Maschinen, die selbstständig Fertigungsprozesse koordinieren, Service-Roboter, die in der Montage mit Menschen kooperieren und fahrerlose Transportfahrzeuge, die eigenständig Logistikaufträge erledigen – so sieht die Zukunftsvision vieler Unternehmen aus. Eine Fabrik, in der alle Komponenten vernetzt sind und in Echtzeit über das Internet miteinander kommunizieren: Maschinen, Menschen, Werkzeuge und Ressourcen. Das Ergebnis ist die Smart Factory – die intelligente Fabrik, die sich selbst organisiert.
Doch was sind die (technischen) Voraussetzungen für eine smarte Fabrik? Welche Vorteile bietet sie? Und was hat eine Smart Factory mit digitalen Zwillingen und der digitalen Fabrik zu tun?
Die digitale Fabrik als Basis des Digital Twin
Ein digitaler Zwilling oder „Digital Twin“ ist das digitale Abbild eines realen Produktes oder Prozesses: Von der einzelnen Maschine über ein Fahrzeug und dessen Fahreigenschaften bis zur gesamten Fabrik kann alles virtuell nachgebildet werden. Basis der digitalen Modelle sind die Echtzeitdaten von Sensoren physischer Systeme. Die notwendige Datengrundlage der smarten Fabrik liefert die digitale Fabrik.
Zur Erinnerung: Die digitale Fabrik stellt Methoden und Werkzeuge zur Verfügung, mit denen Fabriken, Produktionsanlagen und die Logistik virtuell geplant werden können. Sie bildet die Prozesse einer realen Fabrik in digitalen 3D-Modellen ab, simuliert diese virtuell und prüft, ob die Prozesse durchführbar sind.
Durch die Kombination von dynamischer Datenerfassung in Echtzeit und der Visualisierung der Daten entstehen virtuelle Modelle von Industrieanlagen, sogenannte Digital Twins. Die Besonderheit liegt darin, dass diese digitalen Modelle lernfähig sind und sich somit selbst an die Realität anpassen können. Voraussetzung ist eine beidseitige Synchronisierung: Der digitale Zwilling übernimmt aus den Betriebsdaten und den Anlagen Informationen, vergleicht diese mit seinem Stand und bringt das virtuelle Modell bei Abweichungen in der Realität wieder auf den neuesten Stand. Das physische Objekt ist also dauerhaft mit seinem Zwilling vernetzt, damit sich beide identisch weiterentwickeln.
Das Ziel: Der Betrieb und die Optimierung der Fabrik in Echtzeit – mithilfe der digitalen Planung und Simulation kann das physische Netzwerk aus Maschinen mit den gewonnenen Daten und Algorithmen sehr viel autonomer und flexibler arbeiten als bisher.
Dafür ist es notwendig, dass die Maschinen untereinander über das Internet der Dinge (Internet of Things – IoT) vernetzt sind. Mithilfe von IoT-Sensoren werden die Betriebs-, Zustands- und Prozessdaten in Echtzeit erfasst und an eine Cloud gesendet. Die von den Maschinen erzeugten großen Mengen an Daten – auch als Big Data bezeichnet – laufen auf einer digitalen Plattform zusammen. Die einzelnen Daten allein sind allerdings nutzlos. Sie müssen erst – in Echtzeit – ausgewertet bzw. analysiert werden. In der smarten Fabrik übernehmen diese Aufgabe sogenannte Machine-Learning- und KI-Algorithmen – Stichwort künstliche Intelligenz. Erreicht werden soll auf diese Weise eine dynamische, echtzeitfähige und maschinelle Selbstorganisation der Produktionssysteme: die Smart Factory.
Potenziale der intelligenten Fabrik: Betrieb und Optimierung in Echtzeit
Die Potenziale einer intelligenten Fabrik sind vielfältig: In erster Linie verspricht die Smart Factory Qualitäts- und Effizienzsteigerungen im (fertigenden) Unternehmen. Mit dem Digital Twin lassen sich Entwicklungszeiten verkürzen und Risiken senken – dank der hocheffizienten Planung, Optimierung und Anpassung von komplexen Systemen und Prozessen. Vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) und Überwachung werden möglich, Ausfallzeiten lassen sich vermeiden und der Energieverbrauch wird gesenkt. Geschäftsmodelle lassen sich erweitern oder neugestalten und die Qualität der Produkte wird erhöht. Grundlegend hierfür ist die große Menge an gewonnenen Daten aus der Vernetzung der bestehenden Systeme und Maschinen und die anschließende visualisierte Auswertung derselben: So entsteht die notwendige Transparenz über die unternehmenseigenen Prozesse, die wiederum die Grundlage für jegliche Optimierung bildet. Die entscheidende Frage lautet: Wo lassen sich Abläufe optimieren oder mit Technologie automatisieren? Unternehmen können so agiler und besser entscheiden, wie die nächsten Schritte aussehen sollten. Konsequent zu Ende gedacht, führt diese Entwicklung zur sich selbst organisierenden Produktion mithilfe intelligenter Systeme.
In der Praxis könnte ein Prozess in der Fabrik der Zukunft folgendermaßen aussehen: Über das Internet vergibt der Kunde einen Auftrag – und startet so den Fertigungsprozess. Die bestellten Produkte reservieren autonom die entsprechenden Prozessschritte, buchen Maschinen oder benötigte Materialien und kontrollieren die Produktion. Die Produktionsanlagen organisieren die Reihenfolge der Aufträge und kümmern sich bei Bedarf um Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten.
Herausforderungen auf dem Weg zur Smart Factory
So viel zur Theorie – auf dem Weg zur vernetzten Fabrik mit automatisierter Fertigung stehen die meisten Unternehmen noch am Anfang: Laut einer 2020 erschienen Studie zum Digitalen Zwilling in der fertigenden Industrie des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Zusammenarbeit mit msg systems ag haben 85 Prozent der befragten Unternehmen zwar bereits Konzepte für den Digitalen Zwilling entwickelt – jedoch verfügen nur 54 Prozent über eine durchgängige Strategie für Digital Twins. Lediglich acht Prozent der Unternehmen setzen bereits Digitale Zwillinge vollumfänglich ein. Sie fungieren bislang meist als datenbereitstellende Systeme oder werden zur Absicherung und Fehleranalyse verwendet. Die Ausgestaltung als autonome oder adaptive Systeme wird bislang in nur wenigen Konzepten berücksichtigt. Die bereits beschriebenen vielfältigen Potenziale des Digital Twins bleiben bislang meist ungenutzt. 35 Prozent beabsichtigen ihr Geschäftsmodell mit dem Digitalen Zwilling zu verändern und wollen auf diese Weise bestehende Abläufe im Unternehmen beschleunigen. Für die Zukunft erwarten 35 Prozent der befragten Unternehmen, dass ihr Digitaler Zwilling bis 2040 das gesamte System mit dessen Umgebung abbilden kann.
Die größte Hürde hin zur Smart Factory bilden die Vernetzung und Datendurchgängigkeit – Stichwort unternehmensübergreifende Kollaboration und Vernetzung der Digitalen Zwillinge untereinander. Um diesen Schritt zu gehen, ist es notwendig, die Plattformen und Kommunikationsschnittstellen zu standardisieren, indem bestehende Systemgrenzen aufgelöst und Anwendungsfunktionalitäten über eine gemeinsame und konsistente Datenbasis vereint werden. Die für den Digitalen Zwilling relevanten Informationen müssen zudem aus dem gesamten Produktlebenszyklus durchgängig bereitgestellt werden. Eine weitere Herausforderung liegt darin, die Simulationsmodelle einzelner digitaler Zwillinge in eine Simulation des Gesamtsystems zu integrieren – eine zentrale Voraussetzung für die smarte Fabrik. Wenn alle Systeme automatisch Informationen austauschen können und eine gemeinsame „Sprache“ sprechen, erst dann wird die Vision von einer sich selbst verwaltenden Fabrik Realität.