Produktion der Zukunft: Wie Digitalisierung und KI die Industrie verändern

„Industrie 4.0 verspricht eine komplett vernetzte Produktion. Maschinen sind untereinander verbunden, Informationen werden weitergegeben und können lückenlos rückverfolgt werden“, erklärt Filipp Pühringer.

Der entscheidende Punkt: Die komplette Vernetzung ermöglicht eine umfassende Datensammlung. Und diese ist wiederum die Basis für die Erstellung von digitalen Zwillingen. Sie bilden die reale Produktion und Maschinen auf Basis von historischen Daten virtuell nach. Dadurch lässt sich das Verhalten der Gesamtanlage beschreiben.   

Effizienter, nachhaltiger und kostengünstiger produzieren

Digitale Zwillinge können zudem mit aktuellen Messwerten aus der Anlage kombiniert werden. So lassen sich Vorhersagen treffen oder „Was-wäre-wenn“-Szenarien simulieren. In diesen virtuellen Versuchen können dann unzählige Optimierungsansätze durchgespielt werden, das System findet dabei automatisch und beinahe in Echtzeit die beste Lösung.

Machine Learning wird in dem Zusammenhang eine große Rolle spielen: Dabei verarbeitet das System Eingangs- und Zieldaten, erkennt Zusammenhänge und passt Parameter selbstständig so an, dass die Ergebnisse schrittweise optimiert werden.

Bis dahin ist es laut Filipp Pühringer jedoch noch ein weiter Weg: „Wir müssen den Einsatz von Machine Learning sorgfältig abwägen, weil damit auch viele Risiken verbunden sind. Für wienerberger ist deshalb der Human-in-the-Loop enorm wichtig: Der Mensch behält die Kontrolle über das System und greift ein, um die Qualität und Sicherheit unserer Produkte zu gewährleisten.“ 

Mit digitalen Zwillingen wird die Produktion präzise planbar, Ressourcen können effizient eingesetzt und Fehler reduziert werden. Das Ergebnis: optimaler Ressourceneinsatz, weniger Verschwendung, geringere Stillstandszeiten und weniger Ausschuss. Der optimierte Einsatz von Ressourcen und Energie wirkt sich zudem positiv auf die Umweltbilanz und letztlich auch auf die Kosten aus.

Vernetzung über die gesamte Wertschöpfungskette

Das Potenzial digitaler Zwillinge geht jedoch weit über die Produktionsoptimierung hinaus – es betrifft die gesamte Wertschöpfungskette. „Vom Vertrieb bis zur Logistik bauen viele Prozesse auf den Daten aus der Produktion auf und umgekehrt. Schon heute sind viele Schritte, aber bei weitem nicht alle automatisiert“, sagt Filipp Pühringer.

Mit der kompletten Vernetzung können Verkaufsprognosen aus dem Vertrieb in Zukunft automatisch in die Produktionsplanung einfließen. Diese generiert daraufhin präzise Fertigungspläne und steuert, welche Maschine wann und in welcher Reihenfolge die jeweiligen Produkte herstellt. Durch die optimale Planung der Produktionsreihenfolge können etwa Rüstzeiten reduziert oder Abwärme effizient genutzt werden.

Digitale Zwillinge bei wienerberger

Digitale Zwillinge zählen zu den am schnellsten wachsenden Konzepten der Industrie 4.0. Wienerberger setzte bereits 2020 einen ersten digitalen Zwilling in der Produktion ein und entwickelt diese Technologie seither konsequent weiter. Inzwischen werden täglich mehrere Millionen Datenpunkte in einer zentralen Datenbank erfasst und ausgewertet. „Technologisch haben wir schon heute alle Möglichkeiten. Für die Umsetzung braucht es jedoch viele kleine Entwicklungsschritte“, erklärt Filipp Pühringer.

Herausforderungen auf dem Weg zur vernetzten Produktion

Damit spricht er eine der zentralen Herausforderungen an: die Integration und Konsolidierung großer Datenmengen aus unterschiedlichsten Quellen. Diese müssen nicht nur sinnvoll zusammengeführt, sondern auch in eine zuverlässige und skalierbare Infrastruktur eingebettet werden. Damit wächst der Druck, Daten verantwortungsvoll zu managen. Zugleich wird deutlich, wie wichtig es ist, Abhängigkeiten von Rechenzentren zu verringern und digitale Souveränität durch eigene Cloud-Strukturen zu sichern. 

Hinzu kommen weitere Herausforderungen rund um Cybersecurity. Dabei geht es beispielsweise um die Abwehr von Ransomware – also Schadsoftware, die Systeme lahmlegen oder Daten verschlüsseln kann - oder von gezielten Angriffen, mit denen versucht wird, die Steuerung von Anlagen zu übernehmen. 

Einst ein Experiment, ist der 3D-Druck als Schlüsseltechnologie in der Fabrik der Zukunft nicht wegzudenken. Vor allem, wenn es um die Umsetzung komplexer technischer Anforderungen mit einer „Fertigungslosgröße 1“, also um individuelle, maßgeschneiderte Produkte geht, ist die additive Fertigung eine effiziente Alternative zu manuellen Fertigungsmethoden.

Eine spezielle Software leitet ein optimales Fertigungsprogramm ausgehend von einer 3D-Bauteilzeichnung ab, der 3D-Drucker produziert das Modell 1 zu 1, ohne aufwendiges, fehleranfälliges Zuschneiden, Schweißen oder Anpassen. So können maßgeschneiderte Lösungen in kürzester Zeit realisiert werden.

Ein weiterer großer Vorteil des 3D-Drucks liegt in der Gestaltungsfreiheit: Er ermöglicht Formen und Konstruktionen, die mit herkömmlichen Verfahren kaum oder gar nicht umsetzbar sind. Die wienerberger Lösungsmarke Pipelife schöpft dieses Potenzial bereits voll aus und bietet mehr als 400 Billiarden Anpassungsmöglichkeiten für Kanalböden.

Die Lösungsmarke Semmelrock, die Betonpflastersteine, Platten und Zubehör für die Flächenbefestigung im Sortiment hat, nutzt wienerberger den 3D-Druck für die Produktentwicklung sowie für Funktions- und Designtests vor der Markteinführung. „3D hat unseren Entwicklungsprozess und die interne Kommunikation mit anderen Abteilungen und Ländern vereinfacht. Die Prototypen erleichtern die Abstimmung von Design, Produktmerkmalen und Funktionen mit den Kunden erheblich“, erzählt Filipp Pühringer.

Die Verfügbarkeit großer Datenmengen verändert auch die Wertschöpfung. Bauchgefühl, Experimentieren und Zufall haben in der industriellen Produktion keinen Platz. Entscheidungen werden auf Basis von qualitativ hochwertigen Daten getroffen, die intelligent verknüpft und mit KI ausgewertet werden.

Diese datengetriebene Wertschöpfung setzt Data Literacy voraus. Darunter versteht man die Fähigkeit, Daten richtig zu interpretieren und sinnvoll zu nutzen, um daraus korrekte Schlüsse zu ziehen und fundierte Entscheidungen abzuleiten.

Schon heute übernehmen Linear- und Knickarmroboter in der Produktion eine Vielzahl von Automatisierungsaufgaben. Für die Zukunft erwartet Filipp Pühringer einen verstärkten Einsatz humanoider Roboter. Sie sind dem Menschen nachempfunden und können von ihm lernen, Tätigkeiten zu imitieren. Fraglich ist, in welchen Branchen, Bereichen und mit welcher Ausprägung und Geschwindigkeit diese neuartigen Roboter Fuß fassen werden. Neben Herausforderungen sieht der Bereichsleiter in dieser Technologie großes Potenzial – insbesondere für die Arbeitssicherheit:

„In der Produktion der Zukunft werden wir Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer besser schützen können, weil wir für risikobehaftete Tätigkeiten verstärkt Roboter einsetzen. Sie werden Menschen auch zunehmend bei monotonen und repetitiven Aufgaben entlasten, was für die Aspekte der mentalen und körperlichen Gesundheit wesentlich ist. Die Kosten-Nutzen-Risiko-Abwägung wird dabei immer im Vordergrund stehen“, erklärt er.

Die Rolle des Menschen wird sich dabei vom Ausführenden hin zum Gestaltenden mit verstärkt überwachenden, steuernden und kreativen Aufgaben verschieben. „Es wird immer den Human-in-the-Loop geben.“

Dabei gewinnen breitere Qualifikationen und insbesondere Data Literacy – also der kompetente Umgang mit Daten – zunehmend an Bedeutung. „Berufsbilder sind seit jeher im Wandel. Niemand würde heute Ziegel wie vor 150 Jahren produzieren wollen. Gleichzeitig müssen wir uns bewusst sein, dass die Transformation heute deutlich schneller verläuft als bei früheren Innovationswellen“, sagt Filipp Pühringer.

Neben den technologischen und organisatorischen Veränderungen verändern sich auch die Erwartungen der Kunden. „Wir müssen uns darauf einstellen, dass in Zukunft Lösungen, die Bedürfnisse decken, in den Augen unserer Kunden wichtiger sein werden als der bloße Besitz“, betont der Leiter des Fachbereichs Industry 4.0 bei wienerberger. Das bedeutet mieten oder leasen statt kaufen. Parallelen lassen sich beispielsweise aus der Automobilindustrie ableiten.

Diese Entwicklung eröffnet spannende Chancen für innovative Geschäftsmodelle: Im Sinne der Zirkularität müssen sich Produktionsunternehmen überlegen, wie sie ihre Produkte künftig mehrfach nutzbar machen, aufbereiten oder für neue Zwecke einsetzen können.