Handbuch Industrie 4.0

Der Wirtschaftsstandort Deutschland ist bislang vorrangig auf die Produktion von Gütern ausgerichtet: Kraftwagen und Kraftwagenteile, Maschinen, Datenverarbeitungsgeräte sowie elektronische und optische Erzeugnisse stellten wertmäßig die Hälfte der Gesamtausfuhren des Jahres 2013 dar (DeStatis 2015). Die fortschreitende Globalisierung führt zu einer verstärkten internationalen Wettbewerbsintensität bei sich schneller ändernden Produkten und einem wachsendem Differenzierungsdruck (Ng et al. 2012; Fischer et al. 2010; Spath und Demuß 2006). Industrielle Dienstleistungen stellen vor diesem Hintergrund eine Möglichkeit dar, die technische Leistungsfähigkeit von Produkten zu erweitern und zeitgleich die Abgrenzung und Differenzierung von Wettbewerbern auf internationalen Märkten zu realisieren (Schuh et al. 2004; Völker 2012; Meyer und Böttcher 2012). Produkte werden durch industrielle Dienstleistungen zu umfassenden und spezifischen Lösungen erweitert, die über die Kerneigenschaften der Produkte hinausgehen und Probleme der Nutzer und Kunden als integriertes System lösen (Schuh/Gudergan 2009; Olivia/Kallenberg 2003). Sach- und Dienstleistungen werden nach (Belz 1991) als Leistungssysteme beschrieben, die ausgewählte Kundenprobleme nicht als einzelnes Produkt oder einzelne Dienstleistung, sondern umfassend und wirtschaftlich als Kombination aus Leistungsbestandteilen lösen (Belz et al. 1997; Grönroos 2006).

In diesem Kapitel werden die Auswirkungen und Potenziale der Industrie 4.0 im Hinblick auf die Produktionsplanung und -steuerung (PPS) betrachtet. Dazu erfolgt zunächst eine kurze Einführung in die PPS (Kapitel 2.1), bevor anschließend die zunehmende Datentransparenz (Kapitel 2.2) sowie die zu erwartenden Veränderungen bezüglich einzelner Aufgaben der PPS (Kapitel 2.3) beschrieben werden. Abschließend werden hinsichtlich der PPS verbreitete Annahmen und die Grenzen des Einflusses von Industrie 4.0 auf die PPS diskutiert (Kapitel 2.4).

Trotz der zahlreichen technologischen Entwicklungen im Kontext von Industrie 4.0 sind sich Produktionsexperten weitestgehend einig darüber, dass auch der Mensch eine zentrale Rolle in der Produktion von Morgen einnehmen wird. Um aufzuzeigen, welche Rolle dies sein kann, wird in diesem Beitrag zunächst die Bedeutung von Industrie 4.0 für den Menschen in der Produktion beleuchtet und auf grundlegende Veränderungen sowie Potenziale und Gefahren aufmerksam gemacht (Kapitel 3.1). Um die Gestaltung und Bewertung von zukünftigen Arbeitssituationen in der Industrie 4.0 systematisch unter produktionsplanerischen sowie ergonomischen Aspekten analysieren und vornehmen zu können, werden zudem grundlegende Konzepte und Modelle vorgestellt (Kapitel 3.2). Darauf aufbauend werden in den Kapiteln 3.3 bis 3.6 Lösungsansätze und Handlungsempfehlungen aufgezeigt.

Industrie 4.0 in der Produktion ermöglicht nicht nur neue Geschäftsmodelle und dezentrale Produktionsplanungen, es fallen auch immer mehr Daten durch die vernetzten Maschinen und Geräte an. Zur Speicherung, Verwaltung und Bearbeitung sind moderne IT-Werkzeuge verfügbar. Um die Werkzeuge flexibel auf den Bedarf anwenden zu können, werden diese als Dienste in der Cloud angeboten. Weiter können aus diesen Daten durch Big Data-Algorithmen Informationen extrahiert und zu wertvollem Wissen für Unternehmen und Gesellschaft verknüpft werden. Um die vielfältigen Datenquellen mit den Hochleistungsalgorithmen der Cloud zu vernetzen, werden klassische und moderne Kommunikationsmittel kombiniert.

Industrie 4.0 beschreibt die Herausforderungen und Chancen, die mit der digitalen Transformation im Bereich der produzierenden Industrie und Automatisierungsindustrie einhergehen. Laut der Begriffsdefinition aus der Acatech-Studie (Kagermann et al. 2013) zu Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 vom April 2013 „fokussiert Industrie 4.0 auf die Produktion intelligenter Produkte, Verfahren und Prozesse” als Bestandteil der Entwicklung hin zu Internet of Things (IoT) und Services. Die Plattform Industrie 4.0¹ hat diese Begriffsdefinition wie folgt ergänzt: „Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend individualisierten Kundenwünschen und erstreckt sich von der Idee über den Auftrag, die Entwicklung und Fertigung sowie die Auslieferung eines Produkts an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen. Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit, aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten. Durch die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen entstehen dynamische, echtzeitoptimierte und selbstorganisierende unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie beispielsweise Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.”

Mit der dritten Industriellen Revolution hielten informationstechnische (IT)-Systeme Einzug in Unternehmen, um die Geschäftsprozesse in einem zunehmend komplexeren Umfeld zu automatisieren und die steigenden Datenmengen zu bewältigen. Durch die zunehmende Digitalisierung (Industrie 4.0) steigt die Bedeutung dieser Systeme weiter an. In diesem Kapitel werden zunächst die wichtigsten Systeme zur Unterstützung der Geschäftsprozesse vorgestellt (Kapitel 6.1.1) und daran anschließend die durch Industrie 4.0 hervorgerufenen Trends beschrieben (Kapitel 6.1.2).

Die Industriestruktur befindet sich in einem ständigen Wandel, aus dem sich kontinuierlich wachsende Herausforderungen entwickeln. Besonders ist dieser Trend in der Automobilindustrie zu erkennen, der sich hier vor allem durch eine ausgeprägte Wertschöpfungsstrategie hervorhebt (Dombrowski 2015). Die immer kürzer werdenden Innovationszyklen und die damit verbundene sinkende Produktlebenszeit führen zu erhöhtem Entwicklungs- und Planungsaufwand, der in kürzester Zeit bewältigt werden muss. Hieraus resultieren kurze Fabrik- und Produktionsanlagennutzungszeiten und Forderungen nach schnellen, stabilen und steilen Produktionsanläufen sowie wandlungsfähigen Fertigungs- und Gebäudestrukturen inklusive der Material- und Informationsflüsse und des zugehörigen Layouts.

Der zunehmende Einsatz Cyber-physischer Systeme (CPS) stellt die Akteure in der produzierenden Industrie vor neue Herausforderungen. Man mag darüber streiten, ob es sich um ähnlich radikale Umwälzungsprozesse handelt wie jene, die durch frühere industrielle Revolutionen hervorgerufen wurden. Jedenfalls besteht ein enormer Gestaltungsbedarf. Dieser bezieht sich zunächst auf technische Systeme und Verfahren, sodann auf innerbetriebliche Abläufe und schließlich auf betriebsübergreifende Wertschöpfungsketten und -netzwerke.

Für die Transformation bestehender Produktionsumgebungen hin zu Industrie 4.0-Umgebungen bedarf es Methoden und Vorgehensmodelle, welche den Anwender anleiten und die Komplexität und Risiken minimieren. Kapitel 9.1 zeigt exemplarisch, wie sich Reifegradmodelle einsetzen lassen, um Handlungsbedarfe für die Transformation zu identifizieren. Der anschließend in Kapitel 9.2 beschriebene MCM-Prozess als Kernbestandteil eines Manufacturing Change Managements – also eines Änderungsmanagements für die Produktion – knüpft an diese Handlungsbedarfe an und unterstützt die prozessbasierte Identifikation, Analyse, Planung und Umsetzung von Änderungen in der Produktion. Je nach Änderungsumfang werden einzelne Änderungen dabei im Rahmen des MCM-Prozesses als eigenständige Projekte umgesetzt. Bei Änderungsprojekten zu Industrie 4.0- und Cyber-physischen Produktionsanlagen (CPPA) ist die Erstellung von Anforderungskatalogen bzw. Lastenheften für eine klare Auftragsdefinition äußerst relevant, um Missverständnisse bei der Realisierung solcher komplexen Systeme zu vermeiden. Kapitel 9.3 stellt hierzu ein auf die Besonderheiten von Cyber-physischen Systemen (CPS) angepasstes Vorgehen zur Erstellung von Lastenheften vor. Darüber hinaus bietet die in Kapitel 9.4 abschließend vorgestellte Entwicklungsmethodik für CPPA eine umfassende Hilfestellung bei der für diese Änderungen häufig erforderlichen disziplinübergreifenden Entwicklung von dezentralen, modularen Anlagen. Dieses Kapitel versetzt Anwender somit in die Lage, von der Identifikation der Entwicklungspotenziale über das Management von Produktionsänderungen in der digitalisierten Produktion bis hin zur konkreten Änderungsrealisierung methodisch und zielgerichtet vorzugehen und so die Transformation vom individuellen Status Quo hin zu einer Industrie 4.0-Produktion zu bewältigen. Bild 9.1 visualisiert die Struktur des Kapitels.

Dieses Kapitel befasst sich mit der Einbindung von Kunden in den Innovationsprozess zur Entwicklung neuer Produkte und Dienstleistungen in Zeiten einer zunehmenden Digitalisierung. Der erste Teil erläutert Notwendigkeit und Chancen der Kundeneinbindung (Kapitel 10.1), gefolgt von der Darstellung einer allgemeinen Herangehensweise bei der Öffnung des Innovationsprozesses durch Open Innovation bzw. Co-Creation (Kapitel 10.2). Danach wird die Einbindung von externen Akteuren in den Innovationsprozess anhand konkreter Methoden aufgezeigt (Kapitel 10.3). Der zweite Teil stellt zunächst den aktuellen Stand von Mass Customization und kundeninnovierten Produkten in Produktentwicklung und Produktion vor (Kapitel 10.4). Anschließend werden die Herausforderungen agiler Entwicklungsprozesse (Kapitel 10.5) und relevante Produktarchitekturen (Kapitel 10.6) aufgezeigt sowie Ansätze beschrieben, wie Kunden in Zukunft individualisierte Produkte realisieren können. Abschließend wird das Thema aus wirtschaftlicher Sicht hinsichtlich der Kostenbeurteilung der individualisierten Produkte und der Notwendigkeit und Chancen der Einbindung der Kunden und anderer externer Gruppen in den Prozess diskutiert.

Für die produzierende Industrie insbesondere in Deutschland nimmt die Relevanz von Energieeffizienz laufend zu. Bild 11.1 zeigt die Treiber für Nachhaltigkeit in der Produktion (Fichter 2005): Neben regulativen Faktoren, z. B. Gesetze bzw. Vorschriften (Regulative Push) oder auch Förderprogramme (Regulative Pull), sind gesellschaftliche Erwartungen (Society Push) sowie intrinsische unternehmerische Überzeugungen (Vision Pull) zu unterscheiden. Weitere Treiber sind die zunehmende Verfügbarkeit effizienterer Technologien (Technology Push) sowie marktinduzierte Herausforderungen (Market Pull) wie z. B. steigender Kostendruck oder entsprechende Kundenerwartungen.

Durch die Entwicklungen, die unter den Begriff Industrie 4.0 gestellt werden, erfährt das Werkstück einen Paradigmenwandel, der über den Fertigungsprozess hinausgeht und ebenso die Nutzungsphase mit einbezieht. Der Paradigmenwandel definiert sich durch die Entwicklung des Werkstücks von einem passiven hin zu einem aktiven und kommunizierenden Objekt. Dafür sind die Fähigkeiten des Aufnehmens und Kommunizierens von Daten und das Treffen von Entscheidungen notwendig. Die aktuellen Entwicklungen eröffnen große Potentiale hinsichtlich einer Flexibilisierung der Fertigung, einer Verkürzung der Durchlaufzeiten und einer effektiveren Qualitätsüberwachung.

Aufgrund der Globalisierung und des damit steigenden internationalen Wettbewerbs sieht sich die Produktionstechnik immer neuen Herausforderungen gegenübergestellt. Zu diesen zählen

Die Metallwarenindustrie bildet in Deutschland mit einem Jahresumsatz von etwa 100 Milliarden Euro und mit rund 650 000 Beschäftigten einen wichtigen Wirtschaftszweig (Statistisches Bundesamt 2016). Je nach Art des Erzeugnisses findet die Herstellung im industriellen Rahmen heutzutage typischerweise auf Produktionsmaschinen statt, welche sich vor allem bezüglich der umgesetzten Fertigungsverfahren, der Kapazität, der Komplexität und des Automatisierungsgrads unterscheiden. Während komplexe und hochspezialisierte und/oder -automatisierte Produktionsanlagen, etwa Fertigungsstraßen, meist zur Großserienfertigung eingesetzt werden und in der Regel nicht für jedes Bauteil neu programmiert werden müssen, kann insbesondere für den Bereich der Werkzeugmaschinen eine weitaus höhere Bauteilvarianz vorliegen, welche auch einen höheren Planungsaufwand bedeutet. Ein wesentliches IKT-Systeme¹ durchgängig horizontal und vertikal miteinander vernetzt werden und die Systemintelligenz gesteigert wird.

In verfahrenstechnischen Prozessen werden aus Rohstoffen Grundstoffe hergestellt, die in Verarbeitungsanlagen zu Endprodukten mit geometrisch definierter Form und anderen festgelegten Eigenschaften weiterverarbeitet, ggf. zusammengefügt und verpackt werden müssen, um dem Kunden als Konsumgüter angeboten werden zu können. Verarbeitungsanlagen sind also an der Schnittstelle zwischen den verfahrenstechnischen Prozessen der Stoffwandlung und den Stückgutprozessen ähnlich einer Fließfertigung angesiedelt (Bild 4.1).

In diesem Kapitel wird vorgestellt, wie Transfersysteme durch den Einsatz von Methoden und Technologien, die im Kontext von Industrie 4.0 an Bedeutung gewinnen, einen Beitrag zur Gestaltung flexibler, wandlungsfähiger und effizienter Produktionssysteme leisten können. Hierzu wird ein Fokus auf die (konstruktive) Gestaltung von Transfersystemen, die Funktionsintegration zur Parallelisierung von Prozessen und die digitale Vernetzung von Prozessen und Fertigungseinrichtungen gelegt. Bei den Transfereinrichtungen kommt den robotergeführten Systemen aufgrund ihrer Universalität eine besondere Bedeutung zu.

Die Rolle der Logistik in der Industrie 4.0 ist so vielfältig und bedeutsam wie die Logistik selbst. Dabei werden die Aufgaben der Logistik auch im vierten industriellen Zeitalter, also die Aufgaben der Logistik 4.0, grundlegend dieselben bleiben. So wird die Logistik stets eine wichtige Schnittstellenfunktion darstellen, die für die Verfügbarkeit des richtigen Gutes in der richtigen Menge, im richtigen Zustand, am richtigen Ort, zur richtigen Zeit, für den richtigen Kunden, zu den richtigen Kosten und zur richtigen Qualität verantwortlich ist. Der Fokus der Logistik 4.0 liegt daher im Einsatz neuer und innovativer Technologien. Schließlich können hierdurch verschiedene logistische Kennzahlen, wie z. B. Lieferzuverlässigkeit, -qualität, -flexibilität, -fähigkeit und Servicegrad, weiter optimiert werden. Für die Logistik 4.0 müssen in der Folge neue Konzepte für die Planung, Steuerung, Realisierung und Kontrolle von Material- und Informationsflüssen erstellt und umgesetzt werden. In diesem Kontext gilt es, alle Ebenen der Unternehmenslogistik (Bild 6.1) zu betrachten und geeignete Technologien für Optimierungen zu identifizieren. Lösungen für die Logistik 4.0 adressieren dabei nicht nur innerbetriebliche Prozesse, sondern gleichermaßen auch überbetriebliche. Beispielsweise erfordern die immer komplexer und globaler werdenden Wertschöpfungsketten und -netzwerke neue Ansätze im Supply Chain Management, um die effizientere Koordination der Material- und Informationsflüsse von Rohstofflieferanten bis zum Kunden zu ermöglichen.

In Anbetracht der gegenwärtigen Trends und Herausforderungen, denen sich das produzierende Gewerbe zu stellen hat, kommt der Montage als letzter Stufe des Herstellungsprozesses eine zentrale Rolle zu. Die Montage wird von einer Vielzahl an Faktoren aus dem gesamten Wertschöpfungsprozess beeinflusst. Steigende Variantenvielfalt und unvorhersehbare Produktlebenszyklen verlangen nach einem bisher unbekannten Grad an Flexibilität und Veränderungsfähigkeit, um den Anforderungen des Marktes gerecht zu werden (Abele 2011). Es besteht der Bedarf, Montageanlagen schneller zu planen, aufwandsarm an veränderte Rahmenbedingungen anzupassen sowie mit minimalem Aufwand in Betrieb zu nehmen (Hedelind/Jackson 2007; Koren et al. 1999; Reinhart 2000). Im Kontext der vierten industriellen Revolution ergeben sich vielfältige neue Ansätze, die alle die Nutzung digitaler Modelle sowohl der zu montierenden Produkte als auch der Montageanlage mitsamt ihrer Betriebsmittel gemeinsam haben. Durch eine intelligente Vernetzung und die Aggregation von Produkt- und Anlagendaten sowie deren automatisierte Analyse ergeben sich vielfältige Lösungsansätze zur Erhöhung des Automatisierungsgrades in unterschiedlichen Phasen der Montage. Dieses Kapitel betrachtet die Montageplanung, die Integration, Parametrierung und Programmierung von Betriebsmitteln in Montageanlagen sowie die automatisierte Auslegung von Hardware am Beispiel von Zuführsystemen.

Unser Alltag wird zunehmend durch intelligente und vernetzte Systeme durchdrungen. Was mit der Vernetzung von Großrechnern im Jahr 1969 begann, wird bald nahezu alle Alltagsgegenstände im Internet der Dinge und Dienste erfassen. Durch die Vernetzung werden bestehende Medienbrüche behoben und ein durchgängiger, automatisierter Informationsaustausch zwischen Menschen, Objekten und Diensten möglich. In unzähligen Anwendungsdomänen wie Heim, Handel, Verkehr und Medizin ergeben sich daraus neue Möglichkeiten zur Automatisierung von Geschäfts- und Alltagsprozessen.

Anhand von vier sehr unterschiedlichen Anwendungsbeispielen aus der industriellen Praxis wird in diesem Kapitel auf Potentiale vernetzter Anlagen für die spanende Fertigung im Kontext von Industrie 4.0 eingegangen. Dabei werden zunächst die unterschiedlichen Problemstellungen und Randbedingungen erläutert, die den verschiedenen Fertigungsaufgaben zugrunde liegen. Diese reichen von einer flexiblen Kleinserienfertigung bis hin zur Massenproduktion im Automobilbau. Darauf aufbauend werden dann die umgesetzten Lösungskonzepte dargestellt, welche dem aktuellen Umsetzungsgrad Industrie 4.0 in den Unternehmen entsprechen. Hierbei wird deutlich, dass der Vernetzungsgrad je nach Problemstellung unterschiedlich ausgeprägt sein kann.

Die Lernfabrik Globale Produktion am Institut für Produktionstechnik (wbk) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist eine innovative Lehr-, Schulungs-, Forschungs- und Demonstrationsplattform. Neben der Lehre und Weiterbildung dient sie als wissenschaftliche Forschungs- und Demonstrationsplattform, um innovative Technologien und Konzepte im Themenfeld der globalen Produktion zu erforschen und ihre Anwendung unter praxisnahen Bedingungen zu demonstrieren. Hierfür wird das Montagesystem eines Elektromotors durch den Einsatz realer Montagestationen und Steuerelemente abgebildet (Lanza 2015).

Verarbeitungssysteme dienen der Herstellung von Zwischenprodukten oder verkaufsfähigen Endprodukten der Konsumgüterindustrie. Beispiele sind Maschinen zur Verarbeitung von Papier, Kunststoff oder Textilien sowie auch Verpackungsmaschinen, insbesondere für Lebensmittel. Auch die Verarbeitung von Lebensmitteln gehört zu diesem Teilgebiet der gesamten industriellen Produktionstechnik. Sie realisieren dabei stoffformende, formändernde und formabhängige Prozesse sowie zugehörige Ort- und Lageveränderungen (Majschak 2014). Auch vor den Verarbeitungssystemen und Verarbeitungsmaschinen macht Industrie 4.0 nicht halt. Im Gegenteil, höhere Qualität durch Sensornetzwerke und Datenanalysen, höhere Flexibilität durch Vernetzbarkeit und Assistenzsysteme wie Roboter sowie bessere Planbarkeit durch digitale Schatten und digitale Zwillinge werden erwartet. In diesem Kapitel werden drei Beispiele vorgestellt: Die flexibel automatisierte Zubereitung von Menüs für Betriebsrestaurants unter Einbeziehung des transienten Produktverhaltens, die sensor- und simulationsbasierte Feinzerlegung von Fleisch zur Verbesserung von Qualität und Effizienz sowie die Kognitive Regelung von Hochleistungsdruckmaschinen zur Verbesserung der Qualität und zur Senkung des Ausschusses.

Nach einer Prognose des Airbus-Konzerns wird die Zahl der Fluggäste von 2012 bis 2031 jährlich um 4,7 % steigen. Das entspricht einer Verdoppelung des Luftverkehrs innerhalb von 20 Jahren (BMWi 2014). In einer Marktstudie von Bombardier wird davon ausgegangen, dass vor allem der Markt für Mittelstreckenjets mit bis zu 150 Sitzplätzen stark wachsen wird. Bis 2034 sollen demnach 12 700 solcher Maschinen mit einem Wert von knapp 50 Milliarden Euro verkauft werden (dpa et al. 2015b). Auf Basis der heutigen Auftragslage ist die Produktion des europäischen Flugzeugbauers Airbus rechnerisch für die nächsten neun Jahre voll ausgelastet (dpa et al. 2014). Aufgrund der hohen Zahl an Bestellungen wurde die Produktionsrate für Flugzeuge vom Typ A320 in den letzten Jahren kontinuierlich gesteigert. Lag die Produktionsrate Ende 2010 noch bei 36 Flugzeugen pro Monat, stieg sie 2014 auf 42 und für 2017 wird eine Produktionsrate von 50 Flugzeugen pro Monat angestrebt. Die Nachfrage am Markt erfordert aktuell jedoch eine Rate von 60 Flugzeugen (Reuters 2015a). Allerdings stoßen die heutigen, überwiegend manuellen Prozesse in der Fertigung von Flugzeugen zunehmend an ihre Grenzen (Reuters 2015b). In diesem Zusammenhang sagte der damalige Chief Operating Officer (COO) von Airbus im Rahmen der Messe ILA 2014: „Zur Erreichung unserer künftigen Produktionsraten, aber auch zur Absicherung unserer Produktivitätsziele und zur Verbesserung der Ergonomie diskutieren wir intensiv weitere Möglichkeiten zur Automatisierung.” (Hartbrich 2014). Auch der amerikanische Flugzeugbauer Boeing hat im Geschäftsjahr 2014 neue Rekorde hinsichtlich Auslieferung und Gewinn erreicht. So lag der Gewinn 2014 mit 5.5 Milliarden US-Dollar 19 % über dem Wert von 2013. Die Auslieferungen sind im Jahr 2014 auf 723 Flugzeuge gestiegen und sollen 2015 auf 750 bis 755 Maschinen erhöht werden (dpa 2015a).

Das Internet der Dinge und Dienste verändert unser tägliches Leben in allen Bereichen: Zuhause sorgen vernetzte Haushaltsgeräte, Informations- und Kommunikationssysteme, Sensoren und Heizungsanlagen für komfortables, sicheres und energieeffizientes Wohnen. Wenn wir wollen, tragen wir leistungsfähige Smartphones, intelligente Uhren sowie vernetzte Geräte am und gegebenenfalls sogar im Körper. Im Verkehr kommunizieren Fahrzeuge mit zentralen Informationssystemen, mit Werkstätten und untereinander, u. a. um Zuverlässigkeit zu erhöhen, Kraftstoffverbrauch zu minimieren und Sicherheit zu steigern. Beim Einkaufen zeigen uns digitale Anzeigen den aktuellen Preis der Waren und in naher Zukunft liefern autonom fahrende oder fliegende Roboter Waren oder Lebensmittel nach Hause, die wir online über das Internet bestellt haben. Zusätzlich setzen auf diesen gerätetechnischen Neuerungen völlig neue Dienstleistungen auf, die durch ihre dynamische Veränderungsgeschwindigkeit, ungekannten Kundennutzen, niedrigste Kosten und geringsten Kapitalbedarf sowie unermessliche Wissensgenerierung die alte Industrie in arge Bedrängnis bringen.

Der Begriff Industrie 4.0 steht für eine fundamentale Neuauslegung der Wertschöpfung auf Grundlage umfassend digitalisierter, vernetzter Produktionssysteme, bestehend aus modularen kommunikationsfähigen Fabrikobjekten. Dazu gehören neben dem Produkt u. a. auch Werkzeug, Feldgerät, Produktionsmodul und Anlage. Die unter Industrie 4.0 postulierten technologischen Paradigmen versprechen die neuaufkommenden Anforderungen an eine flexible und wandelbare Produktion zu adressieren, die gerade im Zuge verkürzter Innovationszyklen und einer zunehmend kundenorientierten Wertschöpfung gestellt werden. Allerdings fehlen bisher Lösungsmuster für die praxisgerechte Entwicklung und Einführung neuartiger Produktionsanlagen, die erstmalig in der Lage sind, das Potenzial der mechatronischen Wandelbarkeit und umfassenden Vernetzung voll auszuschöpfen (Weyer 2015). Mit der Zielsetzung, entsprechende Lösungsmuster zu schaffen, wurde im Rahmen der Technologie-Initiative SmartFactory^KLe.V. eine hochgradig modulare Produktionsanlage als Test- und Anschauungsobjekt konzipiert, die die Vernetzung und Wandelbarkeit heterogener Fabrikgegenstände anhand herstellerübergreifender Spezifikationen demonstriert. Sie stellt ein Anwendungsbeispiel aus der diskreten Fertigung dar und wird in diesem Kapitel näher beleuchtet.

Industrie 4.0 und Digitalisierung spielen in der Automobilindustrie bereits eine außerordentliche Rolle. Gerade die deutschen Automobilhersteller haben sich diesem Thema intensiv verschrieben und befinden sich selbst geradezu in einem Wettbewerb der schnellen Umsetzung von Industrie 4.0-Lösungen. Beispielsweise fasst Audi¹ diese Aktivitäten unter dem Titel Smart Factory zusammen, BMW² betont das Internet of Things und die Virtuelle Fabrik und Mercedes-Benz berichtet über den digitalen Wandel bei Daimler³.