Albrecht Lottermoser ist Senior Smart Factory Expert bei MaibornWolff. Der Mechatronik- und Engineering Sciences Expert ist spezialisiert auf Automatisierung, Robotik, Mensch-Roboter-Kooperation und intelligente Prozessführung. In zahlreichen Forschungs- und Industrieprojekten begleitet und unterstützt er Organisationen und Unternehmen rund um die Themen Smart Factory, Digitalisierung und Künstliche Intelligenz.
Digitale Fabrik – die digitale Transformation der Produktion
Das Wichtigste in Kürze
Starten wir mit den Grundlagen der Digitalen Fabrik auf einen Blick. Diese Informationen geben Ihnen einen guten Einstieg. Wenn Sie tiefer in das Thema einsteigen möchten, lesen Sie gerne weiter.
- Definition: Eine Digitale Fabrik ist ein ganzheitlicher Ansatz zur Digitalisierung und Optimierung der gesamten Produktionsumgebung.
- Ziel: Das übergeordnete Ziel der Digitalen Fabrik ist es, die Produktionsplanung und -steuerung durch Automatisierung, Flexibilität und eine kontinuierliche Optimierung aller Abläufe fehlerfreier und effizienter zu gestalten.
- Aufbau: Sie setzt sich aus drei wesentlichen Komponenten zusammen: Methode, Werkzeuge und Schnittstellen.
Was ist eine Digitale Fabrik?
Die Digitale Fabrik bezeichnet ein umfassendes Netzwerk aus digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen – darunter Simulationen und dreidimensionale Visualisierungen –, das durch ein einheitliches Datenmanagement miteinander verknüpft wird.
Sie ist also ein ganzheitlicher Ansatz zur Digitalisierung und Optimierung der gesamten Produktionsumgebung. Alle Prozesse und Abläufe werden durch den Einsatz moderner Technologien wie IoT, Echtzeit-Datenanalyse und der Integration von IT und Betriebstechnologie (OT) kontinuierlich optimiert.
Die Digitale Fabrik ermöglicht eine nahtlose Verbindung zwischen Maschinen, Software und Daten, um sowohl die Planung als auch die laufende Produktion effizienter, flexibler und automatisierter zu gestalten.
Wie funktioniert eine Digitale Fabrik?
Grundsätzlich lässt sich die Digitale Fabrik in drei Hauptkomponenten unterteilen: Methoden, Werkzeuge und Schnittstellen. Diese drei Säulen arbeiten eng zusammen, um eine nahtlose Planung, Simulation und Optimierung der Produktionsprozesse zu gewährleisten – und machen somit eine Digitale Produktion überhaupt erst möglich.
-
Methoden sind die Strategien und Vorgehensweisen, die zur Planung und Steuerung der Produktionsprozesse eingesetzt werden.
-
Werkzeuge umfassen die spezifischen Softwarelösungen und Technologien, die die Umsetzung der Methoden unterstützen.
-
Schnittstellen sorgen für die Integration und den Datenaustausch zwischen den verschiedenen Werkzeugen und Systemen, um eine durchgängige Datenbasis zu schaffen.
Methoden der Digitalen Fabrik
Methoden sind systematische Ansätze, die in einer Digitalen Produktion angewendet werden. Sie werden meist über den ganzen Produktentstehungsprozess hinweg angewandt und helfen, die Produktionsprozesse effizient zu planen und zu steuern.
Ein Beispiel für eine Methode der Digitalen Produktion wäre Simultaneous Engineering. Bei dieser Methode arbeiten mehrere Teams gleichzeitig an verschiedenen Aspekten eines Projekts, sodass unterschiedliche Entwicklungsphasen parallel ablaufen können. Dies führt zu einer erheblichen Verkürzung der Gesamtentwicklungszeit und fördert eine effizientere Zusammenarbeit zwischen den Abteilungen.
Werkzeuge der Digitalen Fertigung
Die Werkzeuge sind die technologischen Lösungen, die die Methoden der Digitalen Fertigung möglich machen. Sie unterstützen die Planung, Simulation und Optimierung der Produktionsprozesse. Hier sind einige der wichtigsten Werkzeuge:
-
- CAD-Software (Computer-Aided Design) dient zur Erstellung detaillierter 3D-Modelle von Anlagen und Maschinen. Diese Modelle sind die Basis für Simulationen und die Planung von Produktionsanlagen
- Simulationssoftware:
- Plant Simulation ermöglicht die Simulation und Optimierung von Produktions- und Logistikprozessen in einer virtuellen Umgebung.
- Process Simulate unterstützt die Simulation von Fertigungsprozessen und die Validierung von Produktionsplänen.
- VR/AR-Technologien:
- Virtual Reality (VR) bietet die Möglichkeit, Produktionsumgebungen virtuell zu begehen und zu analysieren, bevor diese real umgesetzt werden.
- Augmented Reality (AR)erlaubt die Einblendung von digitalen Modellen in die reale Umgebung.
- PLM-Software (Product Lifecycle Management) unterstützt das Management des gesamten Produktlebenszyklus von der Idee bis zur Produktion. Diese Software ermöglicht die Integration aller Daten, Prozesse und Geschäftsabläufe.
- ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning) planen und steuern betriebliche Ressourcen wie Material, Personal und Produktion. Sie sorgen für eine reibungslose Integration der Daten über verschiedene Abteilungen hinweg.
- MES-Systeme (Manufacturing Execution Systems) überwachen und steuern die Produktion in Echtzeit und stellen sicher, dass Produktionsprozesse effizient ablaufen und die Produktqualität gewährleistet ist.
- Digital Twin ist ein digitales Abbild eines physischen Objekts oder Prozesses, das Echtzeitdaten sammelt und Analysen ermöglicht, um Verbesserungen vorzunehmen und zukünftige Szenarien zu simulieren.
- CAD-Software (Computer-Aided Design) dient zur Erstellung detaillierter 3D-Modelle von Anlagen und Maschinen. Diese Modelle sind die Basis für Simulationen und die Planung von Produktionsanlagen
Schnittstellen der Digitalen Produktion
Die Schnittstellen der Digitalen Fabrik sind entscheidend für die Integration der Werkzeuge und Systeme. Sie ermöglichen ein durchgängiges Datenmanagement und einen reibungslosen Datenaustausch, welche durch eine zentrale Integrationsplattform koordiniert werden.
Diese Integrationsplattform schafft eine einheitliche Datenbasis, auf die alle Abteilungen zugreifen können. Dadurch werden lästige Insellösungen vermieden. Zudem sorgen standardisierte Datenformate dafür, dass keine Informationen bei der Übertragung verloren gehen und alle Daten aktuell und konsistent bleiben.
Zusammengefasst:
Die Digitale Fabrik benötigt ein durchgängiges Datenmanagement, das für eine konsistente und aktuelle Datenbasis sorgt und somit die Grundlage für präzise Entscheidungen bildet.
Die Digitale Fertigung bricht bestehende Datensilos auf und ermöglicht einen freien Datenfluss. Dadurch wird eine präzisere Ressourcen- und vorausschauende Fertigungsplanung möglich.
Doch das ist bei weitem nicht alles: Die lose Kopplung der Anwendungen in der Digitalen Fabrik erlaubt zudem flexible Anpassungen ohne Beeinträchtigung des Informationsflusses, wodurch sie zu einer zukunftssicheren Plattform wird, die sich dynamisch an neue Anforderungen anpassen kann.
Benötigen Sie Hilfe bei Ihren Daten oder wollen Sie Ihre Geschäftsprozesse verbessern?
Digitale Fertigung: Ziele und Anwendungsbereiche
-
Produktionsplanung und -steuerung: Ein Hauptanwendungsbereich der Digitalen Fabrik ist die Planung und Steuerung von Produktionsprozessen. Hierbei werden Abläufe simuliert, optimiert und überwacht, um maximale Effizienz zu erzielen. Auch das Fabriklayout und die Platzierung von Maschinen werden digital geplant, bevor sie in der Realität umgesetzt werden.
-
Produktentwicklung: In der Entwicklung ermöglicht die Digitale Fertigung die Simulation von Produktionsprozessen für neue Waren.
-
Virtuelle Inbetriebnahme: Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich ist die virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen. Durch die digitale Simulation können die Systeme bereits vor ihrer physischen Installation getestet und optimiert werden.
-
Qualitätssicherung: Die Digitale Fabrik trägt auch zur Qualitätssicherung bei, indem sie eine präzise Überwachung und Anpassung der Produktionsprozesse durch die digitale Einbindung von Sensoren ermöglicht.
-
Logistikplanung: Die digitale Fabrik unterstützt auch die Planung und Optimierung von Logistikprozessen. Hierbei können Lagerflächen, Transportwege und Lieferketten virtuell modelliert und verbessert werden.
Vorteile der Digitalen Fabrik
Die Digitale Fabrik revolutioniert die Art und Weise, wie Produktionsprozesse geplant, umgesetzt und optimiert werden. Dank ihres ganzheitlichen Ansatzes, der moderne Technologien und digitale Werkzeuge integriert, ermöglicht sie effizientere Abläufe und bietet Unternehmen noch weitere zahlreiche Vorteile:
-
Fehlerreduktion und Kostenersparnis: In der Digitalen Fabrik werden Produktionsschritte virtuell simuliert, sodass Fehler frühzeitig erkannt und behoben werden können. Dies reduziert Kosten für Material, Energie und Arbeitszeit.
-
Produktqualität und Zeitersparnis: Anpassungen können in der Digitalen Fabrik schnell getestet und anschließend umgesetzt werden, ohne den Betrieb zu unterbrechen. Dies beschleunigt die Produktion, reduziert Stillstandzeiten und sorgt für perfekt abgestimmte Produkte, was Reklamationen minimiert und die Kundenzufriedenheit steigert.
-
Flexibilität und Marktvorteile: Die Digitale Fabrik ermöglicht es, auf Marktänderungen und neue Technologien flexibel zu reagieren, indem Anpassungen sofort simuliert und umgesetzt werden. Dadurch gelangen neue Produkte schneller auf den Markt, was Unternehmen einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil verschafft.
-
Bessere Zusammenarbeit: In der Digitalen Fabrik können verschiedene Teams – zum Beispiel in Entwicklung, Planung und Produktion – gleichzeitig an einem Projekt durch den Einsatz digitaler Lösungen arbeiten. Durch die gemeinsame Digitale Plattform ist der Austausch von Informationen und Ideen in Echtzeit möglich, was die Zusammenarbeit erheblich verbessert.
-
Nachhaltigkeit: Ressourcen wie Material und Energie können in der Digitalen Fabrik durch ein besseres Tracking optimal eingesetzt werden. Das bedeutet weniger Abfall und einen geringeren Energieverbrauch, was sowohl Kosten spart als auch die Umwelt schont.
-
Echtzeit-Datenanalyse: Durch die Integration von IT und OT sowie einheitliche Schnittstellen ermöglicht die Digitale Fabrik eine Echtzeit-Auswertung von Produktionsdaten. So können Prozesse sofort optimiert, Ausfälle reduziert und Kosten gesenkt werden.
Was ist die Digitale Fabrik nicht?
Die Digitale Fabrik ist ein zentraler Baustein moderner Produktionskonzepte, doch sie wird häufig mit anderen Begriffen verwechselt oder in einen Topf geworfen, obwohl sie klar abgrenzbare Funktionen und Ziele hat. Um Missverständnisse zu vermeiden, wollen wir jetzt nochmal kurz klarstellen, was eine Digitale Fabrik nicht ist und welche Rolle sie in der digitalen Transformation der Produktion spielt.
Industrie 4.0
Industrie 4.0 umfasst die intelligente Vernetzung von Maschinen, Systemen und Produkten, die miteinander kommunizieren und teilweise sogar autonom Entscheidungen treffen können. Eine digitale Fabrik hingegen ist ein umfassendes Konzept, das die Integration und Nutzung digitaler Technologien und Daten in der gesamten Produktions- und Fertigungsumgebung beschreibt.
Die Digitale Produktion ist jedoch essenziell für die Industrie 4.0, da sie die notwendige Infrastruktur und Daten für die Vernetzung und Automatisierung liefert. Ohne sie wäre die Umsetzung von Industrie 4.0 kaum möglich.
Smart Factory
Smart Factory beschreibt eine Produktionsumgebung, in der sich Fertigungsanlagen und Logistiksysteme selbst organisieren und in Echtzeit auf Veränderungen reagieren können.
Während die Digitale Fabrik die digitalen Modelle, Simulationen und Daten liefert, die für die Planung und Optimierung der Produktion notwendig sind, geht die Smart Factory noch einen Schritt weiter. Sie nutzt diese Daten und Technologien, um eine vollautomatisierte, flexible und hochgradig effiziente Produktionsstätte zu schaffen.
Implementierung einer Digitalen Produktion
In den folgenden Abschnitten erklären wir, wie der Einstieg in die Digitale Produktion gelingt, welche Schritte notwendig sind und welche Hindernisse auf dem Weg dorthin überwunden werden müssen.
Die ersten Schritte
Die Weiterentwicklung
Nachdem Gebäude und Anlagen digital erfasst wurden, besteht der nächste Schritt darin, auch die Prozesse, Strukturen und Daten digital abzubilden und zu organisieren. Denn nur so können neue Lösungen gefunden, getestet und umgesetzt werden. Dafür ist es natürlich notwendig, einige der genannten Werkzeuge und Schnittstellen einzuführen, die teilweise erst implementiert werden müssen.
Herausforderungen bei der Implementierung
-
ROI: Viele Unternehmen zögern mit dieser großen Investition, da der Mehrwert einer digitalisierten Produktion für sie bisher nicht klar genug erkennbar ist.
-
Fragmentierter Planungsprozess: In vielen Unternehmen wird die Produktionsplanung auf mehrere Personen verteilt, weil verschiedene Abteilungen jeweils ihre spezifischen Fachkenntnisse einbringen müssen. Dies erhöht jedoch das Risiko, dass wichtige Informationen nicht optimal abgestimmt werden, was die Fehleranfälligkeit steigert.
-
Fehlende Daten: Viele KMUs haben keine aktuellen Fabriklayouts oder Datenerfassungssysteme an ihren Maschinen. Auch 3D-Daten, die für eine präzise Planung erforderlich sind, fehlen oft.
-
Fehlende Risikobereitschaft: Die größte Herausforderung liegt jedoch in der Digitalisierung bestehender Prozesse und der Einführung neuer Tools. Dieser Prozess kann riskant sein, da er oft tiefgreifende Veränderungen an genau den Fähigkeiten und Prozessen erfordert, die bislang den Unternehmenserfolg ausmachten.
Die Transformation zu einer Digitalen Fabrik bringt also erhebliche Risiken mit sich, ist aber auch eine Chance, das Unternehmen zukunftssicher aufzustellen.
FAQs – Häufig gestellte Fragen zur Digitalen Fabrik
Wie sicher sind die Daten in einer Digitalen Fabrik?
Die Datensicherheit in einer Digitalen Fabrik hängt stark vom Datenschutzbewusstsein und den Cybersecurity-Maßnahmen im Unternehmen ab. Verschlüsselung, geregelte Zugriffsrechte und sichere Schnittstellen schützen sensible Daten. Wichtig ist, dass diese Maßnahmen regelmäßig angepasst werden, um aktuellen Bedrohungen gerecht zu werden.Was kostet die Implementierung einer Digitalen Fabrik?
Die Kosten für die Implementierung einer Digitalen Fabrik variieren stark und hängen von Faktoren wie Unternehmensgröße, bestehender IT-Infrastruktur und dem gewünschten Digitalisierungsgrad ab. In der Regel handelt es sich um eine erhebliche Investition, die jedoch langfristig durch Effizienzgewinne und Kostenersparnisse amortisiert werden kann.Wie unterstützt die Digitale Fabrik die Nachhaltigkeit in der Produktion?
Durch die Simulation und Optimierung von Produktionsprozessen können Ressourcen effizienter eingesetzt, Abfälle reduziert und der Energieverbrauch gesenkt werden. Dies trägt zu einer nachhaltigeren Produktion bei und hilft Unternehmen, ihre Umweltziele zu erreichen.