Smart Factory: Wie die Autobranche die Fabrik der Zukunft gestaltet

07.06.2021

Vollvernetzt, vollautomatisch und hocheffizient – die Erwartungen an die Smart Factory sind groß. Ein Blick in die Produktionshallen der Automobilindustrie zeigt, dass die Entwicklung mit großen Schritten vorangeht.

Industrialisierung 4.0, Internet der Dinge, Smart Factory, taktiles Internet – theoretische und technische Grundlagen für die Fabrik der Zukunft gibt es viele. Dabei zeichnen sie stets das gleiche Bild: vollautomatisierte Fließbänder, ferngesteuerte Drohnen und vernetzte Roboter. Alles nur Science Fiction oder schon bald Realität? Wirft man einen Blick in die Produktionshallen von Automobilherstellern und Industrieunternehmen, scheint die Zukunft bereits zum Greifen nah. Wenn auch zunächst in kleinerem Maßstab.

Flexibilisierung der Fertigung

Die Automobilindustrie ist dabei eine der führenden Branchen. Laut einer 2020 veröffentlichten Studie der Unternehmensberatung Capgemini hat sie allein in den vergangenen zwei Jahren ganze 30 Prozent ihrer Werke zu „intelligenten Fabriken“ umgebaut. Tendenz klar steigend, denn die Investitionen in den Ausbau intelligenter Fabriken werden in den kommenden drei Jahren um 60 Prozent zunehmen, so die Prognose von Capgemini. Doch was genau macht die Smart Factory aus? Im Grunde genommen ist es die Vernetzung aller an der Fertigung beteiligten Objekte. Ob Maschinen, Rohstoffe, Menschen oder Produkte – in der Smart Factory wird alles, was Teil des Produktionsprozesses ist, mit einem internetfähigen Sensor, einem sogenannten IoT-Chip, ausgestattet. Indem die Chips über ein firmeneigenes 5G-Netzwerk miteinander verbunden werden, ermöglichen sie die zentrale Verarbeitung aller Daten und die Steuerung aller Materialflüsse in der Produktion. Und das in Echtzeit und bei maximaler Auslastung sowie einer deutlich höheren Flexibilität als heute.

Um die Flexibilität zu erhöhen, soll es in der Fertigung zu einem grundlegenden Wechsel kommen: weg von der Dominanz der Fließbandproduktion, hin zur zentralen Orientierung an der Fertigungsstation. Ein Prinzip, das die Produktion bereits im 19. Jahrhundert dominierte. Es zeichnet sich dadurch aus, dass die Produkte nicht mehr starr über ein Fließband transportiert, sondern einzeln und bedarfsgerecht zu „Manufakturen“ gebracht werden, die sich auf einzelne Fertigungsschritte spezialisieren. Doch anders als in der Manufaktur von früher werden in der Smart Factory nicht mehr nur Menschen, sondern zunehmend auch Roboter die Arbeit an den Fertigungsstationen übernehmen. Dabei können sie sich dank ihrer Vernetzung und intelligenten Steuerung extrem schnell an Änderungen anpassen und Einzelfertigungen im industriellen Maßstab und zu den Kosten einer Massenfertigung ermöglichen. Das Ziel: Individuelle Umrüstungen für einzelne Produkte und die Anpassung an kurzfristige Änderungen in der Nachfrage oder Ausfälle in der Wertschöpfungskette.

Roboter und Mensch arbeiten in der Fabrik der Zukunft zusammen. © Daimler

Audi: 5G-Test im Reallabor

Eine wichtige Voraussetzung für diese Vision ist die Verfügbarkeit von einem möglichst schnellen und sicheren Mobilfunknetz in den Fabriken. Da der 5G-Netzausbau in Deutschland allerdings nur schleppend vorangeht und die Infrastruktur für ein flächendeckendes Highspeed-Netz noch nicht vorhanden ist, findet das momentan noch in Form von sogenannten Campusnetzwerken statt, also lokalen Privatnetzwerken. Ein Autohersteller, der bereits seit längerem an solchen Netzwerken forscht, ist Audi. Dafür hat sich der Technologie-Spezialist ein eigenes Reallabor zu Testzwecken eingerichtet, das Production Lab (P-Lab) in Ingolstadt. „Wir betreiben im P-Lab eine Entwicklungs-Basisstation und testen das Datennetz auf Herz und Nieren, um formulieren zu können, welche Anforderungen die industrielle Produktion an die 5G-Technologie stellt“, sagt Dr. Henning Löser, Leiter des P-Labs. Denn damit sich Roboter in der Produktion kabellos und frei bewegen können, muss sich das 5G- gegenüber dem 4G-Netz in einigen Punkten verbessern.

Neben einer höheren Datenrate spielt dabei vor allem die Verringerung der Latenz eine wichtige Rolle, also der Verzögerungszeit zwischen Sender und Empfänger. Der Grund: Nur mit einer geringen Latenz ist die Echtzeit-Steuerung von Robotern und Drohnen möglich. Der 4G-Standard war davon bislang weit entfernt: „Bei den jetzigen Netz-Standards ist es wichtig, dass etwa der Netflix-Stream gut läuft. Da die Streaming-Dienste darauf basieren, dass Daten gebuffert (also auf dem Gerät zwischengespeichert werden; Anm. d. Red.) werden, fallen die schwankenden Übertragungsraten bei LTE nicht auf. Erst mit 5G haben wir eine stabile Rate ohne Unterbrechungen“, so Christopher Kolb aus dem IIoT-Team des Audi P-Labs. Neben der Erforschung des 5G-Netzes widmet sich Audi in seinem P-Lab auch der Entwicklung von Mensch-Roboter-Kooperationen, dem 3D-Druck und der modularen Montage. Mit ihr sollen separate Fertigungsinseln mit fahrerlosen Transportsystemen und hochflexiblen Arbeitsabläufen in die Produktion integriert werden und lineare Lösungen wie das Fließband ablösen.

Auch andere Industrieunternehmen wie Daimler oder Continental bauen ihre Fabriken nach diesem Prinzip um. Dabei setzen sie ebenfalls auf die Erprobung neuer Technologien in Modellprojekten. Bei Daimler ist es der Forschungscampus ARENA2036 in Stuttgart, mit dem die Zukunftsthemen der Branche unter die Lupe genommen werden. Im Fokus der Schwaben stehen hochgradig modulare Produktionskonzepte und Lösungen für Mensch-Roboter-Kooperation. Continental konzentriert sich in seiner Modellfabrik in Regensburg dagegen auf die Optimierung von Produktionsabläufen. Dafür haben sie ein cyber-physikalisches System zur automatischen Materialversorgung entwickelt, das benötigte Materialien selbstständig im Lager nachbestellt und den Transport über ferngesteuerte Fahrzeuge organisiert: Eine vollautomatische Nachschubbestellung ohne manuelle Interaktion. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt auch BMW in seinem Werk in Dingolfing, wo autonome Transportsysteme, Logistikroboter und mobile Geräte unter realen Bedingungen über ein 5G-Netz ferngesteuert werden. Das Projekt namens „Autonomous and Connected Logistics“ startete offiziell im September 2019 und führt mehrere Technologien aus dem Bereich Industrie 4.0 in einem Gesamtkonzept zusammen.

Fahrer- und schienenlose Transportsysteme flexibilisieren die Arbeitsabläufe in der Produktion. © Audi

Manufacture like a Bosch

Ein anderes Industrieunternehmen, das bereits unter Hochdruck an der Digitalisierung der Fertigung arbeitet, ist Bosch. Als einer der größten Zulieferer der Automobilindustrie stellt das Unternehmen verschiedenste Bauteile für die großen Autohersteller her, unter anderem auch eine Vielzahl an IoT-Geräten und entsprechenden Software-Lösungen. Eine dieser Lösungen ist die intelligente Software Nexeed, die Bosch unter anderem in einem Werk in Blaichach selber einsetzt. Mit ihr lassen sich die Daten aller vernetzten Geräte in der Fabrik sammeln und auswerten. In Blaichach sind das immerhin rund 60.000 Geräte. Mit den Daten wird unter anderem die Wartung der Maschinen optimiert, sodass Stillstände und geringe Auslastungen der Maschinen verhindert werden. In Blaichach konnte damit die Zahl der Unterbrechungen in der Fertigung um ein Viertel reduziert werden.

„Nexeed ist das Gehirn unserer Fertigung. Es macht Abläufe transparent und gibt verlässlich vor, was unsere Maschinen wann und wo zu tun haben“, sagt Christoph Kunz, Gruppenleiter der Fertigungsplanung bei Bosch in Blaichach. Neben der Fertigung wird die Software auch in der Logistik eingesetzt, wo sie in Echtzeit den Abgabeort des Materials sowie den Status der Fahrzeugflotte und der Transportwege liefert. Am Bosch-Standort in Homburg wurde so die gesamte Intralogistik optimiert. Auch konnte mit der IoT-Software die Effizienz des für die Fertigung so wichtigen Druckluftsystems verbessert werden, was zu einer Energieeinsparung am Standort von 40 Prozent führte. Das Beispiel zeigt: Der Übergang zur Fabrik der Zukunft ist fließend. Die meisten Schlüsseltechnologien zur Umsetzung von Anwendungen aus der Industrie 4.0 sind bereits heute verfügbar, wenn auch nur im kleineren Maßstab.

Christoph Kunz, Gruppenleiter der Fertigungsplanung bei Bosch in Blaichach. © Bosch

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