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Teil 1 - Industrie 4.0 und ihre Auswirkung auf die Arbeitswelt

Industrieroboter in einer Autofabrik
© Nataliya Hora - Fotolia.com

Die Arbeit in einer digitalisierten Industrie erfordert neue Kompetenzen. Dabei geht es einerseits um informationstechnisches oder mechatronisches Fachwissen, das je nach Branche variiert. Genauso wichtig ist andererseits die Fähigkeit, in komplexen, datenbasierten Systemumwelten zu arbeiten.

Die Arbeit ist dabei von dem Einzelnen flexibel, eigenständig und vor allem zunehmend projektorientiert zu leisten. Neben fachlichen Kompetenzen geht es also um grundlegende „21st-Century-Skills“: so etwa die Fähigkeit zu (virtueller) Zusammenarbeit in Teams, die sich aus unterschiedlichen Verantwortlichkeiten und Experten zusammensetzen. Heutige Mitarbeiter müssen dazu in der Lage sein, ihr Wissen selbstständig und bedarfsorientiert – auch am Ort des Handelns – zu erwerben. Dazu bedarf es zum einen der Kenntnis neuer Medientechnologien und Geräte (Web 2.0, Mobile Media); zum anderen aber auch des Bewusstseins für die Risiken und Gefahren im Umgang mit Daten und virtuellen Systemen (Datensicherheit und Datenschutz).
All dies wird jedoch nicht ohne eine dauerhafte, berufsbegleitende Weiterbildung („lebenslanges Lernen“) funktionieren. Dabei erhalten digitale Wissensangebote eine immer größere Bedeutung und auch der situative Austausch zwischen Lernern und Experten – im Sinne des „sozialen“ und „informellen“ Lernens – wird stetig wichtiger. 

Ausbildungssituation
© auremar – fotolia.com

Neben der Weiterbildung sollte sich auch die berufliche Erstausbildung stärker als bisher mit dem Thema „Wirtschaft 4.0“ auseinandersetzen. Dreh- und Angelpunkt hierfür ist zunächst das Ausbildungspersonal in den Betrieben, denn das ist in erster Linie für die Qualität und Attraktivität der Lehr- und Lernprozesse verantwortlich. Von seiner berufs- und medienpädagogischen Kompetenz hängt es ab, ob die Anforderungen der Digitalisierung zeitgemäß in handlungsorientierte Bildungskonzepte übertragen werden können.

Selbstverständlich müssen zugleich auch die Bildungspläne der Berufsschulen mit Blick auf die neuen Herausforderungen rund um die Themenfelder „Internet der Dinge“, „Wissensmanagement“, „smarte Produkte“ und „E-Commerce“ überarbeitet werden – am besten lernortübergreifend verzahnt mit den Ausbildungsbetrieben.

Video: Interview (1/6)

Dr. Gert Zinke (BIBB), wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter für die BMBF-BIBB-Initiative Berufsbildung 4.0

„Herr Dr. Zinke, ist das Schlagwort „Wirtschaft 4.0“ nur eine neue Sau, die aktuell durch das Dorf der Berufsausbildung getrieben wird, oder stehen wir tatsächlich wieder vor einer industriellen Revolution mit grundlegenden Veränderungen für die Ausbildung in den Betrieben?“‘

Ausschnitt Interview (18.07.2016 in Mönchengladbach)

 

Und schließlich ist auch die Rolle der überbetrieblichen Ausbildungseinrichtungen vor diesem Hintergrund zu überdenken. Gerade wenn es um die Vermittlung besonders relevanter „Industrie 4.0“-Kenntnisse und -Fähigkeiten geht – zu denken wäre beispielsweise an Themen wie „Big Data“, „Robotik“ und „Sensorik“ – können diese Einrichtungen eine wichtige ergänzende Bedeutung neben Betrieb und Berufsschule erhalten.

Video: Wirtschaft 4.0 und ihre Auswirkungen auf die Arbeitswelt

Zum Verständnis von Industrie 4.0 bzw. Wirtschaft 4.0

Hinter dem Begriff „Industrie 4.0“ bzw. hinter dem umfassenderen Verständnis von „Wirtschaft 4.0“ steckt im Kern ein zentrales Merkmal: die Vernetzung – und damit einhergehend eine immer weitergehende Automatisierung und Optimierung von Produktions-, Logistik- und Serviceprozessen. Während die ersten drei Entwicklungsstufen der industriellen Produktion durch mechanische (Industrie 1.0), elektronische (Industrie 2.0) und informationstechnologische Innovationen (Industrie 3.0) geprägt waren, bedeutet Industrie 4.0, dass klassische, industrielle Prozesse immer enger mit Informations- und Datentechnik zu sogenannten „Cyber-physical Production Systems“ (1) zusammenwachsen und dadurch – so die Vision – eine quasi selbststeuernde Produktion ermöglichen (vgl. die nachfolgende Grafik). 

Abbildung 2: Von Industrie 1.0 zu Industrie 4.0
Von Industrie 1.0 zu Industrie 4.0 (Quelle: ZF Friedrichshafen 2016)

Voraussetzung hierfür sind vor allem Sensoren und Steuerungsfunktionen, mit denen immer mehr Produkte, Geräte oder auch ganze Produktionsanlagen ausgestattet werden. Diese sind über das Internet vernetzt und können somit entsprechend programmiert und gesteuert werden („Internet der Dinge“). Dadurch wird es möglich, auf geänderte Anforderungen oder Bedingungen im Produktions- und Kundenumfeld deutlich flexibler zu reagieren. 

In der Industrie 4.0 entscheiden miteinander vernetzte Menschen und  Objekt kooperativ
In der Industrie 4.0 entscheiden miteinander vernetzte Menschen und Objekt kooperativ (Quelle: Fraunhofer-Institut IAO: Produktionsarbeit der Zukunft – INDUSTRIE 4.0)

Der Begriff „Wirtschaft 4.0“ soll verdeutlichen, dass von der zuvor beschriebenen Vernetzung nicht nur industrielle Prozesse im engeren Sinne betroffen sind, sondern generell das gesamte wirtschaftliche Handeln unserer Gesellschaft. Das gilt insbesondere für das Zusammenspiel zwischen Herstellern und Lieferanten, Händlern und Kunden. Kurzum: Jedes wirtschaftliche Handeln – sei es in der Rolle des Herstellers oder der des Kunden/Nutzers – kann mithilfe der Datentechnik beobachtet, gemessen und vernetzt werden. So endet beispielsweise die Beziehung zwischen einem Händler und Kunden heute oft nicht mehr mit dem Abschluss eines Verkaufs, sondern sie dauert an und wird sogar noch weiter ausgebaut (E-Business, E-Commerce). Denn die jeweilige Nutzung eines „intelligenten“ Produkts lässt Rückschlüsse auf das Handeln des Kunden zu, z. B. auf Probleme, Wünsche oder Anforderungen, die wiederum in neue Geschäftsmodelle, Angebote oder Produkteigenschaften umgesetzt werden können. Mit anderen Worten: Die „Angebotsseite“ wird mit der „Nachfrageseite“ vernetzt – beide Seiten geraten in ein dauerhaftes Wechselverhältnis. Mussten früher zunächst Daten – z. B. mithilfe der Marktforschung – aufwändig erhoben und dann in die Entwicklung und Produktion eingespeist werden, so kann im Zeitalter von Wirtschaft 4.0 das Produkt, Gerät oder die Maschine selbst Kennziffern und Daten bereitstellen, die dann analysiert und verarbeitet werden. 

Basistechnologien Fotomontage
© industrieblick / Maridav / Petair / vectorfusionart - Fotolia.com

Möglich wird dies, wie erwähnt, durch die Verbreitung „intelligenter“ Technik, beispielsweise Pkw oder Industrieroboter, Armbanduhren oder Rasenmäher, Herzschrittmacher oder Ultraschallgeräte. All diese vernetzten Geräte und Produkte umfassen drei Kernelemente:

  • Physische Komponenten, also mechanische und elektronische Bauteile
  • „Intelligente“ Komponenten, also Sensoren, Mikroprozessoren, Datenspeicher, Steuerungselemente, Software, integrierte Betriebssysteme oder auch visuelle Bedienoberflächen
  • Vernetzungskomponenten, also Schnittstellen, Antennen, Protokolle sowie Netzwerke

Letztere ermöglichen die Kommunikation zwischen Produkt und Cloud, dem externen Betriebssystem eines Produkts.

Diese neuartigen Geräte sind eingebettet in Plattformen, die einen ständigen Datenaustausch zwischen Produkt und Nutzer erlauben und Informationen aus Unternehmenssystemen mit externen Quellen verbinden (z. B. Wetter-, Geo- oder Verkehrsdaten). 

Machine Monitoring
© vectorfusionart – Fotolia.com

Hierdurch werden sechs neue Leistungsmerkmale möglich:

1. Überwachung:
Die vernetzten Geräte oder Produkte können sich selbst und ihr Umfeld überwachen und so Erkenntnisse über ihre Leistung, Funktionen und Anwendung liefern.
Beispiel: Eine industrielle Produktionsanlage generiert bei einer Störung eine entsprechende Information, sendet diese via Internet an die Leitstelle und löst dort eine Reparatur unter Berücksichtigung von Zeit, Personal und Material aus („Smart Factory“).

2. Fernsteuerung:
Anwender können dank Vernetzung komplexe Aufgaben auch aus der Ferne steuern (z. B. in gefährlichen oder schwer zugänglichen Bereichen).

Beispiel: In der Landwirtschaft werden Daten aus Feuchtigkeitssensoren mit Wettervorhersagen kombiniert, um z. B. Bewässerungsanlagen zu optimieren und zentral zu steuern – und so den Wasserverbrauch zu senken („Smart Farms“).

3. Optimierung:
Die Kombination aus Überwachung und Fernsteuerung ermöglicht auch die Optimierung der gesamten Prozesskette: von der Beschaffung über die Produktion bis hin zur Auslieferung. So lassen sich Leistung, Auslastung und Verfügbarkeit vernetzter Systeme z. B. in Produktions- oder landwirtschaftlichen Betrieben verbessern.

Beispiel: Im Fuhrparkmanagement können auf Basis der automatisch generierten Informationen darüber, wann die Fahrzeuge eine Inspektion benötigen und wo sie sich gerade befinden, Wartungstermine geplant, Ersatzteile bestellt und so die Effizienz von Reparaturen gesteigert werden.

4. Automatisierung:
Das Zusammenspiel aus Datenkontrolle, Fernsteuerung und Optimierung ermöglicht eine weitgehende Automatisierung: Geräte, Maschinen und Produkte können sich ihrem Umfeld und den Präferenzen der Anwender anpassen, sich selbst warten oder selbstständig funktionieren.

Beispiel 1: Mit dem Internet verbundene Thermostate steuern Heiz- und Kühlanlagen und übertragen Nutzungsdaten an Versorger und Hersteller, die entsprechende Leistungsparameter regulieren („Smart Home“).

Beispiel 2: Die Verkaufsdaten aus einem ERP-System zu bestimmten Produktvarianten (z. B. unterschiedliche Joghurtsorten) führen zu einer automatischen Steuerung der Produktionsanlage und somit quasi zu einer selbst organisierten Neukonfiguration.

5. Serviceorientierung:
Wenn Unternehmen zu jedem Zeitpunkt über Absatzzahlen oder Verwendungsformen ihrer Produkte Bescheid wissen, können sie sehr flexibel reagieren und zum Beispiel anstatt eines einmaligen Kaufpreises auch nutzungsabhängige Gebühren erheben. Nach dem Vorbild der Softwareindustrie, wo bereits seit Langem Mietmodelle üblich sind („Software as a Service“, SaaS), entwickeln heute selbst traditionelle Technologieunternehmen neue Produktmietservices („Product as a Service“).
Beispiel: Rolls-Royce bietet den Fluggesellschaften ein „Power-by-the-hour“-Modell an, wonach nur noch eine Gebühr für die Zeit zu bezahlen ist, in der ein Triebwerk tatsächlich genutzt wird. Neben neuen Abrechnungsmöglichkeiten, etwa nach Nutzungszeit, Umfang oder Häufigkeit wird dadurch eine kontinuierliche Verbesserung und Erweiterung (Updates und Upgrades) sowie die Wartung aus der Ferne (Fernzugriff) möglich. Selbstverständlich hat all dies auch erhebliche Auswirkungen auf den Vertrieb und das Kundenbeziehungsmanagement.

6. Produktindividualisierung:
Durch zunehmende Vernetzung und intelligentere Produktionsabläufe sowie durch additive Verfahren und 3D-Druck wird es möglich, noch kundenspezifischer zu produzieren. Heute können fast alle Produkte auch in kleinen Serien bis hin zu Losgröße 1 angeboten werden – und das bei einer Kostenstruktur, die früher nur bei größeren Losgrößen denkbar war und bei relativ standardisierten Produkten.
Beispiel: Kunden können spezifische Wünsche für einen Sportschuh im Netz selbst konfigurieren, die Daten gehen direkt für alle weiteren Schritte in die Engineering- und/oder die Produktionsdaten ein.

Prägende Technologien für die Wirtschaft 4.0

Automatisierung
© xiaoliangge – fotolia.com

Hinter diesen Leistungsmerkmalen und Potenzialen stehen unterschiedliche Technologien, die in der Diskussion über Industrie und Wirtschaft 4.0 immer wieder genannt werden. Die im Auftrag des VDMA erstellte Studie „Industrie 4.0 – Qualifizierung 2025“ aus dem Jahr 2016 kommt zu dem Ergebnis, dass es vor allem fünf Technologien sind, die die Wirtschaft 4.0 entscheidend prägen werden (2).

1. Web 2.0/Mobile Geräte:
Nutzung von webbasierten Tools z. B. zur Kommunikation über Schichteinsatz in der Produktion und/oder Verwendung von mobilen Endgeräten wie Tablets zur Überwachung/Steuerung von Maschinen.

2. Cyber-physische Systeme/Internet der Dinge:
Vernetzung von Maschinen und Produkten, ggf. auch mit logistischen Prozessen sowie der Möglichkeit dezentraler Produktionssteuerung und des Einbezugs von Nutzerdaten (Big Data). Dabei spielt vor allem der Einsatz von optischen und akustischen, elektronischen und sogar biologischen (Nano-)Sensoren zur Messung und Überwachung bestimmter Material-, Prozess- oder Umwelteigenschaften eine wesentliche Rolle. Auch Mikrosender und Empfänger (wie z. B. RFID) für die berührungslose Identifikation werden im Bereich der Prozesssteuerung und Logistik unverzichtbar.

3. 3-D-Druck/additive Verfahren:

individualisierte Fertigungsverfahren (Lasersintern), die nicht nur im industriellen Kontext (bei Kleinserien), sondern vor allem auch im Bereich der Medizin (Prothesen, Zahnmedizin) zunehmend zum Einsatz kommen.

4. Robotik:
Übertragung physischer Interaktionen auf programmierte Industrie- oder Serviceroboter, die sensorgesteuert und z. T. mithilfe von künstlicher Intelligenz handwerklich-manuelle Aufgaben übernehmen können. Dabei sind insbesondere auch neue Ansätze in der Robotik (adaptive Roboter, Leichtbauroboter, Zweiarmroboter) zu berücksichtigen.

5. Wearables und Augmentation:
Gemeint sind intelligente Handschuhe, Datenbrillen, Smartwatches oder ähnliche körpernahe Geräte, die einem Mitarbeiter beispielsweise computergenerierte Zusatzinformationen zu seiner direkten Unterstützung in einer realen Handlungssituation anbieten.

weiter zu Teil 2: Kompetenzen für die Industrie 4.0