Digitalisierung in der Produktion Chancen und Herausforderungen

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1 Digitalisierung in der Produktion Chancen und Herausforderungen Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h. c. mult. Michael Schenk Dipl.-Ing. Stefan Leye Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Magdeburg, 14. April

2 Agenda Die Vision Industrie 4.0 und die Veränderungen in der Produktion Herausforderungen für Mensch und Organisation in der Gießereibranche Beispielanwendungen für die Praxis Zusammenfassung und Ausblick -2-

3 Agenda Die Vision Industrie 4.0 und die Veränderungen in der Produktion Herausforderungen für Mensch und Organisation in der Gießereibranche Beispielanwendungen für die Praxis Zusammenfassung und Ausblick -3-

4 Veränderungen der Produktion infolge Industrie 4.0 Definition Industrie 4.0 Industrie 4.0 meint im Kern die technische Integration innovativer Technologien in Produktion und Logistik, unter Anwendung des Internets der Dinge und Dienste Produktionsanlagen werden intelligent miteinander vernetzt Quelle: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0, Forschungsunion, acatech

5 Veränderungen der Produktion infolge Industrie 4.0 Industrie 4.0 Herausforderungen für die Gießereibranche Steigende Volatilität am Markt Steigerung der Flexibilität Energieeffizienz Erzeugung und Verbrauch harmonisieren Flexibilisierung von Produktion und Arbeit Intelligent Automatisieren Prozesswissen ausbauen Prozessoptimierung Ausschussquote senken Herausragende Qualität Prozesse qualitätsgerecht online steuern -5-

6 Agenda Die Vision Industrie 4.0 und die Veränderungen in der Produktion Herausforderungen für Mensch und Organisation in der Gießereibranche Beispielanwendungen für die Praxis Zusammenfassung und Ausblick -6-

7 Steigende Volatilität am Markt Arbeits- und Zeitflexibilität (1/2) Deutsche Unternehmen erwarten eine weiterhin steigenden Volatilität So viele Unternehmen haben heute starke Schwankungen im Personalbedarf sehen zukünftig verstärkt kurzfristige Schwankungen 56% 41% 44% 27% 47% 15% 11% 60% von Monat zu Monat von Woche zu Woche von Tag zu Tag innerhalb eines Tages Deutsche Unternehmen sehen eine hohe Flexibilität als Schlüssel für den Erhalt und Ausbau einer wettbewerbsfähigen Industrie. Studie Produktionsarbeit der Zukunft Industrie 4.0, Fraunhofer IAO,

8 Steigende Volatilität am Markt Arbeits- und Zeitflexibilität (2/2) Tätigkeiten in der Metallindustrie manuell Holweg, M.; Pil, F.K. : The Second Century Reconnecting Customer and Value Chain through Build-to-Order.Cambridge: MIT Press der Industrie- Unternehmen finden keine technischen Fachkräfte. DIHK-Arbeitsmarktreport /3 aller Fehltage durch Muskel-Skelett- Leiden und psychische Erkrankungen Produktionsausfallkosten Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit, baua 2012 Jeder Arbeiter im Metallgewerbe ist zwischen 45 und 55 Jahren alt. Statistisches Handbuch für den Maschinenbau, Ausgabe 2012, VDMA Volkswirtschaft und Statistik. Anteil Generation 50+ an Erwerbstätigen Heute 2025 Demografiemanagement 2011, Pricewaterhouse- Coopers AG Wirtschaftsprüfungsgesellschaft,

9 Steigende Volatilität am Markt Beispielanwendungen (1/2) Lern- und Assistenzsystem in der Produktion Zielgerichtete Flexibilität in der Produktionsarbeit Realisierung von Arbeits- und Zeitflexibilität Flexibilität in der Belegschaft je nach Auftragslage z. B. in Zeiten von Auftragsspitzen Saisonbedingtes Aufstocken des Mitarbeiterstammes Notwendigkeit Adäquates Einarbeiten von Saisonarbeitern direkt am Arbeitsplatz Neue Qualifizierungsmethoden Integration intelligenter Assistenzsysteme für Mitarbeiter Flexibel Individuell adaptiv -9-

10 Steigende Volatilität am Markt Beispielanwendungen (2/2) Mobile Assistenzsysteme für Betrieb und Wartung Direkte Information über Status, Fehler und Wartungsdaten von Maschinen und Anlagen Unterstützung bei der Identifikation der Fehlerart und -lokalisation Handlungsanweisungen für Fehlerbehebung und Wartungsprozesse Zugriff auf Online-Informationen sowie auf angebundene Informationssysteme Assistenzsysteme als Tablet, Smartphone oder HMD Lösungen Interaktionsmethoden für geringe Beeinträchtigung der Primärtätigkeiten -10-

11 Intelligent Automatisieren Prozesswissen ausbauen (1/1) Hoher Preis- und Wettbewerbsdruck Intelligent Automatisieren Prozesswissen muss bei gesteigerter Automatisierung mitwachsen Identifikation prozessrelevanter Parameter Einsatz innovativer Messtechnologien (Sensorik) zum Erfassen der identifizierten Maßgrößen und Prozessparameter Messaufwand ist überschaubar Messmöglichkeiten sind hoch Chancen Gesteigerte Prozesssicherheit Gesteigerte Wirtschaftlichkeit -11-

12 Intelligent Automatisieren Beispielanwendungen (1/1) Teilautomatisierte Fertigungsanlage für Filterelemente Komplexität Digital Engineering and Operation Nutzen AutoWinder 1 für die LANXESS AG bestehend aus insgesamt 13 Baugruppen Bauteile 800 Sensoren 150 pneumatische Aktoren 30 elektrische Antriebe ständige Auswertung: Vergleich von Soll- und Ist- Daten von virtueller und realer Anlage Übermittlung des Anlagenzustands, z. B.: Fehlercodes inkl. Lösungsstrategien Wartungsinformationen -12-

13 Herausragende Qualität Prozesse qualitätsgerecht steuern (1/2) Qualität als Alleinstellungsmerkmal im internationalen Wettbewerb Ziel: Prozess anhand der gemessenen Qualität online steuern Prozessinformationen/-wissen intelligent erfassen und nutzen Raues Umfeld für den Einsatz intelligenter Technologien zur qualitätsgerechten Prozesssteuerung Hitze, Staub, Schlag, aggressive Umweltbedingungen Metallurgischer Aufbringungsgrund der Transponder Metallische Umgebungen beeinträchtigen die Werkstückerfassung über RFID-Technologie (mitunter ätzende) Flüssigkeiten -13-

14 Herausragende Qualität Prozesse qualitätsgerecht steuern (2/2) Herausforderungen der Werkstückverfolgung (RFID) Elektromagnetische Wellen können Metall nicht durchdringen (Skin Effekt) Überlagerungen Signalauslöschungen Transponder ändern auf Metall ihre Eigenschaften Tags sind empfindlich Kapselung hält Hitze nicht ewig fern und vergessen Sie nicht die Lesegeräte! Folgen Verringerte Schreib-/ und Leseentfernungen sowie schlechte Erkennungsraten Teure Tags für robustes Produktionsumfeld kurze Lebensdauer -14-

15 Herausragende Qualität Beispielanwendungen (1/2) Werkstückverfolgung über direkt in das Gussteil eingelassene Transponder Werkzeuge mit produktionsrelevanten Informationen versorgen Qualitätsgerechte Steuerung/Dokumentation der Produktion durch intelligente Werkstücke Nutzen Für Gießerei Werkstückrückverfolgung Produktionsdokumentation Genaue Zuordnung Werkstück - Charge Für Kunden Intelligentes Gussteil als Option Individuelle Datensätze aufspielbar Bettina Rohrschneider, Fraunhofer IFF -15-

16 Herausragende Qualität Beispielanwendungen (2/2) Fraunhofer-Forschungsprojekt «Casttronics» Ziel Direkte Integration elektronischer und adaptronischer Komponenten in Leichtmetallgussbauteile Herausforderungen Extrembedingungen während des Gießprozesses Drahtlose Energieübertragung in das Bauteil hinein Mechanische Anbindung von Sensoren / Aktoren Lösung Direktes Eingießen von Piezosensoren in die Bauteilstruktur Direkte Messung von Parametern am Wirkungsort Ergebnisse Schutz vor Verschmutzung, Beschädigung und Verlust Optimale Anbindung der Sensorelemente an die Materialstruktur -16- Fraunhofer IFAM Fraunhofer IFAM

17 Energieeffizienz Erzeugung und Verbrauch harmonisieren (1/3) Bis Effizienzsteigerung von allein in der metallerzeugenden Industrie KERNKRAFT KOHLE ERDÖL/GAS BIOMASSE SONNE WIND WASSER Primärenergieverbrauch in der industriellen Produktion bis zu Stromkosten gespart Fraunhofer-Gesellschaft, Energieeffizienz in der Produktion, Energieeinsparpotenzial in der industriellen Produktion Fraunhofer-Gesellschaft, Energieeffizienz in der Produktion, fast doppelt soviel wie Gewerbe, Handel und Dienstleistung zusammen Roland Berger, Studie: Effizienzsteigerung in der stromintensiven Industrie, 2011.

18 Energieeffizienz Erzeugung und Verbrauch harmonisieren (2/3) Treiber für die Strompreisentwicklung Atomausstieg führt zur Angebotsverknappung Ausbau von Stromnetzen für erneuerbare Energien Kosten für CO2 Zertifikate und Brennstoffe Erneuerbare-Energien-Gesetz und EEG-Umlage Prognose Anstieg des Strompreises um ~ 70% in den nächsten 20 Jahren Besonders betroffen Stromintensive Industrien Effizienzsteigerungspotenzial insb. beim Schmelzprozess heben Quelle: Roland Berger, Studie: Effizienzsteigerung in stromintensiven Industrien, München

19 Energieeffizienz Erzeugung und Verbrauch harmonisieren (3/3) Energieadaptive Produktionssysteme in der Gießerei-Industrie Herausforderung Energieverfügbarkeit als «neuer Steuerungsparameter» in der Produktion Lösung Entwicklung von Prognosemodellen für Energiebedarf in Abhängigkeit vom Produktionsprogramm Strategien zur Synchronisation von Energiebedarf und -verfügbarkeit mit dem Ziel der minimalen Energiekostenverursachung -19-

20 Energieeffizienz Beispielanwendungen (1/2) Innovationscluster ER-WIN Herausforderung Höhere Energieeffizienz in Sachsen-Anhalts Unternehmen Leitsätze Man muss den Energieverbrauch kennen, um ihn zu beherrschen! Optimieren vor investieren! Energie ganzheitlich betrachten! Dienstleistungen Identifikation von Potentialen für effizienten Energieeinsatz Produktion nachhaltig energieeffizient gestalten

21 Energieeffizienz Beispielanwendungen (2/2) Kunststoffindustrie Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen Herausforderung Energetische Optimierung der Produktionsprozesse Lösung Prozessoptimierung durch Reststoffnutzung Direkte Abgasbeheizung von Produktionsstrecken für Mehrkomponenten- Endlosstrangmaterial Energieverbrauch 67% Energiekosten 87% Durchlaufzeit 30% -21-

22 Agenda Die Vision Industrie 4.0 und die Veränderungen in der Produktion Herausforderungen für Mensch und Organisation in der Gießereibranche Beispielanwendungen für die Praxis Zusammenfassung und Ausblick -22-

23 Zusammenfassung und Ausblick Digitalisierung ist der große Innovationstreiber unserer Zeit Das konsequente Zusammenführen der realen und virtuellen Welt ermöglicht neue Formen der Prozesssteuerung und -optimierung Der I4.0-Gedanke wird aber vor allem im Mittelstand nur zögerlich angenommen Es gibt nicht die allgemeingültige I4.0-Lösung Der Weg dorthin ist unternehmensspezifisch geprägt I4.0 kann nur gelingen, wenn verstärkt Pilotlösungen im Gießereigewerbe umgesetzt werden Intensive Zusammenarbeit mit Dienstleistern Deutsche Gießereien haben unter den genannten Voraussetzungen beste Chancen, Leitanbieter auf dem Leitmarkt zu werden -23-

24 Ihr Technologiepartner für angewandte Forschung in Sachsen-Anhalt Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Sandtorstraße Magdeburg Telefon: Virtual Development and Training Centre des Fraunhofer IFF Magdeburg Joseph-von-Fraunhofer-Straße Magdeburg -24-