Fraunhofer IESE - Industrie 4.0 und COVID-19 - wandelbare Produktion

Industrie 4.0 zur Bekämpfung von COVID-19

Industrie 4.0 verspricht viele Vorteile, wie etwa eine wandelbare Produktion. Doch welchen Beitrag kann Industrie 4.0 zur Bekämpfung von Krisen wie der COVID-19-Pandemie leisten? Und wie können zukünftige Krisenreaktionen durch Industrie 4.0 verbessert werden?

Die COVID-19-Pandemie ist allgegenwärtig. Ihre Auswirkungen sind in jedem Bereich drastisch spürbar, sei es im Privaten oder im Arbeitsumfeld. Umso verständlicher ist es, dass mit Hochdruck an verschiedenen Stellen zur Bekämpfung entweder der Verbreitung oder der Auswirkungen des Virus gearbeitet wird.

So wird an Antikörpertests und einem Impfstoff geforscht, die eine rasche Rückkehr zur Normalität versprechen. Zusätzlich explodiert die Nachfrage nach medizinischer Ausrüstung. Dieser Bedarf ist kaum mehr zu decken. Zur Abfederung dieser Engpässe wollen auch branchenfremde Betriebe beitragen. Verschiedene Autohersteller haben zum Beispiel ihre Unterstützung bei der Produktion von Beatmungsgeräten zugesagt [1]. Allerdings stellt diese Änderung des Produkts die Hersteller vor große Herausforderungen. Als Folge können ursprünglich prognostizierte Stückzahlen nicht produziert werden [2]. Grund dafür sind die langen Umbauzeiten, die mehrere Monate in Anspruch nehmen können [3]. Diese langen Umbauzeiten sind der mangelnden Wandelbarkeit bestehender Anlagen geschuldet. Kleine Änderungen im Produktionsablauf können unvorhergesehene Seiteneffekte hervorrufen, die nur durch langwierige Tests gefunden und beseitigt werden können. Außerdem muss eine Linie typischerweise stillstehen, während sie umgerüstet wird.

Industrie 4.0 und die wandelbare Produktion als Schlüsseltechnologien im Kampf gegen COVID-19

Je länger diese Rüstzeit ist, umso länger gestaltet sich schließlich auch die Stillstandzeit. Daraus resultieren hohe Kosten für die Änderung einer Produktion. Abhilfe schafft hier die wandelbare Produktion. Wandelbarkeit ist hierbei definiert als die Reaktionsfähigkeit auf unvorhergesehene Ereignisse mit geringem Arbeitsaufwand [4], wie etwa die schnelle Transformation einer Produktionsstraße für Automobile auf medizinisches Equipment.

Genau hier setzen die Forschungen des Fraunhofer IESE im Bereich Industrie 4.0 an. Eine wichtige Technologie ist dabei der Digitale Zwilling. Hierbei handelt es sich um eine virtuelle Repräsentanz eines Assets, z.B. eines Geräts oder eines Produkts. Dieser Digitale Zwilling wird am Fraunhofer IESE durch Verwaltungsschalen implementiert [5]. Bei einer Verwaltungsschale handelt es sich um einen Digitalen Zwilling mit einer standardisierten Struktur [6]. Diese Standardisierung wird von der Plattform Industrie 4.0 vorangetrieben, einem Netzwerk unabhängiger Entitäten aus Wirtschaft und Forschung, die gemeinsam Konzepte für Industrie 4.0 definieren.

Durch die Verwaltungsschale und durch Fähigkeitenbeschreibungen wird die Wandelbarkeit von Fabriken befördert. Fähigkeiten definieren dabei den Einfluss, den ein Gerät auf ein anderes Asset haben kann. Beispielsweise beschreibt die Fähigkeit »Bohren«, dass ein Gerät eine zylindrische Vertiefung in einem Werkstück erzeugen kann. Durch diese Instanziierung einer dienstbasierten Fertigung wird die wandelbare Fabrik ermöglicht. Eine dienstbasierte Fertigung funktioniert dabei wie folgt: Jedes Gerät bietet seine Fähigkeiten in Form von Diensten an. Ein Dienst kann dabei zum Beispiel »Bohre Loch« sein, das dann über Tiefe und Durchmesser parametrisiert wird. Dieser Dienst kann dann beliebig parametrisiert und aufgerufen werden.

Der Vorteil hiervon liegt auf der Hand: Dienstanbieter können beliebig ausgetauscht werden, solange der angebotene Dienst identisch bleibt.

Als Analogie zur Verdeutlichung dieses Konzepts kann das Ausdrucken eines Word-Dokuments betrachtet werden: Unabhängig von dem genutzten Drucker bleibt der Workflow immer gleich. Ein Austausch des Druckers ändert nicht den Workflow, da ein neuer Drucker weiterhin den gleichen Dienst bietet: »Drucke Inhalt auf Papier«. Der Austausch des Druckers erfordert also keinerlei langwierige Umkonfigurationen oder Änderungen am Workflow.

Genauso können Produkte über die notwendigen Dienste für ihre Fertigung definiert werden. Soll nun ein neues Produkt eingeführt werden oder ein bestehendes Produkt geändert werden, muss nur ein neuer Workflow definiert werden. Fehlen zur Herstellung des Produkts Dienste, können diese mit entsprechenden Diensterbringern, also Geräten, nachgerüstet werden. Abbildung 1 verdeutlicht dieses Konzept.

Die dienstbasierte Produktion und deren Umsetzung am Fraunhofer IESE beleuchtet der Blog-Eintrag »BaSys 4.0 – Eine dienstbasierte Industrie-4.0-Architektur« des Fraunhofer IESE Division Manager Dr. Thomas Kuhn im Detail.

Fraunhofer IESE - Industrie 4.0 und COVID-19: Darstellung der Planung in der wandelbaren Produktion
In der dienstbasierten Produktion werden Produktbeschreibungen mit Gerätebeschreibungen durch Orchestratoren verknüpft, um einen dynamischen Produktionsplan zu erstellen. (Quelle: Fraunhofer IESE)

Wandelbare Produktion zur schnellen Herstellung lebensrettenden Equipments

Wie aber kann dieses Konzept in der aktuellen Situation helfen? Dazu stellen wir uns vor, die oben genannten Automobilhersteller würden bereits eine dienstbasierte Fertigung nutzen. Jedes Gerät definiert also verschiedene Dienste, die es ausführen kann. Zusätzlich wird die Autoproduktion über eine Verkettung von Dienstaufrufen definiert. Tritt eine Krise wie die COVID-19-Pandemie auf, kann das Produkt schnell gewechselt werden. Der Automobilhersteller kann mit wenig Aufwand von der Produktion eines Autos auf die Produktion eines Beatmungsgeräts wandeln. Hat er alle notwendigen Diensterbringer vor Ort, reicht eine einfache Änderung der Produktbeschreibung. Fehlt ein Diensterbringer, kann dieser dynamisch über ein neues Gerät nachgerüstet werden. Dieses registriert sich und die Fertigung kann direkt beginnen.

Ein anderes Beispiel, wie die wandelbare Produktion in der aktuellen Krise unterstützen kann, ist die Produktion eines Impfstoffs. Sobald dieser gefunden ist, muss die Produktion schnellstmöglich beginnen. Eine aufwändige Umstellung der Produktion vergeudet Zeit, was sich in der Konsequenz in erhöhten Fallzahlen niederschlägt.

Genau hier zeigt sich erneut der Vorteil der wandelbaren Produktion: Die Änderung der Produktion für den SARS-CoV-2-Impfstoff kann mit geringem Aufwand erfolgen. Analog kann die Fertigung schnell zur Produktion zukünftiger Impfstoffe gewandelt werden.

Die dienstbasierte Fertigung erlaubt aber nicht nur einen schnellen Wechsel von Produkt und produzierender Ressource, sondern auch einen vereinfachten Austausch mit anderen Herstellern. Ein einmal dienstbasiert definiertes Produkt kann anderen Herstellern mit einer dienstbasierten Produktion zugänglich gemacht werden. Im Idealfall können diese dann direkt mit der Produktion beginnen. Als Konsequenz können in Krisenzeiten in öffentlichen zugänglichen Quellen dienstbasierte Baupläne für dringend benötigte Ausrüstung abgelegt werden. Jeder Hersteller kann dann auf diese »Rezepte« zugreifen und das für die eigene Anlage jeweils bestgeeignete Rezept auswählen.

Mit Production-as-a-Service kann jeder einen Beitrag leisten

Hier zeigt sich auch eine weitere Stärke der dienstbasierten Fertigung: Durch die einfache Übertragbarkeit von Produkten ermöglicht sie Production-as-a-Service. Hierbei handelt es sich um ein neuartiges Geschäftsmodell, bei dem ein Fabrikbesitzer nicht mehr ein Produkt verkauft, sondern die Fertigungskapazitäten seiner Maschine. In der Welt der Software ist der X-as-a-Service-Gedanke bereits seit langem verankert. So können bei Cloud-Anbietern wie Amazon oder Microsoft dynamisch und on-Demand Rechenkapazitäten erhöht oder reduziert werden – ganz nach dem momentanen Bedarf.

In Bereichen wie dem 3D-Druck gibt es schon lange Dienstanbieter, bei denen ein einfaches Hochladen von Bauplänen inklusive ad-hoc Preisberechnung möglich ist. Hier konnte sich der Production-as-a-Service-Gedanke bereits frühzeitig durchsetzen, da Umkonfigurationen auf ein spezifisches Produkt bei 3D-Druckern typischerweise keinen bis wenig Aufwand erfordern.

Anders sieht es aus den bereits geschilderten Gründen in der klassischen Fertigung aus. Dabei bietet auch hier der X-as-a-Service-Gedanke für alle Beteiligten viele Vorteile.

Fraunhofer IESE - Vorteile von Production-as-a-Service für Industrie 4.0

Ein Beispiel: Red Bull besitzt keinerlei eigene Produktion [6]. Stattdessen fokussiert sich Red Bull rein auf das Marketing und nutzt die Produktionskapazitäten eines Partners. Dabei handelt es sich aber um eine der wenigen Ausnahmen, die bereits Production-as-a-Service nutzen.

Wie aber kann Production-as-a-Service zur Krisenbewältigung beitragen? Eingangs wurde bereits beschrieben, dass es als branchenfremder Anbieter nicht einfach ist, medizinisches Equipment herzustellen. Zusätzlich zu den Aufwänden für die Umstellung der Fertigung gibt es vielleicht Teile, die nicht selbst gefertigt werden können. Mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit kann aber ein anderer Hersteller diese Lücke schließen, dem wieder andere Teile zum Gesamtprodukt fehlen. Eine zentrale Stelle kann nun diese Einzelteile zu einem funktionierenden Ganzen zusammensetzen. Zwar ist ein solcher Ansatz auch bereits heute denkbar, aber mit einem immensen Mehraufwand verbunden.

Bieten stattdessen verschiedene Hersteller einen einfachen Zugang zu ihren Produktionskapazitäten, z.B. über ein Web-Portal oder eine einheitliche Schnittstelle, kann in Krisenzeiten schnell dringend benötigte Ausrüstung dezentral gefertigt werden. Jeder Hersteller liefert dann mit den Teilen, die er herstellen kann, einen wichtigen Beitrag zur Bekämpfung der Krisensituation.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass Industrie 4.0 durch die wandelbare Produktion nicht nur viele Vorteile außerhalb von Krisenzeiten bietet, sondern auch als eine Schlüsseltechnologie für die Bekämpfung der Auswirkungen von Pandemien wie COVID-19 betrachtet werden sollte.

Das Fraunhofer IESE forscht an der Wandelbarkeit von Produktionsanlagen im Projekt BaSys 4.2. Dort wird mit Eclipse BaSyx eine Open-Source-Middleware entwickelt, die einen schnellen Einstieg in die Welt der Industrie 4.0 ermöglicht. Sie unterstützt mit der Verwaltungsschale den standardisierten Digitalen Zwilling der Zukunft. Zusätzlich bietet sie viele Komponenten, die eine einfache Umsetzung von Industrie 4.0 ermöglichen.

In einer Kooperation mit NetApp und objective partner wird mit ShopFloor 4.0 die kommerzielle Variante der Lösung mit umfänglichen Support-Paketen und schlüsselfertigen Lösungen angeboten.

[1] https://www.n-tv.de/wirtschaft/Autobauer-ruesten-auf-Atemgeraete-um-article21657806.html
[2] https://www.tagesschau.de/ausland/corona-trump-kriegsgesetz-101.html
[3] https://www.spiegel.de/auto/corona-krise-warum-die-autohersteller-keine-beatmungsgeraete-produzieren-koennen-a-87ad5255-773d-451d-84e8-9173315cb5b4
[4] https://www.plattform-i40.de/SiteGlobals/PI40/Forms/Listen/Glossar/DE/Glossar_Formular.html?titlePrefix=W
[5] Rainer Drath, Somayeh Malakuti, Sten Grüner, Ullrich Epple, Michael Hoffmeis-ter, Patrick Zimmermann, Julian Grothoff und Constantin Wagner, „Die Rolle der Industrie 4.0 ‚Verwaltungsschale‘ und des ‚digitalen Zwillings‘ im Lebens-zyklus einer Anlage“, Automation 2017
[6] https://www.plattform-i40.de/PI40/Redaktion/DE/Downloads/Publikation/Details-of-the-Asset-Administration-Shell-Part1.html
[7] https://vorarlberg.orf.at/v2/news/stories/2571394/

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Die COVID-19-Pandemie hinterlässt Spuren im Alltag, bei der Gesundheit der Menschen, bei den Unternehmen, bei der hiesigen Ökonomie und der Weltwirtschaft. Expertinnen und Experten von Fraunhofer IESE bringen ihr Know-How ein, um Wirtschaft und Gesellschaft bei der Bewältigung direkter Auswirkungen und späterer Folgen zu unterstützen. Lesen Sie weitere Artikel in Bezug zu Corona und Fraunhofer IESE.

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