Industrie 4.0 in der Fertigung: Anforderungen und Vorteile

Autor / Redakteur: Michael Ford * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Um Industrie 4.0 erfolgreich in der Elektronikfertigung einzuführen, müssen einerseits die realisierbaren wirtschaftlichen Vorteile und andererseits der Bedarf an zusätzlichen Technologien klar definiert sein

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Unternehmen können durch Industrie 4.0 die hochentwickelten automatisierten Prozesse verwalten und so durch höhere Betriebszeiten die absolute Produktivität steigern.
Unternehmen können durch Industrie 4.0 die hochentwickelten automatisierten Prozesse verwalten und so durch höhere Betriebszeiten die absolute Produktivität steigern.
(Bild: Mentor Graphics)

Wenn die Industrie die Automatisierung der Fertigung ohne die entsprechende Computerunterstützung von Industrie 4.0 erweitern will, dann werden die Investitionen nicht den antizipierten oder Mindesterwartungen gerecht werden. Anstatt die Rückkehr der Fertigung nach Deutschland und Westeuropa zu fördern, könnte eine fehlgeschlagene Investition bestehende Betriebe bedrohen. Es wäre, als ob man die neueste Automatisierungstechnologie spezifiziert, bestellt, geliefert bekommen und mit der Erwartung einer schnellen Rendite installiert hätte und diese Technologie aber die meiste Zeit nicht in Betrieb ist.

Gleiches gilt für die finanziellen Auswirkungen bei der Umsetzung der Automatisierung, die auch die Unternehmen und ihre Mitarbeiter betrifft. Die Aufgaben werden neu definiert, da Positionen wie die des Operators zu einer Ingenieurstelle werden. Änderungen in der Konfiguration der Linien betreffen sowohl den Engineering-Support als auch die Versorgungskette. Wer auch immer die neue Automatisierungslösung spezifiziert und genehmigt, wird für diese Entscheidung zur Verantwortung gezogen.

Automatisierung ist von sich aus keine vollständige Lösung

Um aus den bisherigen Erfahrungen zu lernen, müssen wir verstehen, dass die Automatisierung von sich aus keine vollständige Lösung ist. Das war bei Industrie 3.0 der Fall. Industrie 3.0 funktionierte in der Vergangenheit sehr gut, da die Fertigung vorwiegend auf Massenproduktion ausgelegt war, bei der die gleichen Produkte über einen langen Zeitraum hergestellt wurden. Musste das Produkt geändert werden, waren die Stunden oder sogar Tage der Stillstandzeiten einer Linie relativ unerheblich und boten zudem die Möglichkeit, Wartungsarbeiten an den Maschinen durchzuführen. Diese Art von Massenproduktion verbleibt zwar in einigen Regionen der Welt, vor allem in Gebieten mit niedrigen Arbeitskosten, sie wird aber immer seltener.

Das Bild der Fertigung hat sich geändert: Viel mehr Produkte werden in unterschiedlichen Variationen hergestellt und die Fertigungsanlagen müssen häufiger Produkte in kleineren Losgrößen liefern. Der Grund dafür sind die Kosten für die Lieferkette zwischen der Fertigung und dem Endkunden, entweder Einzelhandel oder B2B, die immer einen großen Kostenanteil in der Elektronikfertigung ausmachen. Von jedem Produkt muss dort, wo es verkauft werden soll, eine gewisse Stückzahl gelagert werden und verfügbar sein, dies gilt potenziell weltweit. Dazu zählen auch die Kosten für Lagerung, Logistik und mögliche Abschreibungen des Warenwerts während der Lagerung. Diese Kosten zu reduzieren ist schwierig, da die Lieferung an den Kunden durch unzureichenden Lagerbestand gefährdet sein könnte. Außerdem multiplizieren sich die Kosten mit der Anzahl der Produkte.

Produktionssteigerung durch Industrie 4.0

Viele Unternehmen erwägen nun ausgefallenere Lösungen wie die direkte Lieferung von der Fertigung an eine Auswahl wichtiger Verteilzentren oder unmittelbar an den Endkunden. Bei schwankender Nachfrage, zum Beispiel ausgelöst durch eine unerwartete Unterstützung eines Produkts in den sozialen Medien, lässt sich der gestiegene Bedarf nicht durch reguläre Lieferungen aus dem Lagerbestand befriedigen und die Produktion muss kurzfristig umgestellt werden.

Aus betriebswirtschaftlicher Sicht sind die Kosten für die Vertriebskette, sei es für die Massenproduktion von Konsumgütern oder hochwertigen Produkten für Automobile, Geldverschwendung. Dies führt dazu, dass Lagerbestände zugunsten kleinerer Losgrößen und volatiler Nachfrageänderungen reduziert werden. Fast jede Produktionsstätte muss heute mit diesen Problemen kämpfen.

Für die Fertigung wäre es eine einfache Lösung, den Bestand im eigenen Lager zu erhöhen oder sogar eine Teilfertigstellung im Shop-Floor zu betreiben. Dies hat jedoch nur zur Folge, dass die Kosten der externen Distribution in Richtung internen Fertigungsprozess verlagert werden, was ebenfalls nicht akzeptabel ist.

Viele Betriebe haben kaum eine Wahl, da sich bei Prozessen wie SMT-Bestückung die Gesamtproduktivität bei häufigen Produktänderungen jäh reduziert. Absolut gesehen arbeiten viele SMT-Maschinen weniger als 40 Prozent der Zeit, obwohl die gemessene und gemeldete Produktivität mehr als 80 Prozent beträgt. Diese Diskrepanz verursachen Faktoren, welche als nicht vermeidbare, notwendige Verluste angesehen werden.

Wirtschaftlich ist ein Verlust ein Verlust, der immer vermieden werden muss. Dies ist der Grund für die notwendige Computerisierung hinter Industrie 4.0. Unternehmen können dadurch die hochentwickelten automatisierten Prozesse verwalten, damit diese durch höhere Betriebszeiten die absolute Produktivität ohne versteckte Verluste im Produktionsplan auf wettbewerbsfähige 80 Prozent steigern. Sobald dies erreicht ist, besteht eine Chance, den Return on Investment für den höheren Automatisierungsaufwand zu erzielen und die Geschäftsziele zu erreichen.

Automatisierungsaufwand erhöhen und Flexibilität steigern

Es gilt, den Automatisierungsaufwand zu erhöhen und gleichzeitig die Flexibilität beim Erfüllen der sich ändernden Anforderungen zu steigern, ohne an Produktivität einzubüßen. Dies würde Kosten reduzieren und die Leistungsfähigkeit erhöhen. Um diese Ziele zu realisieren, muss man von Industrie 3.0 zu Industrie 4.0 wechseln.

Industrial Evolution: Das Bild der Fertigung hat sich geändert.
Industrial Evolution: Das Bild der Fertigung hat sich geändert.
(Bild: Mentor Graphics / DFKI)

Dieser Schritt erfordert die Computerisierung des Managements für die Prozessoptimierung, der Produktionsplanung und der Lieferkettenüberwachung. Ebenso müssen die Vorteile der gesammelten Daten genutzt werden, um innerhalb einer Linie Qualitäts- und Kaizen-Lösungen wie Prozess-Feedback-Schleifen implementieren und die Genauigkeit von Dingen wie SMT-Bestückung und Siebdruck erhalten zu können.

Die Vorteile der Computerisierung von Industrie 4.0

Am Beispiel einiger Geschäftsszenarien lassen sich die Vorteile der Computerisierung von Industrie 4.0 veranschaulichen:

Computerisierung der Shop-Floor-Planung

Traditionell folgt der Produktionsablauf, beispielsweise bei SMT-Prozessen, einem Plan, der auf einem Fertigungszeitplan basiert, der aufgrund einer Reihe von Arbeitsaufträgen aufgestellt wurde. Ohne Computerunterstützung folgt der Produktionsbetrieb einem relativ einfachen Prozess, bei dem die Produkte vorab speziellen Linien zugewiesen werden, für die Maschinenprogramme vorbereitet wurden. Um den hohen Produktmix bewältigen zu können, gibt es typische Materialsetups. Diese basieren ebenfalls darauf, dass Produktgruppen bestimmten SMT-Linien zugewiesen werden. Dadurch kann jedes Produkt in einer Gruppe ohne große Materialänderungen gefertigt werden. Das beeinträchtigt jedoch die Leistung der Maschinen.

Das Engineering entscheidet die Gruppierung auf Grundlage von gemeinsamen Produkteigenschaften. Je geringer die Gemeinsamkeiten der Materialien sind, umso geringer wird die Effizienz des SMT-Maschinenprogramms. Wenn die Produkte in den Gruppen ihre Lebensenden erreichen und neue Revisionen oder Produkte kommen welche zu Änderungen des gemeinsamen Setups führen, kann die Performance im Lauf der Zeit erheblich nachlassen. Dies trägt wesentlich zu Produktivitätsverlusten einer Linie bei. Die Alternative ist, die Maschine häufig für Materialwechsel anzuhalten, was zu größeren Verlusten führt. Eine andere Lösung sind alternative Sets mit Material-Setups auf Trolleys. Diese erhöhen jedoch die Kosten für Material, Logistik und Management.

Die intelligente Computerisierung des Produktionsplans als Industrie-4.0-Lösung bietet die Möglichkeit, die finite Planung zu optimieren. Bei Änderungen der Nachfrage trifft der Planungscomputer Entscheidungen, damit die Produkte zwischen verschiedenen Linienkonfigurationen wechseln können. Die Produkte werden basierend auf der unmittelbaren Kundennachfrage gruppiert. Finite Planungsoptimierung in einer nahezu Echtzeit-Umgebung gewährleistet, dass der Produktionsbetrieb sich kontinuierlich der Kundennachfrage anpasst. Spezielle Kenntnisse über die SMT-Fähigkeiten und das Timing erlauben die kontinuierliche Optimierung der Prozesse und Linien. In der Praxis kann nach der Implementierung einer solchen computergestützten finiten Planung eine 30-prozentige Produktivitätssteigerung festgestellt werden.

Computerisierung der Lieferkette

Der größte Kostenfaktor in der Fertigung sind die Materialkosten. Während die in einem Endprodukt verwendeten Materialkosten vorgegeben sind, variieren die Kosten für Ausschuss, Logistik und vor allem für die Investitionen in das Rohmaterial erheblich. Diese Kosten können auf bessere Weise gesteuert werden. Ohne Computerisierung verteilen gängige ERP- und MES-Systeme die Materialien entsprechend den Arbeitsaufträgen, die die Produktionsstätte rechtzeitig vor der Ausführung erhält. Die Materialien, die für Oberflächenmontage auf großen Rollen oder anderen Mechanismen geliefert werden, werden jedoch nicht verbraucht. Das Materialmanagement in der Produktionsstätte ist leicht zu beeinträchtigen. Denn nicht verwendete Materialien werden am Ende des Arbeitsauftrags nicht richtig gezählt und gelagert. Zudem sind sie in der Regel für das ERP- oder MES-System nicht sichtbar.

Diese Ungenauigkeiten beim Materialbestand führen zu unerwarteter interner Materialknappheit, die wiederum zu Überschüssen bei der weiteren Materialversorgung an die Produktionsstätte führt. Dazu zählen zusätzlichen Materialien oder mehrere Material-Kits für Arbeitsaufträge, die zu früh geschickt wurden.

Wegen dieser Probleme befinden sich in vielen Betrieben 95 Prozent der Materialien in der Produktionsstätte und weitere 50 Prozent der Rohmaterialien im Lager. Dies wäre nicht erforderlich, wenn die Materialien genau und effizient verwaltet werden. Mit der Computerisierung hinter Industrie 4.0, welche die Just-in-Time-Lieferung von Materialien anhand des tatsächlichen Verbrauchs steuert, lässt sich eine hohe Bestandsgenauigkeit erzielen. Zwischenlager mit überschüssigen Materialien werden dadurch überflüssig. Gleichzeitig verringern sich erheblich die Materialinvestitionen und die Kosten für unberücksichtigten Ausschuss, der oft bei der Überprüfung des Lagerbestands gefunden wird. Die Vermeidung der Lagerbestandsprüfung spart einen Prozentpunkt der Produktivität.

Computerisierung der Feedback-Schleife

Die potenziellen Vorteile der Computerisierung hinter Industrie 4.0 sind eindeutig. Sie stehen im Zusammenhang mit den Trends in der Industrie, unterstützen aber auch den wirtschaftlichen Erfolg der lokalen Fertigung. Beispiele für Industrie-4.0-Lösungen existieren bereits heute im Markt. Eine große Hürde für die breitere Anwendung solcher Lösungen bleibt die Kommunikation mit der Automatisierungstechnologie der Maschinen. Nur wenige Lösungen im Markt können die verschiedenen komplexen Schnittstellen, Protokolle und Technologien der Maschinen handhaben, die für die unterschiedlichen Maschinentypen zur Leiterplattenbestückung sowie der verbleibenden manuellen Bedienung erforderlich sind.

Es gibt keinen etablierten Standard, der einen bidirektionalen und detaillierten Informationsfluss repräsentiert und den Bedarf für finite Produktionsplanung, Lean Lieferkettenlogistik und die hohen technischen Anforderungen von Feedback-Schleifen-Lösungen unterstützt. Nur die besten Lösungen können die Bandbreite und Tiefe der Datenerfassung bieten, die Industrie-4.0-Computerisierung unterstützt.

Es fehlt ein gemeinsamer Standard für die Kommunikation

Derzeit fehlt ein gemeinsamer Standard für die Kommunikation. Bis dieser verfügbar ist, sind wir auf Lösungen angewiesen, die die besten Schnittstellen für die Maschinen bieten. Es ist aber unwahrscheinlich, dass irgendein System den gesamten Shop-Floor-Prozess ohne spezielle Schnittstellen für Funktionstests und ohne die erforderlichen manuellen Prozesse abdecken kann. Die Industrie braucht einen neuen Standard, der mit einer einzigen Sprache alle Maschinen und manuellen Prozesse verbindet, bei dem lokal entwickelte Add-ons leicht mit kommerziellen Lösungen koexistieren können und der all die notwendigen Informationen für Industrie 4.0 liefert.

* Michael Ford ist Senior Marketing Development Manager, Mentor Graphics, Valor Division.

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