Industrie 4.0

Der Begriff Industrie 4.0 bezieht sich auf die Digitalisierung in der Industrieproduktion oder auf die vierte Phase im industriellen Wandel. Geschichtlich ließe sich dieser wie folgt nachzeichnen:

• Industrie 1.0: Dieser Abschnitt der industriellen Entwicklung markiert den Anfang des Industriezeitalters. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts setzte die Massenproduktion von Gütern durch Maschinen ein. Die Verkehrsinfrastruktur mit Eisenbahnen und Dampfschifffahrt eröffnete neue Handelsrouten, in den Fabriken entstanden neue Arbeitsplätze. Wasserkraft und später Dampfkraft trieben die Maschinen für die Produktion an. Eine wichtige Triebfeder in der industriellen Revolution war die Dampfmaschine.
• Industrie 2.0: Ende des 19. Jahrhunderts trug die Elektrizität zu einem weiteren grundlegenden Wandel in der Industriegeschichte bei. Kennzeichnend für diese Phase ist die weitere Automatisierung der Produktionsarbeit. Als treibender Motor erwies sich die Einführung des Fließbands in der Automobilbranche im Jahr 1913 durch Henry Ford. Mit der Fließbandproduktion konnten Arbeitsschritte in mehrere Arbeitseinheiten unterteilt werden. Mitarbeiter mussten meist nur noch einen oder wenige Teilschritte erledigen, so dass die Produktion deutlich beschleunigt werden konnte. Ein weiterer Meilenstein in der Ära der Industrie 2.0 war die Luftfahrt, die den Transport von Rohstoffen und Produktionsgütern erleichterte. Diese wurden nun auch über die Kontinente hinweg transportiert.
• Industrie 3.0: Die dritte Phase der industriellen Revolution setzte gegen 1970 ein. Sie ist geprägt durch eine fortschreitende Automatisierung der Produktion durch IT und Elektronik. Einzelne Arbeitsschritte wurden schrittweise (teil)automatisiert und menschliche Arbeitskraft ließ sich zunehmend durch Maschinen ersetzen. Einen wichtigen Beitrag leistete unter anderem Konrad Ernst Otto Zuse im Jahr 1941 mit dem Digitalrechner Z3, der von 1942 bis 1945 zum Z4 weiterentwickelt wurde – der erste funktionsfähige und kommerzielle Computer der Welt. Dieser wurde bereits in Großunternehmen genutzt, um erste computergestützte Steuerungsprozesse zu vollführen. Etwas später wurde der Computer auch in Büros und Privathaushalten genutzt.
• Industrie 4.0: Gegen Ende des 20. Jahrhundert begann die vierte Phase des industriellen Wandels, die auch als digitale Revolution bezeichnet wird. Prägend für diese Periode sind die Digitalisierung sowie eine zunehmende Verzahnung der industriellen Produktion durch IT- und Kommunikationstechnologien. Roboter, die Hand in Hand mit Mitarbeitern produzieren, sind untereinander vernetzt und in den Informationsprozess integriert, um Informationen zum Fertigungsprozess auszutauschen. Die Vernetzung von Maschinen, Sensoren und Menschen sowie die Automatisierung von Produktion und Logistik sind charakteristisch für die Industrie 4.0. Virtuelle und reale Prozesse vermischen sich, z. B. auf Grundlage von cyber-physischen Systemen. Diese sind in der Lage, autonom zu entscheiden und Aufgaben mit hohem Selbstorganisationsgrad zu erledigen, so dass Entscheidungen dezentraler werden. Lediglich in Störfällen oder bei Konflikten ist ein Eingreifen erforderlich. Charakteristisch für die Produktion in der Industrie 4.0 ist die zunehmende Individualisierung von Produkten und der Einbezug von Kunden und Geschäftspartnern in Wertschöpfungsprozesse. Die neuen Technologien, Kommunikations- und Informationsstrukturen ermöglichen es, dass Unternehmen auf Nachfrage anstatt auf Lager produzieren können. Bei der Just-in-Time Produktion (bedarfssynchrone Produktion) werden benötigte Materialien erst geliefert, wenn sie tatsächlich gebraucht werden. Material- und Produktionsflüsse sollen so aufeinander abgestimmt werden, dass der Wertschöpfungsprozess verschlankt und Kosten reduziert werden können.

Wichtige Begriffe im Bereich Industrie 4.0 

• Internet der Dinge: Im Internet of Things sind Gegenstände mit dem Internet bzw. Kommunikationstechnologien vernetzt und können darüber kommunizieren (z. B. werden Haushalts- und Sprachsteuerungsgeräte verknüpft). Die intelligenten Gegenstände (Smart Objects) werden unter anderem mit Sensoren und Prozessoren versehen. Im Internet der Dinge wirken physische und virtuelle Realitäten zunehmend zusammen. In der Industrie wird das IoT zum Beispiel dafür eingesetzt, Produktionsabläufe effizienter zu planen und zu steuern.
• Smart Factory: Die Smart Factory ist eine selbstregulierende Produktionsumgebung aus vernetzen cyber-physischen Systemen (CPS). Die intelligente Fabrik kommuniziert über das Internet der Dinge und steuert die einzelnen Produktionsschritte anhand der vom Produkt zur Verfügung gestellten Fertigungsinformation. Die Selbstorganisation ist so weit fortgeschritten, dass menschliche Eingriffe nicht oder kaum notwendig sind.
• Mass Customization: Der Begriff verweist auf die kundenindividuelle Massenproduktion von Gütern: Individualisierte Produkte werden nach Kundenanforderung in Massenfertigung produziert. Kostenvorteile der Massenproduktion, Skaleneffekte und Automatisierung lassen sich beibehalten, ohne auf die Bedienung individueller Kundenbedürfnisse zu verzichten. Nach Baukastenprinzip kann sich der Kunde ein Produkt nach individuellen Vorlieben zusammenstellen – dafür zahlt er meist einen Aufpreis. Bei der Hard Customization entstehen standardisierte Vorprodukte bzw. Module, die individuell kombinierbar sind: Die Individualisierung erfolgt im Fertigungsprozess. Anders sieht es bei der Soft Customization aus: Hier erfolgt die Individualisierung erst nach der Fertigung außerhalb des Unternehmens (z. B. die individuelle Lackierung eines Autos).
• Augmented Reality: Augmented Reality (AR) bedeutet übersetzt erweiterte Realität: Die Wirklichkeit wird computergestützt mit Zusatzinformationen angereichert und die Realitätswahrnehmung erweitert. AR ist abzugrenzen vom Begriff der virtuellen Realität: Im Fall der Virtual Reality taucht eine Person vollständig in eine computergenerierte Realität ein, wohingegen Augmented Reality lediglich auf eine Anreicherung/Erweiterung der Wirklichkeit verweist. AR kann in verschiedenen Bereichen zum Einsatz kommen, etwa in der Konstruktion, um einem Mechaniker Arbeitsanweisungen in Echtzeit in sein Sichtfeld einzublenden. Eine Technik aus dem AR-Bereich ist Googles Datenbrille Google Glass: Diese blendet Informationen (z. B. eingehende E-Mails oder Anrufe) in das Blickfeld ihres Trägers ein und lässt sich per Sprachbefehl steuern.
• Arbeiten 4.0: Die Digitalisierung verändert die Arbeitswelt, zum Beispiel durch Technologien wie die Videotelefonie, die Online-Konferenzen ermöglicht. Durch die Technologien wird die Arbeit mobiler und neue Arbeitsmodelle entstehen.
• Künstliche Intelligenz (KI): Artifizielle Intelligenz (AI) ahmt das kognitive Denken des Menschen nach, um eine menschenähnliche Intelligenz zu simulieren. Die KI analysiert intelligentes Verhalten und zieht Rückschlüsse, um Probleme zu lösen und Operationen durchzuführen. Muster und Regelmäßigkeiten geben ihr Hinweise für die Ausführung und Anpassung. Sie greift auf in Datenbanken gespeichertes Wissen zurück, um eigenständig Probleme zu lösen, ohne dass weiterer Input durch den Menschen erfolgen muss. Ein Teilbereich der künstlichen Intelligenz ist das maschinelle Lernen, bei dem das System Muster und Gesetzmäßigkeiten in Datenbeständen erkennt, um Erfahrungswissen zu generieren.

Fazit

Der Begriff Industrie 4.0 bezieht sich auf eine Phase in der industriellen Revolution, die auf drei vorhergehende historische Abschnitte folgt (Industrie 1.0 bis 3.0). Kennzeichnend für die Industrie 4.0 ist die Verzahnung der industriellen Produktion durch IT- und Kommunikationstechnologien. Maschinen, Sensoren und Menschen sind zunehmend digital vernetzt und der Automatisierungsgrad in Produktion und Logistik ist hoch.