Fachartikel

7.07.2016
erschienen in GIESSEREI Heft 7|2016

Digitalisierung in der Produktion – Chancen und Herausforderungen

Mobile Endgeräte werden künftig als Assistenzsysteme eingesetzt.

Mit der zunehmenden Digitalisierung in breiten Bereichen der Gesellschaft und Wirtschaft ist die Vision von „Industrie 4.0“ entstanden. Sowohl in zahlreichen Publikationen und Veranstaltungen als auch in bereits umfangreich realisierten Forschungs- und Industrieprojekten sind die Möglichkeiten von „Industrie 4.0“ erläutert sowie erste Ergebnisse praktisch erzielt worden.

VON MICHAEL SCHENK UND STEFAN LEYE, MAGDEBURG

Trotz dieser zum einen positiven Bilanz müssen wir heute zum anderen konstatieren, dass im Mittelstand der Bundesrepublik Deutschland dieses Thema nur zögerlich angenommen wird. Dieser Tatbestand wird in zahlreichen Studien belegt. Dazu gehört auch im Allgemeinen die Gießereibranche. Das verwundert nicht, da die „4.0 Lösung“ für die Gießerei-Industrie nicht existiert, sondern der Weg dorthin unternehmensspezifisch geprägt sein wird. Dazu braucht es zum einen die noch stärkere Verbreitung von ersten Lösungen sowie eine intensive Zusammenarbeit mit entsprechenden Dienstleistern, die hierzu Teillösungen anbieten.

Die Vision Industrie 4.0

Im Kern meint Industrie 4.0 die technische Integration innovativer Technologien in Produktion und Logistik, unter Anwendung des Internets der Dinge und Dienste. Prozesse werden intelligent miteinander durchgängig vernetzt. Produktionsanlagen, Maschinen und Produkte tauschen alle fertigungsrelevanten Informationen situationsgerecht untereinander aus und konfigurieren sich entsprechend ihrer Aufgabe selbst. Sie nehmen direkten Einfluss auf die Fertigungsabläufe und definieren letztendlich ihren Produktionsprozess selbstständig. Dieser Grad an Automatisierung führt zu einer wandlungsfähigen und ressourceneffizienten Wertschöpfung. Prozessinformationen und -wissen werden zu wettbewerbsentscheidenden Unternehmensgütern. Aber nicht für alle Unternehmen und Branchen bedeutet dies gleichzeitig einen radikalen Bruch in ihren bisherigen Arbeitsprozessen. Nicht jede Branche bietet die erforderlichen Grundvoraussetzungen für eine komplette digitale Durchdringung der Wertschöpfungskette. Im Gießereigewerbe gilt es bspw. gezielt praktikable Lösungen für das robuste Produktionsumfeld anzubieten, welche Schritt für Schritt die vielfältigen Arbeitsprozesse absichern und optimieren, ohne dabei die Besonderheiten und Alleinstellungsmerkmale des deutschen Gießereigewerbes zu vernachlässigen. Doch wie kann man die Zielstellung „Industrie 4.0“ im robusten Produktionsumfeld einer Gießerei realisieren und welche Vorteile bieten sich dabei dem metallverarbeitenden Gewerbe mit Blick auf die aktuellen Trends?

Flexibilisierung von Produktion und Arbeit

Eine der Herausforderungen ist die stetig steigende Votalität am Markt, wie sie bereits in den letzten Jahren zu verzeichnen war. Produktionsschwankungen werden in Zukunft verstärkt Einfluss auf das Tagesgeschäft von Gießereien haben. Eine zielgerichtete Flexibilität in der Produktionsarbeit ist demnach ein Muss. Neben der Realisierung einer hohen Arbeits- und Zeitflexibilität gilt es, auch in der Belegschaft eine auftragsbezogene Dynamik zu schaffen. Auftragsspitzen müssen bspw. durch das saisonbedingte Aufstocken des Mitarbeiterstammes ausgeglichen werden können. Dem gegenüber steht die Herausforderung des demografischen Wandels. Der Anteil der Generation 50+ in der Belegschaft wird von heute bereits 25 % in den kommenden zehn Jahren kontinuierlich auf 35 % anwachsen. Gleichzeitig stockt die Nachwuchsgewinnung von Fachkräften. Ein Zustand, den 84 % der Unternehmen in der Metallindustrie bereits heute beklagen. Die Arbeitswelt in Deutschland wird sich schlussendlich grundlegend verändern müssen. Vor dem Hintergrund des demografischen Wandels muss Wertschöpfung in Zukunft mit älteren und fachfremden Arbeitskräften gelingen. Die Arbeitswelt wird heterogener in Bezug auf Ausbildungsmöglichkeiten, kulturellen Hintergrund, Beschäftigungsgrad, Alter und Gesundheitszustand. Neue Arbeitssysteme müssen diesen Anforderungen gerecht werden. Die Fachkräfte, die wir haben, müssen wir gemäß ihrer Fähigkeiten mit technischen Lern- und Assistenzsystemen direkt am Arbeitsplatz unterstützen. Denn so befähigen wir sie, qualifizierter, länger und altersgerecht zu arbeiten. Gleichzeitig ermöglichen wir saisonbedingten Fachkräften ein schnelles und adäquates Einarbeiten. Die Integration intelligenter Assistenzsysteme ermöglicht in Kombination mit neuen Qualifizierungsmethoden die Realisierung der für Gießereien erforderlichen Flexibilität in Produktion und Arbeit, um international wettbewerbsfähig zu sein. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten von Assistenzsystemen, welche unterstützend direkt im Arbeitsprozess oder losgelöst von der eigentlichen Arbeitstätigkeit zur Qualifizierung der Mitarbeiter eingesetzt werden können. Beispielhaft sei hier der Einsatz mobiler Lern- und Assistenzsysteme genannt. Über Tablets oder andere mobile Endgeräte kann sich der Mitarbeiter über die bevorstehende Arbeitsaufgabe informieren, sich individuell darauf vorbereiten und diese gleichzeitig direkt bei der Arbeitsausführung als begleitendes Assistenzsystem einsetzen. Prozessinformationen und Handlungsanweisungen sind direkt über das mobile Endgerät abrufbar und unterstützen den Mitarbeiter bei seinen Tätigkeiten. Die hierfür erforderlichen technologischen Voraussetzungen sind in einem Großteil der deutschen Gießereien bereits heute vorhanden. Prozessparameter werden automatisiert erfasst, ausgewertet und über angebundene Informationssysteme zur Verfügung gestellt. Die Erweiterung dieser Systeme zum zielführenden Einsatz intelligenter Assistenzsysteme ist die logische Konsequenz.

Intelligent Automatisieren

Neben der Einführung intelligenter Arbeitssysteme gilt es den Produktionsablauf zu optimieren. Doch sind Gießereien von den Umweltbedingungen der Arbeitsprozesse her nur bedingt mit anderen produzierenden Industriezweigen vergleichbar. Eine Vielzahl von Einflussgrößen und -faktoren haben Auswirkungen auf den Gießprozess. Zur Beherrschung dieser Prozesse ist es notwendig ein Vielfaches an Maßgrößen einzuführen, technische Voraussetzungen dafür zu schaffen, Prozesse digital reproduzieren zu können. Wenn aus dieser Fülle von Daten Wissen generiert werden kann, so können wir diese nicht nur besser verstehen, sondern in Abhängigkeit der Zustände auch onlinefähig steuern. Über eine kontinuierliche Überprüfung der maßgeblichen Prozessparameter steigern wir die Effizienz der Produktion und die Qualität der Produkte. Mithilfe der gewonnenen Messwerte können Regelkreise mit aktuellen Prozessinformationen abgebildet und simuliert werden – eine Grundvoraussetzung für eine intelligente Prozessüberwachung und -steuerung. Ein derart erweitertes Prozessverständnis steigert im Zeitalter von Industrie 4.0 die Prozesssicherheit und schlussendlich auch die notwendige Wirtschaftlichkeit der Gießereien am Produktionsstandort Deutschland. Der dabei zu betreibende Investitionsaufwand in bspw. moderne Mess- und Prüfsysteme ist überschaubar, Chancen und Nutzen für die Gießereien ungleich größer. Innovative Messtechnologien bieten heutzutage mehr Möglichkeiten zur Prozessüberwachung denn je. Ein kontinuierlicher, sensorgestützter Abgleich von SOLL- und IST-Werten prozessrelevanter Parameter in Echtzeit stellt einen wesentlichen Schritt zur qualitätsgerechten Steuerung der Gussproduktion dar. Die gesammelten Informationen können dem Mitarbeiter direkt auf seinen am Arbeitsplatz befindlichen mobilen Assistenzsystemen ausgegeben und im Falle abweichender Prozessgrößen durch Handlungsempfehlungen ergänzt werden. Die Reaktionszeiten auf ungewollte Schwankungen in der Produktion werden verkürzt und die Prozesse auf einem sowohl qualitativen als auch wirtschaftlich hohen Niveau gehalten.

Energieeffizienz

Wirtschaftlich zu produzieren bedeutet aber nicht allein, sich seiner Prozesse bewusst zu sein. Es bedeutet auch, den Einsatz von Energieträgern nachhaltig und ressourcenschonend zu gestalten. Die Fragestellung nach einer energieeffizienten und nachhaltigen Fertigung ist für die künftige Wettbewerbsfähigkeit der Gießereien von elementarer Bedeutung. Dies gilt insbesondere am Standort Deutschland, einem der weltweiten Vorreiter in Hinblick auf die umweltschonende, gleichzeitig aber auch kostenintensive Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Vor dem Hintergrund stetig steigender Energiepreise und drohender Strafzahlungen für die Emission von Schadstoffen, gleichwohl aber auch vor dem Hintergrund einer scheinbar unaufhaltsam zunehmenden globalen Erderwärmung und einem zunehmend wachsenden ökologischen Verantwortungsbewusstsein, gilt es heutzutage daher mehr denn je anforderungsgerechte Lösungen zu entwickeln, die einen ressourcenschonenden Materialeinsatz sowie eine nachhaltige Nutzung der zur Verfügung stehenden Energieträger ermöglichen und dabei die Summe der klimaschädigenden Schadstoffemissionen (insbesondere CO2) auf ein Minimum reduzieren. Politische Restriktionen sowohl auf globaler als auch auf Bundesebene verknüpfen dabei bewusst ökologische und ökonomische Aspekte miteinander, um die avisierten Zielstellungen zu erreichen. Doch wie kann das Gießereigewerbe mit den knapper und teurer werdenden Ressourcen umgehen, die doch mehr denn je gebraucht werden? Wie lassen sich Fabriken und Anlagen in Abhängigkeit zur Energieverfügbarkeit intelligent steuern? Die gewonnenen Messdaten bieten bspw. optimale Voraussetzungen große Schwankungen im Schmelzprozess frühzeitig zu erkennen und zu vermeiden. Darüber hinaus bietet sich die Möglichkeit Produktionsabläufe intelligenter mit den Energieverbräuchen zu verknüpfen. Unter Beachtung aller technischen Restriktionen und der Erfüllung des Kundenbedarfs, können Gießereien ihre Produktion an die Energiepreisschwankungen anpassen und so ihre Energiekosten reduzieren und die Produktion nachhaltig gestalten. Derart abgesichert lässt sich die Produktion in Bezug auf Durchlaufzeit, Qualität und Kosten optimieren. Mit dieser Vorgehensweise kann aber ebenso ein Nutzen für den Kunden verbunden sein.

Zusammenfassung

Es gilt intelligente und kreative Antworten auf die großen Herausforderungen im Zusammenhang mit Industrie 4.0 zu finden. Hierzu stehen zahlreiche digitale Werkzeuge und innovative Technologien zur Produktivitätssteigerung zur Verfügung. Diese Chance in vollem Umfang zu nutzen, heißt für die Gießereiindustrie, den sehr komplexen Vorgang des Gießens und dessen Abhängigkeiten digital abzubilden. Doch der dafür notwendige Strukturwandel muss nicht abrupt erfolgen. Vielmehr gilt es, den Wandel in der Produktion für alle Beteiligten nachvollziehbar und in greifbaren Einzelschritten zu gestalten. Das langfristige Ziel, die Ausschussquote und damit die Produktionskosten nachhaltig zu senken, kann auch durch die Summe von Einzelmaßnahmen und deren Erfolge erreicht werden. Dazu ist ein Mindestmaß an Automatisierung in der Prozessüberwachung und -steuerung erforderlich. Einflussfaktoren und -parameter, welche aktuell durch empirisches Wissen von erfahrenen Mitarbeitern abgesichert werden, können zukünftig durch intelligente Assistenzsysteme erfasst und beeinflusst werden. Hierbei werden große Datenmengen gesammelt, welche zur Optimierung der Produktion und der Auslastung der Produktionsanlagen zielführend weiterverarbeitet werden können. Die technologische Hürde liegt in der durchgängigen Vernetzung der einzelnen Produktionsanlagen und Assistenzsysteme. Über die Simulation von Regelkreisen kann der aktuelle IST-Stand der vernetzten Produktion abgebildet und automatisiert beeinflussbare Prozessgrößen angepasst werden. Derart abgesichert lässt sich die Produktion in Bezug auf Durchlaufzeit, Qualität und Kosten optimieren. Dies zeigt eindeutig, dass deutsche Gießereien auch zukünftig im internationalen Wettbewerb bestehen können, wenn sie das volle Potential von Industrie 4.0 ausschöpfen.

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