöten, denn Menschen können auf der Grundlage ihrer Erfahrung und Kreativität die nötigen Entscheidungen treffen.  

Eine Kombination aus fortschrittlicher Technologie, präventiven Maßnahmen und kontinuierlicher Verbesserung der Systeme kann jedoch dazu beitragen, dass menschliches Eingreifen immer weniger erforderlich ist. Unternehmen können etwa Systeme implementieren, die in Echtzeit Daten erfassen und analysieren, um Störungen frühzeitig zu erkennen. Diese Systeme identifizieren über maschinelles Lernen Muster, die bevorstehende Probleme erkennen, noch bevor sie zu Ausfällen führen. Weitere Möglichkeit sind selbstheilende oder fehlertolerante Systeme, die trotz Unsicherheit weiterarbeiten können.

Marktanforderungen und Flexibilität

Produktionsprozesse müssen flexibel gestaltet sein, um dem Trend zur Individualisierung zu entsprechen. Kunden erwarten zunehmend maßgeschneiderte Produkte, die ihren spezifischen Bedürfnissen und Wünschen entsprechen. Automatisierte Prozesse sind jedoch darauf ausgelegt, durch Standardisierung effizient zu sein. 

Die Antwort liegt in der Weiterentwicklung der smarten Produktion. Modulare Systeme etwa erlauben eine flexible, effiziente und skalierbare Produktion, die den wachsenden Anforderungen nach individualisierten Produkten gerecht wird. Durch den Einsatz von Sensoren, Datenanalyse und Vernetzung können Produktionsanlagen in Echtzeit auf individuelle Anforderungen reagieren und entsprechende Anpassungen vornehmen.

Um wettbewerbsfähig zu bleiben, sind Unternehmen darauf angewiesen, ihre Prozesse schnell und flexibel anzupassen. Genau das ist derzeit jedoch noch schwer zu automatisieren. Neue Technologien erfordern oft eine kreative und iterative Vorgehensweise. Unternehmen müssen daher Wege finden, um die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit ihrer Produktionssysteme zu erhöhen, damit sie auf disruptive Entwicklungen schnell reagieren können, ohne die Effizienzvorteile der Automatisierung zu verlieren. Eine Lösung wie Workday Adaptive Planning sorgt dabei dafür, dass alle Abteilungen über eine Echtzeit-Datengrundlage verfügen und schnell Szenarien modellieren können.

Wirtschaftlichkeit

Automatisierte Systeme verursachen erhebliche Anfangsinvestitionen. Neben Maschinen und Technologien sind auch kostenintensive Anpassungen der Infrastruktur, Schulungen für Mitarbeitende und die Integration in bestehende Produktionsabläufe vonnöten. Kleinere Unternehmen oder solche, die kurzfristig eine Rendite erwarten, zweifeln deshalb an der Wirtschaftlichkeit dieser Investitionen. Wichtig ist jedoch, die hohen Anfangskosten der Automatisierung mit Faktoren wie langfristigen Kosteneinsparungen und zu erwartenden Qualitätsverbesserungen gegenzurechnen.

Lean Production kann in manchen Fällen effizienter sein als eine umfassende Automatisierung. Sie setzt bei reduzierter Technologie auf optimierte Prozesse, die menschliche Arbeitskraft und Flexibilität gezielt nutzen. In Produktionsumgebungen, die immer wieder flexibel reagieren müssen, kann eine schlanke Produktion sich als geeigneter erweisen als vollautomatisierte Systeme.  

Technologische Hürden

Die Automatisierung steht vor der großen Herausforderung, heterogene Technologien und Systeme erfolgreich zu einer Produktionsumgebung zu vernetzen. Maschinen, Softwarelösungen und menschliche Arbeitskräfte müssen reibungslos interagieren. Dafür sind oft maßgeschneiderte Lösungen erforderlich sowie eine intensive Abstimmung zwischen unterschiedlichen Technologien und Anbietern.

Während die Künstliche Intelligenz und fortschrittliche Algorithmen vielversprechende Wege zur Automatisierung eröffnen, sind diese Technologien oft noch nicht reif genug für den breiten industriellen Einsatz. Insbesondere komplexe und dynamische Produktionsumgebungen begrenzen zurzeit noch die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der aktuellen Lösungen.

Das Potenzial der KI ist jedoch langfristig enorm. In den kommenden Jahren wird sie schrittweise immer tiefer auch in die Fertigung vordringen.

Die Zukunft der automatisierten Produktion

Die Zukunft der automatisierten Fertigung wird durch die Weiterentwicklung intelligenter Automatisierungstechnologien, die Nutzung von Cloud-Plattformen und datengestützte Entscheidungen geprägt sein. Diese Entwicklungen versprechen eine noch nie dagewesene Produktivität und Effizienz in der Fertigungsindustrie.

• Integration von KI und maschinellem Lernen: Der Einsatz Künstlicher Intelligenz und maschinellen Lernens wird in der Fertigung zunehmen. Große Datenmengen ermöglichen es KI-Systemen, Echtzeit-Datenanalysen durchzuführen und sofortige, fundierte Entscheidungen zu treffen, die menschliche Entscheidungsträger in ihrer Komplexität überfordern würden. KI-gestützte Systeme analysieren zudem kontinuierlich die Betriebsdaten von Maschinen und planen deren Wartung, noch bevor es zu einem Ausfall kommt. KI spielt auch in der Qualitätskontrolle eine entscheidende Rolle. Sie kann über Bildverfahren Fertigungsfehler schneller und präziser als das menschliche Auge erkennen.
  

• Erweiterte Vernetzung durch das Internet der Dinge (IoT): IoT-Technologien werden Maschinen, Systemen und Menschen in Zukunft noch besser vernetzen. Echtzeit-Daten ermöglichen es, sofort auf Änderungen zu reagieren, Prozesse zu optimieren und die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine zu verbessern. So tragen IoT-Technologien entscheidend zur Steigerung der Produktivität und Qualität in der Fertigung bei.

• Anpassungsfähigkeit und Flexibilität: Automatisierungssysteme werden große Schritte in Richtung Flexibilität machen. Das ist nötig, damit Unternehmen sich schnell auf wandelnde Marktanforderungen und Individualisierungstrends einstellen können. Dazu müssen sie einfach und schnell auf verschiedene Produktvarianten umstellen können. Anpassungen in der Produktion lassen dann ohne umfangreiche Neuausrüstung oder langen Stillstand umsetzen, sodass die Time-to-Market sich verkürzt.
  

• Nachhaltigkeit und grüne Produktion: Nachhaltigkeit wird zunehmend auch in der Automatisierung ein Thema, wobei der Schwerpunkt auf Energieeffizienz, Ressourcen sparen und Abfallvermeidung liegt. Fortschrittliche Technologien können Produktionsprozesse so steuern, dass sie weniger Energie verbrauchen, Materialien effizienter nutzen und Abfall minimieren, was sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile bietet.

• Mensch-Roboter-Kollaboration: Kollaborative Roboter (Cobots) begleiten zunehmend menschliche Arbeitskräfte. Ziel ist, die Sicherheit am Arbeitsplatz zu verbessern und die Effizienz zu steigern. Cobots arbeiten eng mit Menschen zusammen, entlasten diese bei schweren oder eintönigen Aufgaben und ergänzen menschliche Fähigkeiten, ohne Arbeitsplätze zu ersetzen. Cobots fördern eine harmonische Kooperation zwischen Mensch und Maschine und verbessern somit sowohl die Produktivität als auch die Arbeitsbedingungen.

• Digitale Zwillinge und Simulation: Die automatisierte Fertigung wird sich verstärkt auf digitale Zwillinge verlassen und Fertigungsprozesse in Echtzeit simulieren. Dies führt zu präziserer Planung und deutlicher Fehlerminimierung. Indem Unternehmen reale Produktionsanlagen digital abbilden, können sie potenzielle Probleme vorhersehen und Prozesse effizienter gestalten.

Fazit

Die Industrie 4.0 steht für eine umfassende Digitalisierung der industriellen Produktion und deren Automatisierung. Miteinander vernetzte Roboter, Maschinen und computergesteuerte Systeme werden die Produktion der Zukunft noch effizienter, sicherer und flexibler machen. Die Einführung von Künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und des Internets der Dinge sorgen für eine engere Vernetzung und dynamische Prozessoptimierung.

Automatisierung verändert nicht nur die Fertigung selbst, in der sorgfältige Planung und Szenariomodellierung wichtiger werden denn je. Auch die Rolle der Mitarbeiter in Unternehmen wandelt sich fundamental. Monotone und gefährliche Aufgaben geht auf Maschinen über, während der Fokus der menschlichen Arbeit auf strategischen Entscheidungen, Überwachung und kreativer Weiterentwicklung liegt. 

Die Vorteile der automatisierten Fertigung sind überzeugend: erhöhte Effizienz, Kostenreduktion und verbesserte Produktqualität. Gleichzeitig stehen Unternehmen vor Herausforderungen wie hohen Anfangsinvestitionen und komplexen Technologie-Entscheidungen. Trotz dieser Hürden zeigt sich, dass Automatisierung in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen wird, insbesondere durch Entwicklungen in KI, nachhaltiger Produktion und der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine.