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Produktionslayouts im Wandel

Durchbruch der Matrixproduktion?

Der Begriff Industrie 4.0 ist nun schon seit fast einem Jahrzehnt präsent. Seitdem haben viele Industrieunternehmen neue Technologien ausgerollt und Produktionslayouts sowie -prozesse überarbeitet. Was hat sich auf dem Weg zur vernetzten und digitalisierten Produktion getan und was wirkt auf diese Entwicklung?

Bild: ©pavlodargmxnet/stock.adobe.com

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Die Dynamisierung der Märkte, steigender Kosten- und Wettbewerbsdruck sowie höhere Kundenansprüche an die Produktindividualisierung haben die industrielle Fertigung in den letzten Jahren stark verändert. Für neue Prozesse der Produktionsplanung und -steuerung wird ein Teil der Verantwortung heute auch von der IT getragen. Was hat sich in der letzten Dekade geändert? Und wie sehen die Anforderungen an Produktionslayouts heute aus?

Innovativere Planung

Ein Blick auf die vergangenen zehn Jahre zeigt, dass bei vielen bestehenden Fabriken die Layouts angepasst und Neubauten innovativer geplant wurden. Das hat unterschiedliche Gründe: Der Druck durch internationale Wettbewerber ist gestiegen. Zudem waren ausländische Konkurrenten in bestimmten Bereichen nicht nur preislich überlegen, sondern auch auch in der Lage, neue Technologien schneller zur Marktreife zu bringen und zügiger auf veränderte Marktbedürfnisse zu reagieren. Daneben hat die Globalisierung zu einem erhöhten Logistikbedarf und ungeahnten Abhängigkeiten geführt. Auch die Abstimmung innerhalb der Lieferketten ist komplexer geworden. So ist Collaboration, das Arbeiten in abgestimmten Netzwerken, heute ein nicht unerheblicher Erfolgsfaktor für Industrieunternehmen. Doch nicht nur durch äußerliche Veränderungen ist Druck entstanden. Die Industrie hat auch das Aufkommen neuer Technologien genutzt, um Produktionslayouts und -prozesse anzupassen und zu optimieren.

Neue Produktionsverfahren

Ein großer Trend in der Fertigung ist die Individualisierung und die damit verbundene Variantenvielfalt von Produkten. Erreichbar sind diese Ziele oftmals nur durch Einbeziehung moderner Produktionsverfahren. Eines der prominentesten Beispiele ist das Schichtdruckverfahren. Laut einer Studie von Ernst & Young setzten 2019 bereits 63 Prozent aller deutschen Unternehmen diese Methodik ein. 2016 lag der Anteil noch bei 37 Prozent. Hintergründe für den Zuwachs sind die Vorteile, die additive Fertigungsverfahren mit sich bringen: mehr Designfreiheit, die Möglichkeit von Design-Änderungen bis kurz vor Druckstart, Kosteneffizienz bei Kleinserien und Losgröße 1, Unterstützung von Mass Customization, einfachere Umsetzung von Leichtbauteilen und kürzere Lieferketten.

Digitale Technologien

Die größten Veränderungen von Produktionslayouts sind jedoch durch die rasante Entwicklung digitaler Technologien entstanden. Dazu zählen schnelle Kommunikationstechnologien und (Cloud-)Rechenressourcen ebenso wie neue Steuerungsmöglichkeiten für die Produktion. Mit dem industriellen Internet der Dinge werden Maschinendaten in Echtzeit gesammelt, verarbeitet und ausgewertet. Dabei können die Daten nicht nur für die manuelle Überwachung genutzt werden. Oft werden die großen Datenmengen auch von Machine-Learning-Algorithmen analysiert und interpretiert, was wiederum vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) ermöglicht. Außerdem sind Unternehmen auf Basis von IIoT-Daten und KI-Algorithmen zunehmend in der Lage, ihre Produktionsprozesse zu automatisieren. Zur Automatisierung von Fabriken gehören auch Robotik und fahrerlose Transportsysteme (FTS). So sorgen FTS – auch im Zusammenspiel mit manuell bedienten Fahrzeugen mittlerweile vielerorts für eine Optimierung der Produktionslogistik. Softwareseitig wachsen Planung, Optimierung und Flottenmanagement zusammen.

Neue Produktionskonzepte

All diese Aspekte wirken sich direkt oder zumindest indirekt auf das Layout von Produktionsumgebungen aus. Insbesondere entwickeln sich diese in Richtung kurzfristiger Anpassungsfähigkeit und Automatisierung. Die Linienfertigung mit Band und Takt tritt in den Hintergrund, während neue Konzepte wie die Matrixproduktion an Bedeutung gewinnen. Dabei sind die Systeme adaptiv konfiguriert. Die Stationen und Anlagen lassen sich an veränderte Varianten oder Stückzahlen anpassen. Adaptiv sind auch die Produktionsprozesse. So durchlaufen Produkte jeweils nur den auftragsspezifisch notwendigen Prozess. Charakteristisch für die Matrixproduktion sind konfigurierbare Produktionszellen sowie ein Teile- und Werkzeugtransport durch Automated Guided Vehicles (AGVs).

Standards schaffen

Moderne Fertigungslayouts und -verfahren erfordern einen reibungslosen Datenaustausch zwischen Maschinen, Werkstücken, Transportsystemen sowie der übergeordneten Planungs-, Steuerungs- und Überwachungssoftware. In heterogenen Produktionslandschaften mit unterschiedlichen Maschinen, Datenformaten und Kommunikationsstandards ist das jedoch nur schwer zu realisieren. Diese Herausforderung wurde mittlerweile von DIN, ZVEI und der Plattform Industrie 4.0. aufgegriffen. Unter dem Namen RAMI 4.0 (Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0) definieren die Institutionen einheitliche Standards und Normen für das industrielle Internet. Eine Kernkomponente ist dabei die sogenannte Verwaltungsschale – das digitale Abbild jedes relevanten Objektes der vernetzten Produktion im IIoT. Sie speichert nicht nur alle wichtigen Eigenschaften eines Objekts, sondern dient gleichzeitig als Kommunikationsschnittstelle für die Einbindung des Gegenstands in die vernetzt organisierte Industrie-4.0-Produktion. Der Rollout des Konstrukts der Verwaltungsschale soll in Kürze erfolgen.

Nachhaltigere Produktion

Insgesamt werden moderne, automatisierte, intelligente und flexible Produktionsumgebungen in hohem Maße von einer leistungsstarken IT abhängen. Dabei werden künftig mehr Standards zum internen und unternehmensübergreifenden Datenaustausch zur Verfügung stehen. Immer mehr Produktionsumgebungen werden sich mithilfe digitaler Technologien zudem virtuell in Betrieb nehmen und dynamisch simulieren lassen. Doch auch abseits aller Technologien gibt es Aspekte, die den Wandel von Produktionslayouts vorantreiben werden. Fertigungsprozesse werden mit Unterstützung der Produktionslayouts realisiert. Effiziente Fertigungs- und Logistikprozesse bilden damit das Fundament der Layouts, beispielsweise die Produktoptimierung im Hinblick auf fertigungsbezogene Features sowie das optimierte Einsteuern von Aufträgen innerhalb einer vernetzten und synchronisierten Lieferkette. Verstärkt werden in den kommenden Jahren Themen wie Nachhaltigkeit und CO2-Neutralität in den Fokus rücken. Zudem bleibt abzuwarten, ob sich zum Beispiel Lieferketten deglobalisieren werden oder sich Lösungen wi Production-as-a-Service auf breiter Strecke durchsetzen werden. Eines scheint jedoch klar: Das Produktionslayout der Zukunft ist nicht nur hoch flexibel, voll vernetzt und weitestgehend automatisiert, sondern auch umweltverträglich.


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