Digitale Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things (IIoT) sind mehr als nur kryptische Begriffe. Sie betreffen uns alle – Unternehmen, Verbraucher und die Art und Weise, wie wir kommunizieren und produzieren. Bereits heute erleben wir tektonische Verschiebungen, die die Art und Weise, wie Dinge hergestellt werden, grundlegend verändern. Künstliche Intelligenz, Robotisierung, E-Commerce, virtuelle Realität, 3D-Druck, Biotechnologie und Cybersicherheit – all dies ist Teil der Digitalisierung in der Fertigung.
Wie Fortune Business Insights berichtet, wurde die Größe des globalen Marktes für digitale Transformation im Jahr 2023 auf 2,27 Billionen US-Dollar geschätzt. Es wird erwartet, dass der Markt von 2,71 Billionen US-Dollar im Jahr 2024 auf 12,35 Billionen US-Dollar im Jahr 2032 wächst, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 20,9 Prozent im Prognosezeitraum. Diese beeindruckenden Zahlen verdeutlichen die immense Bedeutung und das Potenzial der digitalen Transformation in der heutigen Wirtschaft.
In unserem Blogartikel „KI im Geschäftsleben: Eine neue Welle der Digitalisierung“ haben wir bereits über die wachsende Bedeutung von KI in verschiedenen Branchen berichtet, sowohl global als auch in Deutschland. In diesem Artikel wollen wir tiefer in das Thema KI in der Fertigungsindustrie eintauchen und einen Blick in die Vergangenheit werfen, um den Trend der heutigen Technologie besser zu verstehen.
Wir beginnen mit einer kurzen Einführung in die industrielle Revolution, um zu zeigen, wie jede Phase die Produktionsbranche transformiert hat. Anschließend geben wir einen Überblick über den aktuellen Stand der Industrie 4.0 und die Bedeutung von IT- und Cloud-Lösungen sowie Softwareentwicklung in der modernen Produktion.
Die Entwicklung der Industrie: Von 1.0 bis 4.0
Angetrieben durch die Einführung neuer Technologien, repräsentiert Industrie 4.0 eine neue Ära vernetzter, robotergestützter und intelligenter Unternehmen. In dieser Phase der digitalen Revolution verschwimmen die Grenzen zwischen der physischen und der digitalen Welt. Dies führt zu einer neuen Art von vernetzten 4.0-Betrieben, in denen Menschen, Maschinen und Produkte in Echtzeit miteinander kommunizieren und interagieren.
Der Begriff „Industrie 4.0“ wurde erstmals 2011 auf dem World Industry Forum in Hannover vorgestellt. Das Projekt „Industrie 4.0“ oder „Industrie der Zukunft“ steht für eine revolutionäre Denkweise in Bezug auf Produktionsmethoden. Die „4“ symbolisiert die vierte industrielle Revolution.
Nun werfen wir einen Blick auf die Entwicklung der Industrie von den Anfängen bis zur heutigen Industrie 4.0.
Die Entwicklung der Industrie: Von 1.0 bis 4.0
Erste industrielle Revolution: Die Dampfmaschine
Die erste industrielle Revolution war von mechanischen Innovationen geprägt, insbesondere durch die Weiterentwicklung der Dampfmaschine durch James Watt im Jahr 1769. Diese Erfindung ermöglichte den Übergang von handwerklichen Manufakturen zur industriellen Massenproduktion. Obwohl es einige Jahrzehnte dauerte, bis die Dampfmaschine weit verbreitet war, wurde sie schließlich unverzichtbar. Eisenbahnen und Dampfschiffe, die massenhaft produzierte Waren und Menschen transportierten, symbolisierten den Triumph dieser ersten industriellen Revolution.
Zweite industrielle Revolution: Die Elektrizität
Die zweite industrielle Revolution wurde durch die Einführung der Elektrizität angetrieben. Auch hier dauerte es eine Weile, bis das revolutionäre Potenzial dieser Technologie vollständig erkannt wurde. Die Vorteile der Telegrafie, elektrischer Maschinen gegenüber Dampfmaschinen und der elektrischen Beleuchtung gegenüber Petroleum oder Gas wurden erst Anfang des 20. Jahrhunderts allgemein anerkannt.
In den Fabriken markierte die Einführung des Fließbandes bei Henry Ford den Beginn einer neuen Ära. Die „mechanical assembly line“ steigerte die Produktivität der Automobilherstellung enorm und machte individuelle Mobilität für breite Bevölkerungsschichten erschwinglich. Der Verbrennungsmotor trieb diese Neuerfindung, das Automobil, an. Viele Menschen, die zuvor manuelle Arbeiten verrichteten, fanden nun neue Berufe als Elektriker oder arbeiteten am Fließband.
Dritte industrielle Revolution: Der Mikroprozessor
Die dritte industrielle Revolution war digital. In den 1970er Jahren begannen Computer, Aufgaben zu übernehmen, die zuvor von Menschen erledigt wurden. Der entscheidende technologische Durchbruch dieser Ära war die Entwicklung von Mikroprozessoren, die aus raumfüllenden Rechenmaschinen tragbare Geräte machten. Diese Technologie wurde schnell zur Universaltechnologie unserer Zeit – vom Personal Computer bis zur speicherbaren Steuerung, vom World Wide Web bis zur elektrischen Zahnbürste. Die pandemiebedingten Unterbrechungen der Chip-Lieferketten aus Asien zeigten eindrucksvoll, wie sehr die Weltwirtschaft inzwischen von dieser Technologie abhängig ist.
Industrie 4.0: Die umfassende Digitalisierung
Industrie 4.0 steht für die umfassende Digitalisierung der industriellen Produktion. Diese Phase baut auf den Errungenschaften der dritten industriellen Revolution auf und zielt darauf ab, die digitale Transformation in der Industrie flächendeckend zu realisieren.
Im Gegensatz zu den vorherigen Revolutionen fehlte Industrie 4.0 jedoch ein einzelner technischer Durchbruch, der alles veränderte. Stattdessen handelt es sich um eine notwendige und längst überfällige Weiterentwicklung, die darauf abzielt, die industrielle Produktion durch digitale Technologien effizienter und vernetzter zu gestalten. Es ist ein Schritt, der die bestehende Technologie weiterentwickelt und optimiert, um den Anforderungen der modernen Welt gerecht zu werden.
Was ist die Digitalisierung der Fertigung?
Die Digitalisierung in der Fertigung bezeichnet den Übergang zu einer vollautomatisierten, digital gesteuerten Fertigung, die in Echtzeit von intelligenten Systemen überwacht und mit ihrer Umgebung interagiert.
Dieser Wandel hin zur digitalen Fertigung erfordert die Schaffung einer mehrstufigen, integrierten IT-Infrastruktur. Diese Infrastruktur erleichtert die Transformation zahlreicher horizontaler und vertikaler Geschäftsprozesse, optimiert den Betrieb und verändert die traditionellen Modelle und Formen der Interaktion zwischen den Teilnehmern der Wertschöpfungsketten.
Im Kern der digitalen Transformation von Industrieunternehmen steht die Automatisierung von Prozessen und die Übertragung von Informationen in eine digitale Umgebung. Diese digitale Umgebung ermöglicht eine schnellere und einfachere Analyse von Daten, was wiederum präzisere und fundiertere Entscheidungen ermöglicht.
Vorteile der Digitalisierung für Industrieunternehmen
Die Einführung der Digitalisierung bringt für Fertigungsunternehmen eine Vielzahl von Vorteilen mit sich. Einige der wichtigsten Vorteile sind:
Steigerung der Effizienz
Durch die Digitalisierung können Produktions- und Technologieprozesse effizienter gestaltet und gleichzeitig die Kosten gesenkt werden. Ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess ist ein wesentlicher Bestandteil der Digitalisierung. Technologien ermöglichen es Unternehmen, Ausfallzeiten von Produktionsanlagen zu minimieren, Wartungskosten zu senken, die Produktivität zu steigern, Produktionszykluszeiten zu verkürzen und Lagerkosten zu reduzieren.
Erhöhte Produktionsflexibilität
Zukunftsorientierte Unternehmen zeichnen sich durch ihre Flexibilität aus. Die Digitalisierung ermöglicht es, sich schnell an äußere Veränderungen anzupassen, indem die Merkmale des Produktionsprozesses dynamisch und schnell angepasst werden. Diese Flexibilität verschafft Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil und verbessert die Qualität der Dienstleistungen sowie die Kundenzufriedenheit.
Reduzierung des Einflusses des Faktors Mensch
Durch die weitgehende Automatisierung und Robotisierung aller Prozesse verringert die Digitalisierung die Abhängigkeit von menschlicher Arbeitskraft. Dies führt zu geringeren Arbeitszeitverlusten, weniger Ausschuss, schnellerer Informationsübertragung und -verarbeitung, schnelleren Entscheidungsprozessen und einer höheren Produktqualität.
Erhöhte Sicherheit
Die Digitalisierung in der Fertigung erhöht die Sicherheit in Produktionsstätten erheblich. Dank der kontinuierlichen Überwachung wird die Anzahl der Unfälle deutlich reduziert. Zudem wird das Schutzniveau der Mitarbeiter erhöht, Verletzungen werden verringert und die Auswirkungen schädlicher Produktionsfaktoren minimiert.
In unserem Artikel „Die transformative Rolle der KI in Unternehmen“ haben wir bereits die Vorteile des Einsatzes von Künstlicher Intelligenz (KI) am Beispiel der Lebensmittelbranche der Firma Kellogg’s erläutert. Hierbei wurde deutlich, wie KI zur Effizienzsteigerung und Optimierung von Produktionsprozessen beitragen kann.
Insgesamt bietet die Digitalisierung Industrieunternehmen eine Vielzahl von Vorteilen, die zu einer effizienteren, flexibleren und sichereren Produktion führen.
Kernelemente von Digitale Industrie
Industrie 4.0 basiert auf einer Vielzahl von technologischen Innovationen, die zusammen eine umfassende digitale Transformation der industriellen Produktion ermöglichen. Zu den zentralen Elementen gehören:
- Internet der Dinge (IoT):
Vernetzung von Maschinen, Geräten und Sensoren, die miteinander kommunizieren und Daten austauschen. - Künstliche Intelligenz (KI), maschinelles Lernen und Robotik:
Automatisierung und Optimierung von Produktionsprozessen durch intelligente Systeme, die aus Daten lernen und sich anpassen können. Beispiele hierfür sind Prognosen, Defekterkennung und Materialklassifizierung.
Durch maschinelles Lernen und fortgeschrittene Algorithmen können KI-Systeme Produktionsprozesse kontinuierlich analysieren und optimieren. Sie erkennen Muster in Produktionsdaten und können beispielsweise die Produktionsgeschwindigkeit anpassen, um einen optimalen Durchsatz zu erreichen, oder den Energieverbrauch durch Änderung der Arbeitsschritte optimieren. - Cloud Computing:
Bereitstellung von Rechenleistung und Speicherressourcen über das Internet, um flexible und skalierbare IT-Infrastrukturen zu schaffen. Beispiele hierfür sind die verteilte Speicherung der Daten und die hohe Verfügbarkeit der Daten. Cloud Computing eröffnet Industrie 4.0 neue Möglichkeiten für flexibles Arbeiten und dezentrale Arbeitsstrukturen. Durch die Vernetzung von Systemen und die Nutzung von Cloud-Computing können Mitarbeiter an verschiedenen Standorten zusammenarbeiten und auf relevante Daten zugreifen. Dies ermöglicht eine erhöhte Flexibilität bei Arbeitszeit und -ort und fördert die Vereinbarkeit von Beruf und Privatleben. - Big Data:
Analyse großer Datenmengen, um Muster zu erkennen, Prognosen zu erstellen und fundierte Entscheidungen zu treffen. - Additive Fertigung:
Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch schichtweises Auftragen von Material, auch bekannt als 3D-Druck. - Cybersicherheit:
Schutz von IT-Systemen und industriellen Netzwerken vor Cyberangriffen und Datenverlust. Beispiele hierfür sind die Erstellung von Konnektivität weltweit über Fabriken mit geschützter Verbindung. - Integrationssysteme:
Verknüpfung verschiedener IT-Systeme und Prozesse zu einer nahtlosen, integrierten Produktionsumgebung. - Modellierung:
Erstellung digitaler Zwillinge und Simulationen, um Produktionsprozesse zu planen, zu überwachen und zu optimieren. - Erweiterte Realität (AR):
Nutzung von Technologien, die digitale Informationen in die physische Welt einblenden, um Arbeitsprozesse zu unterstützen und die Effizienz zu steigern.
Diese Kernelemente sind die Bausteine von Industrie 4.0 und ermöglichen es Unternehmen, ihre Produktionsprozesse zu digitalisieren, zu vernetzen und zu optimieren.
Herausforderungen der Digitalisierung in der Fertigung
Die Digitalisierung der Fertigung zielt darauf ab, die Produktion flexibler, anpassungsfähiger und wettbewerbsfähiger zu gestalten. Sie ermöglicht es Unternehmen, präzise zu ermitteln, was der Markt zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigt, und die Produktion entsprechend anzupassen.
Die digitale Transformation soll verschiedene Probleme adressieren, wie:
- Geringe Produktivität:
Durch Automatisierung und Optimierung der Prozesse wird die Effizienz gesteigert. - Irrationale Ressourcennutzung:
Digitale Systeme helfen, Ressourcen effizienter zu nutzen und Verschwendung zu minimieren. - Hohe Produktionskosten:
Durch die Reduzierung von Ausfallzeiten und Wartungskosten können die Gesamtkosten gesenkt werden. - Geringe Effizienz der Produktionsanlagen:
Echtzeitüberwachung und prädiktive Wartung verbessern die Leistung und Lebensdauer der Anlagen.
Darüber hinaus stärkt die Digitalisierung in der Fertigung die Marktposition eines Unternehmens, indem sie eine schnellere Markteinführung und eine bessere Produktqualität ermöglicht. Maßgeschneiderte Produkte können mit derselben Effizienz wie in der Massenproduktion hergestellt werden, was die Kundenzufriedenheit erhöht.
Digitale Systeme integrieren alle internen und externen Prozesse eines Produktionsunternehmens in einem einzigen virtuellen Raum. Dies ermöglicht eine umgehende Informationsbeschaffung und die Echtzeitüberwachung der Arbeit, wodurch die Verwaltung effizienter, einfacher und transparenter wird.
Komplexitäten des KI-Einsatzes in der Produktionsbranche
Obwohl KI zahlreiche Vorteile bietet, gibt es auch Herausforderungen, die bei der Digitalisierung in der Fertigung bewältigt werden müssen:
- Datenqualität und -verfügbarkeit:
Hochwertige Daten sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit von KI-Systemen. Unvollständige oder fehlerhafte Daten können die Ergebnisse verfälschen. - Integration in bestehende Systeme:
Die Einbindung von KI in bestehende Produktionssysteme kann komplex und kostspielig sein. - Datensicherheit:
Der Schutz sensibler Daten vor Cyberangriffen ist essenziell, insbesondere wenn Produktionsprozesse digitalisiert und vernetzt sind. - Fachkräftemangel:
Es besteht ein hoher Bedarf an qualifizierten Fachkräften, die in der Lage sind, KI-Systeme zu entwickeln, zu implementieren und zu warten. - Regulatorische Anforderungen:
Die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und Standards kann eine Herausforderung darstellen, insbesondere in stark regulierten Branchen.
Unsere Lösungen
Innovaforge bietet umfassende Lösungen, um die Herausforderungen der Digitalisierung und des KI-Einsatzes in der Produktionsbranche zu meistern. Wir unterstützen Sie bei der Implementierung und Optimierung digitaler Systeme, die Ihre Produktionsprozesse effizienter, flexibler und sicherer machen. Mit unseren maßgeschneiderten Lösungen helfen wir Ihnen, die Vorteile der Digitalisierung voll auszuschöpfen und Ihre Marktposition zu stärken.
Wir helfen auch bei der Cloud-Migration von Berichtssystemen, die zur Steuerung von Produktionslinien in Industrie 4.0 genutzt werden. Unsere Expertise gewährleistet, dass Ihre Systeme nahtlos in die Cloud integriert werden, um eine verbesserte Skalierbarkeit, Verfügbarkeit und Datensicherheit zu bieten.
Eine detaillierte Fallstudie zu unserer Arbeit finden Sie unter folgendem Link: Carl Zeiss Fallstudie.
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