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Hat Deutschland das Zeug zum Leitmarkt?

Internationaler Industrie 4.0-Benchmark – Teil 1

Hat Deutschland das Zeug zum Leitmarkt?

Der Standort Deutschland hat beste Voraussetzungen, sich zum Leitmarkt und Leitanbieter für Industrie 4.0-Technik zu entwickeln. Welche Weichen dafür zu stellen sind, erörtert eine breit angelegte Acatech-Studie. Die Ergebnisse fassen wir für Sie in einer Serie zusammen. Der Beitrag dieser Ausgabe richtet das Augenmerk auf den internationalen Stand der Dinge in Sachen Industrie 4.0.



Bild: Acatech

Industrie 4.0 eröffnet neue Perspektiven für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Doch die internationale Konkurrenz wächst. Wo steht Deutschland? Und wie sollte sich der Industriestandort weiterentwickeln? In der Untersuchung Inbenzhap hat die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften genau diese Frage erörtert. In einem Zweiteiler liefern wir die Kernergebnisse der Analyse ‚Industrie 4.0 – Internationaler Benchmark, Zukunftsoptionen und Handlungsempfehlungen für die Produktionsforschung‘. Um zu aussagekräftigen Erkenntnissen zu gelangen, haben sich die Studienautoren unter Leitung von Professor Jürgen Gausemeier, Seniorprofessor am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn, und Professor Fritz Klocke, Direktor des WZL in Aachen, zunächst einen Überblick zum internationalen Stand in Bezug auf Industrie 4.0 verschafft. Darauf aufbauend erstellte die Forschungsgruppe Zukunftsszenarien mit unterschiedlichen Auswirkungen auf den hiesigen Industriestandort. Zum Schluss formulierten die Autoren Handlungsempfehlungen, um die deutsche Wirtschaft zu dem vorteilhaftesten aller Zukunftsszenarien zu navigieren. Der erste Teil unserer Serie ist dem internationalen Stand bei der Digitalisierung des produzierenden Gewerbes gewidmet.

Zielbild für die Zukunft

Auf Basis dieser Standortbestimmung Deutschlands im internationalen Vergleich und einer Analyse heute wahrnehmbarer sowie vorausgedachter Entwicklungen von Märkten und Geschäftsumfeldern ergibt sich ein Zielbild für Deutschlands digital vernetzte Zukunft. Um dorthin zu gelangen, wurden rund 150 Interviews mit maßgebenden Persönlichkeiten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik sowie weiteren Stakeholdern geführt, und zwar in Deutschland, den USA, Brasilien, China (inklusive Taiwan), Japan, Singapur und Südkorea.

Was ist Industrie 4.0?

Unter Industrie 4.0 verstehen die Studienautoren die Fähigkeit der Ad-hoc-Vernetzung von intelligenten Maschinen, Betriebsmitteln, Produkten und Werkstücken sowie Lager- und Transportsystemen via Internet zu leistungsfähigen Wertschöpfungsnetzwerken.

Globaler Trend Vernetzung

Industrie 4.0 entwickelt sich zu einer globalen Marke. Weltweit konnten die Studienautoren eine Vielzahl einschlägiger Konzepte und Aktivitäten identifizieren, die jeweils auf die spezifischen Sichten und Schwerpunktsetzungen der Länder zugeschnitten sind. Derzeit lassen sich gemäß im globalen Handlungsfeld vier Schwerpunkte ausmachen:

Europa: Auf Basis einer starken Technologieposition liegt der Fokus europäischer Initiativen auf der Umsetzung strategischer Konzeptionen, welche die Möglichkeiten der Digitalisierung der industriellen Wertschöpfung mit den Erfordernissen einer humanzentrierten Arbeitswelt in Einklang bringen wollen. Industrie 4.0 wird als soziotechnische Herausforderung gesehen. Übergeordnetes Ziel ist in vielen Bereichen die Wiederherstellung der industriellen Wettbewerbsfähigkeit, insbesondere als Produktionsstandort, sowie die Schaffung und der Erhalt von Arbeitsplätzen, um den Folgen der Finanz- und Wirtschaftskrise entgegenzusteuern. Beispiele für entsprechende europäische Initiativen sind die deutsche Hightech-Strategie oder die französische La Nouvelle France Industrielle. Insbesondere in Deutschland soll die Technologieführerschaft in der Produktion den Weg zum Leitanbieter im Bereich intelligenter Produktionssysteme ebnen. Einerseits gilt es, das derzeitige Alleinstellungsmerkmal ‘Produktionstechnologie’ auch im Zuge der digitalen Transformation zu erhalten. Andererseits ist Deutschland bestrebt, sich zu einem wettbewerbsfähigen Anbieter neuer Geschäftsmodelle in der produzierenden Industrie zu entwickeln. Gerade die durch die Europäische Union verbundenen Nationalstaaten nutzen neben ihren eigenen Initiativen noch die supranationale Ebene, um die Weichen für die digitale Transformation zu stellen. Als Schlüsselfaktor innerhalb der EU lässt sich dabei die Integration der Kompetenzen sehen.

Wann ist das System intelligent?

Erst die Intelligenz sorgt dafür, dass vernetzte Systeme mit Produktionsmaschinen kooperieren. Den Ausgangspunkt bilden meist aktive Systeme: Sensoren erfassen den Zustand eines mechanischen Grundsystems. Daraus ermitteln IT-Systeme Stellsignale für die Aktoren, die auf das Grundsystem wirken.Von Intelligenz sprechen viele Fachleute, wenn die regelnde Informationsverarbeitung durch das drei-Schichten-Modell aus der Kognitionswissenschaft ersetzt wird. Danach enthält die unterste Schicht die Regelung. Die mittlere Schicht – die assoziative Regulierung – beinhaltet unter anderem die Konditionierung. Die oberste Schicht enthält Funktionen, die in Richtung Kognition gehen. Dazu gehören Planen, Modifizieren von Zielen und Lernen. Die Fähigkeit eines technischen Systems zur Selbstoptimierung wäre dieser Schicht zuzurechnen und somit intelligent.

Das nötige technologische Know-how ist zwar vorhanden, wird aber noch nicht ausreichend gebündelt. Die übergeordnete Strategie der Europäischen Kommission ist die ganzheitliche Integration von Produktion und Gesellschaft. Hauptziel der EU-Förderprogramme ist eine Steigerung der Produktivität und der Nachhaltigkeit. In der EU herrscht eine hohe Marktnachfrage für nachhaltige Produkte und Prozesstechnologien aufgrund der strengen Vorschriften der Europäischen Union. Ein Export der hohen Regulierungsstandards außerhalb der EU ist zu beobachten. Enge Kollaborationen bestehen in regionalen und europaweiten Clustern, die durch EU-Förderungen stark unterstützt werden. Eine sehr gute Infrastruktur, kulturelle Nähe und unterschiedliche Kompetenzen in industrieller IT und Produktion führen zu starken Unternehmenspositionen auf dem globalen Markt. Die Realisierung einer kosteneffektiven Individualisierung und Personalisierung in der Produktion wird als wichtiges Ziel erachtet.



Die Stärken auf dem Weg zum Leitmarkt für Industrie 4.0-Technik in Stichworten.
Bild: Acatech

USA: Die US-amerikanischen Aktivitäten im Hinblick auf Industrie 4.0 werden durch zwei Stoßrichtungen geprägt: Aufseiten der Wirtschaft wird der Einsatz intelligenter Technologien von pragmatisch realisierbaren Vorteilen und Kundenmehrwert getrieben. Vor allem das Silicon Valley bietet aufgrund der Kompetenzen und des vorhandenen Innovationssystems im Bereich der datengetriebenen Dienstleistungen großes Potential für radikale Innovationen. Anders als in Deutschland steht hier aber vor allem die Realisierung neuer Produkte und Services sowie innovativer Geschäftsmodelle und Nutzenversprechen an den Kunden im Fokus. Bereits verfügbare Technologien werden in der Produktion im Wesentlichen lediglich punktuell dort eingesetzt, wo etwa die Qualitätssicherung verbessert werden kann. Priorität haben nach der Wirtschaftskrise die Reindustrialisierung des Landes und der Wiederaufbau von Arbeitsplätzen. Zu diesem Zweck soll vor allem der Produktionsstandort USA wieder attraktiver gestaltet und die Konkurrenzfähigkeit der lokalen Produktion im globalen Wettbewerb wiederhergestellt werden.

Japan und Südkorea: Im Fokus von Japan und Südkorea steht der Aufbau eines neuen Geschäftsfeldes ‘Vernetzte Produktionssysteme’ für die starken lokalen Maschinenbau- und Elektronikkonzerne. Primäres Ziel ist die Vermeidung drohender Produktivitätsverluste aufgrund des schnellen und stark ausgeprägten demographischen Wandels. Die in beiden Ländern die Wirtschaft kennzeichnenden und dominierenden OEM-Konglomerate entwickeln Smart Manufacturing-Lösungen zunächst für den Einsatz im eigenen Konzern. Zur Mitnahme von Skaleneffekten wird aber eine Kommerzialisierung der Lösungen nach Erreichen der Marktreife ebenfalls angestrebt. Entsprechende öffentliche Förderprogramme – wie das zum Aufbau von mindestens 10.000 Smart Factories in Südkorea – helfen den Konglomeraten, ihre anvisierten Skaleneffekte durch flächendeckenden Einsatz ihrer Technologien zu erreichen.

China: Geschwindigkeit ist entscheidend in China. Bereits am Markt erhältliche Technologien werden pragmatisch dort eingesetzt, wo sie ersichtliche Vorteile bringen. In großem Umfang geschieht dies allerdings noch nicht, da das geringe durchschnittliche Automatisierungsniveau im Land einen flächendeckenden Einsatz derzeit noch verhindert. Das Aufschließen zum globalen Wettbewerb in Schlüsseltechnologien des Advanced Manufacturing ist aber Teil der nationalen Strategie. Übergeordnetes Ziel aller Bestrebungen in China ist der Erhalt der globalen Führungsrolle in der Produktion und der damit verbundenen Arbeitsplätze bei gleichzeitigem Anheben der Lebensstandards auf das Niveau anderer Industrieländer.

Frankreich

Frankreich konzentriert sich auf die Reindustrialisierung. Grund hierfür ist eine schrumpfende Fertigungsindustrie, trotz guter Rahmenbedingungen. Die Regierung will dem mit der Strategie La Nouvelle France Industrielle entgegenwirken. Unternehmen werden bei der Anwendung neuer Paradigmen wie Cloud Computing unterstützt. Akteure wie Dassault Systèmes haben eine führende Marktposition für das Angebot von Industrie 4.0-Systemen zum Ziel. Frankreich strebt zudem Einfluss im verbraucherorientierten Internet der Dinge an. Industrie 4.0 wird als Ansatz verstanden, der einer europäischen Kooperation bedarf. Gerade die Zusammenarbeit mit Deutschland wird explizit gefordert.

Schweden

Flexible Organisationsstrukturen, eine offene Arbeitskultur und hohe Technologieakzeptanz sowie -affinität erleichtern den Einsatz intelligenter Produktionssysteme. Verglichen mit anderen europäischen Staaten sind Bedenken bei Datensicherheit oder ‚gläserner Mitarbeiter‘ weniger ausgeprägt. Die Wirtschaft ist eine der am stärksten vernetzten weltweit. Ähnliches gilt für die Kompetenz und die Verbreitung von Automatisierungstechnik. Schweden hat Kernkompetenzen im Bereich der IKT-Industrie und kann aufgrund seiner Exportorientierung gut auf globale Marktbedürfnisse eingehen. Im Kontrast zu Software- und Komponentenanbietern fehlt es Schweden jedoch an großen Systemintegratoren.

Italien

Industrie 4.0 wird hauptsächlich von Industrieverbänden vorangetrieben. Deutschland gilt als richtungsweisend, wobei vielen KMU eine Vorstellung der deutschen Intentionen fehlt. Viele befürchten Wettbewerbsnachteile. Kompetenzen im Bereich Industrie 4.0 sind vorhanden, getrieben von der Automation. Allerdings haben fehlende Investitionen den Raum für Basistechnologieentwicklung eingeengt. Die Kollaboration zwischen Industrie und Universitäten ist nur mittelmäßig ausgeprägt, was Innovationen entgegensteht. Daher werden die regionale Zusammenarbeit und angewandte Forschungsaktivitäten von der Regierung verstärkt unterstützt und durch Industrieverbände geleitet.

Großbritannien

Großbritannien treibt die Reindustrialisierung voran, nachdem lange der Finanzsektor priorisiert wurde. Immer mehr Startups werden gegründet. Forschungscluster wie die Catapult Centres sollen industrielle Innovationen fördern. Sensor- und Datenanalysesysteme sowie effiziente Logistik- und Wertschöpfungsketten gehören zu den Stärken des Landes. Es mangelt daran, einzelne Kompetenzfelder zu ganzheitlichen Lösungen zu integrieren. Flexible und nachhaltige Produktion wird als Treiber für Industrie 4.0-Anwendungen gesehen. Kooperationen bei der Standardisierung auf europäischer Ebene werden als ‚Enabler‘ wahrgenommen. Dies könnte durch die politische Situation gefährdet oder verlangsamt werden.

Positive Effekte weltweit

Bei der Erfassung der länderspezifischen Rahmenbedingungen stießen die Autoren auf eine Reihe von marktübergreifenden Effekten bei Industrie 4.0-Initiativen. Sie konnten drei wesentliche globale Treiber und vier globale Herausforderungen identifizieren.

Nachhaltigkeit: Das Streben nach höherer Energie- und Ressourceneffizienz führt weltweit zur Einführung von Industrie 4.0-Lösungen. Die Beweggründe für nachhaltigere Produktionen unterscheiden sich deutlich im weltweiten Vergleich: Während in Deutschland bei dem Einsatz nachhaltiger Technologien mittlerweile vor allem ideologische Aspekte im Vordergrund stehen, liegt der Fokus weltweit vor allem auf Kostenersparnissen und der Vermeidung von Ressourcenengpässen. Insbesondere in Ländern mit einem bereits hohen Level an Energie- und Ressourceneffizienz kann Nachhaltigkeit als Verkaufsargument für Industrie 4.0-Lösungen gelten.

Benutzungsfreundlichkeit: Der demographische Wandel ist eine Herausforderung, der sich viele Industrienationen weltweit stellen müssen. Aspekte von Industrie 4.0 werden als Möglichkeit gesehen, die Benutzungsfreundlichkeit und Ergonomie von Arbeitsplätzen in der Industrie zu verbessern und damit auch künftig effektiv und effizient zu produzieren. Auf der anderen Seite können Anforderungen an die Qualifikation von Mitarbeitern durch digitale Unterstützung zurückgeschraubt und ein Training On-the-Job für gering- oder unqualifizierte Mitarbeiter ermöglicht werden. Insbesondere in einigen asiatischen Ländern wird dies als Treiber für den Einsatz von Industrie 4.0 gesehen. In Deutschland hingegen gilt eine bessere Benutzungsfreundlichkeit als Möglichkeit zur Erhöhung der Transparenz und zur Entscheidungsbefähigung des Werkers.

Zusammenarbeit: Der technologische Fortschritt in der vernetzten, virtuellen Kollaboration in Kombination mit innovativen Mensch-Maschine-Schnittstellen ermöglicht neue Formen der Zusammenarbeit innerhalb von Unternehmen und darüber hinaus. Daraus resultierende Innovationen werden als Treiber von Industrie 4.0 angesehen. Neue Formen der Zusammenarbeit tragen im Wesentlichen zur Steigerung der Effizienz des Overheads bei und sorgen damit für eine bessere Ausschöpfung des vorhandenen Potentials.

Weltweite Hemmnisse



Einschätzung der weltweiten Umsetzung von Industrie 4.0 nach Themen gegliedert.
Bild: Acatech

Sicherheit: Industrial Security ist weltweit ein Hemmnis für die Vernetzung von Geräten und Maschinen sowie die Einbindung in externe Netzwerke. Doch wenngleich als Herausforderung erkannt, konnten bislang weltweit noch keine umfassenden Lösungen gefunden werden. In der Konsequenz entstehen zweistufige Vernetzungsstrategien, die zunächst den Datenaustausch in einem abgeschlossenen Netz ohne Anbindung an das Internet vorsehen, zum Beispiel innerhalb einer Fabrik, und erst im zweiten Schritt die Vernetzung mit externen Partnern. Zur Bewertung dieser Risiken wird ein großer Bedarf nach einer strukturierten Risikoabschätzung gesehen.

Standards, Migration und Interoperabilität: Frei nach dem Motto ‚Better done than perfect‘ gilt bei Standardisierung, dass Geschwindigkeit Perfektion schlägt. Denn erst weltweit etablierte Standards machen eine erfolgreiche Implementierung der verschiedenen technologischen Aspekte von Industrie 4.0 möglich. Damit Investitionen in entsprechende Lösungen zukunftssicher sind, bedarf es zudem Standards, welche die Upgrade-Fähigkeit von Komponenten und Software sicherstellen. Startups und KMU können die Implementierung von Industrie 4.0 vorantreiben und zu vielfältigen Lösungen beitragen, aber erst offene, interoperable Standards öffnen ihnen den globalen Markt.

Geschäftsmodelle: Industrie 4.0 wird neue Geschäftsmodelle in der Industrie ermöglichen. Entsprechende Best Practices sind derzeit aber noch rar. Impulse für neue Geschäftsmodelle sind von Startups zu erwarten. Allerdings mangelt es noch an einem vitalen Startup-Ökosystem und Befähigern, insbesondere Plattformen und Plattformstrategien für die Produktion, wie sie im B2C-Bereich bereits anzutreffen sind.

Marke Industrie 4.0: Die hohe politische Priorisierung, ein intensives Marketing und Deutschlands weltweite Führungsposition in der Produktionstechnik haben den deutschen Begriff Industrie 4.0 mittlerweile zu einer globalen Marke werden lassen. Insbesondere die asiatischen Länder verfolgen die deutsche Initiative und ihre Fortschritte intensiv. Um nun Nutzen aus dieser Marke ziehen zu können, gilt es, ‚den Worten Taten folgen zu lassen‘. Es müssen zeitnah technische Lösungen entwickelt, Demonstratoren aufgebaut und entsprechende Produkte auf den Markt gebracht werden. Die zentrale Fragestellung wird dabei lauten: Kann Deutschland Internet? Eben hiervon muss das Ausland überzeugt werden, damit Deutschland die Marke Industrie 4.0 weiter etablieren kann.

In der kommenden Ausgabe lesen Sie, wie sich die Industrie in den nächsten Jahrzehnten entwickeln könnte. Dazu haben die Autoren vier Szenarien entwickelt, die aus Sicht der deutschen Wirtschaft nicht immer zu einem Happy End führen. Evaluiert wurde jedoch auch, über welche Stellschrauben sich am ehesten eine vorteilhafte Entwicklung herbeiführen ließe