Produzieren in Deutschland Wettbewerbsfähigkeit im 21. Jahrhundert

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1 Produzieren in Deutschland Wettbewerbsfähigkeit im 21. Jahrhundert Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dieter Spath Fraunhofer IAO

2 Chinas Wirtschaft schwächelt! Wachstum des realen Bruttoinlandsprodukts (BIP) in den wichtigsten Industrie- und Schwellenländern in den Jahren 2011 und 2012 und Prognose für 2013 und 2014 (gegenüber dem Vorjahr) Veränderung des BIP zum Vorjahr in % USA China Japan Deutschland Frankreich Großbritannien Brasilien Russland Indien * 2014* und wächst doch 4-mal stärker als unsere Quellen: Schlagzeile: Handelsblatt, Statistik: Statista GmbH

3 Produktion in Deutschland Beschäftigte und Branchen Beschäftigte in Deutschland (2011)* Beschäftigte in den Branchen in Deutschland (2011)** 7,7 Mio. 2,4 Mio. Produzierendes Gewerbe Baugewerbe Maschinenbau 17% Automobil- 30,3 Mio. Dienstleistungsbereiche Sonstige 53% Branchen bau 14% 0,7 Mio. Summe 41,1 Mio. Land- und Forstwirtschaft Die Produktion ist bis heute der zentrale Treiber für Wertschöpfung und Beschäftigung Elektrische Ausrüstung 7% Metallerzeug- nisse Allein Maschinenbau und Automobilbranche stellen 1/3 Drittel des Umsatzes aller Produktionsbranchen dar! 9% Anteil der Industrieproduktion am BIP: ca. 30% * Quelle: Statistisches Bundesamt, Stand 05/2012 ** Quelle: Statistisches Bundesamt, Stand 01/2012

4 Megatrends beeinflussen die Produktion von morgen* Globalisierung Durch - dringung mit neuen Technologien Dynamisierung der Produktlebens - zyklen Ressourcen - verknappung Lernende Gesellschaft / Wissensge - sellschaft Risiko der Instabilit ä t Terroranschl ä ge Demo - grafischer Wandel Klimawandel Mobilit ä t Wachstums - markt Lebensqualit ä t Megatrends wirken direkt und indirekt auch auf Entwicklung und Produktion *Quelle: Studie Produktionsforschung 2020 des BMBF, 2009

5 IT dringt von den Büros in die Produktion Produktdesign Produkt entwicklung Produktionskonzeptentwicklung Montageplanung Fabriklayout Rapid Production Durchgängiger Informationsfluss vom Produktdesign bis zur Produktion mit Feedback aus der Produktion an frühe Phasen

6 Die 4. Industrielle Revolution hat begonnen Konzept Smart Factory aus dem acatech-ak Industrie 4.0

7 Wettbewerbsfähig produzieren Industrie 4.0

8 Die Evolution von eingebetteten Systemen zum Internet der Dinge Vision: Internet der Dinge Intelligente Umgebung z.b. Smart City Cyber-Physical Systems z.b. Smart Factory, Smart Grid Vernetzte eingebettete Systeme z.b. Intelligente Kreuzung Eingebettete Systeme z.b. Airbag Quelle: PG Kommunikation, DFKI, 2012

9 Industrie 4.0 Cyber-Physical Systems CPS Cyber Physical Systems sind Produkte mit eingebetteter Hardund Software haben Sensoren und Aktoren, die auf die physikalische Welt reagieren nutzen Internetprotokolle und -Dienste zur Vernetzung interagieren über Anwendungsgrenzen hinweg steuern Unternehmen und ganze Wertschöpfungsnetzwerke in nahezu Echtzeit Quellen: und Gausemeier

10 Auf dem Weg zur Industrie 4.0 Erste Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)»Modicon 084«1969»Smart Factory«4. Industrielle Revolution auf der Basis von Cyber- Physical Systems Erster mechanischer Webstuhl 1784 Fließband bei Ford, Anfang 20. Jh. 3. Industrielle Revolution durch Einsatz von Elektronik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion 2. Industrielle Revolution durch Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit Hilfe von elektrischer Energie 1. Industrielle Revolution durch Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasser- und Dampfkraft Grad der Komplexität Ende 18. Jh. Beginn 20. Jh. Beginn 1970er heute Quelle: DFKI Beschäftigung Bestimmung Mitbestimmung Abstimmung/Kooperation Prozesse starr flexibel adaptiv in Echtzeit Ressourcen nach Prognose nach Verbrauch auftragsbezogen

11 Cyber-Physical Systems - Anwendungen Intelligente Stromzähler Ambient Assisted Living Vernetzte Navigationssysteme Fahrerassistenzsysteme EO smart connecting car Quellen: 1) 2) blogs.bournemouth.ac.uk / nullbarriere.de 3) Geisberger, Broy (Hrsg): agenda CPS/; 4) robotik.dfki-bremen.de

12 Cyber-Physical Systems Neue Geschäftsmodelle Anreicherung»konventioneller«Produkte mit CPS-Assistenten ermöglicht neue Leistungs- und Austauschprozesse: Apps im Automobil, Smartphone, Smartdevices, erfordert neue Kompetenzen und Geschäftsprozesse: Einbindung von Servicepartnern Nutzung Open Innovation Fraktale Leistungsabrechnung online und in Echtzeit Womit wird zukünftig Geld verdient?

13 Industrie 4.0 Cyber-Physikalische Produktionssysteme Vernetzte Menschen und Objekte entscheiden kooperativ Industrie 4.0 und der Mensch Vernetzte Objekte triggern und liefern die Informationen und Daten für Entscheidungen Aufbereitung und Verteilung der Informationen in Echtzeit Die Menschen / Mitarbeiter entscheiden, einzeln und in Gruppen Das heißt: Mobile IKT für Mitarbeiter auch im Shopfloor Zugriff auf Echtzeit-Informationen Gruppenkommunikation»Social Group Decisions«für die effektive Entscheidungsfindung

14 Industrie Menschen und Objekte entscheiden kooperativ Magazin auffüllen übernehme ich. Samstag geht leider nicht. Schalt mich an! Ich kann diesen Samstag arbeiten. Magazin leer, bitte auffüllen! Kapazität bis Freitag ausgebucht! Muss in 2h am Warenausgang sein!

15 Forschungsbeispiel: KapaflexCy Selbstorganisierter, flexibler Kapazitätseinsatz in Echtzeit als Wettbewerbsvorteil Schnelle Reaktionsfähigkeit durch selbstorganisierte Kapazitätsflexibilität in Produktionsunternehmen hochflexibel und kurzfristig koordiniert und unternehmensübergreifend direkte Beteiligung der ausführenden Mitarbeiter Nutzung von CPS zur Kapazitätskoordination Vernetzte Objekte triggern und liefern Informationen für Entscheidungen Aufbereitung und Verteilung der Informationen in Echtzeit Mitarbeiter entscheiden, einzeln und in Gruppen Vernetzte Menschen und Objekte entscheiden kooperativ

16 Wettbewerbsfähig produzieren Industrie 4.0 Ressourcen- und Energieeffizienz

17 Materialeinsparpotenzial Einschätzung im Verarbeitenden Gewerbe in Deutschland Anteil der Betriebe 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 42% 26% 20% 11% 0% 1 bis 5% 6 bis 10% über 10% Materialeinsparpotenzial Quelle: Erhebung»Modernisierung der Produktion«(2009), Fraunhofer ISI Mittleres Einsparpotenzial im Verarbeitenden Gewerbe: 7% Einsparung von 48 Mrd. EUR Materialkosten jährlich Geschätztes Einsparpotenzial bei Betrieben, die komplexe Produkte herstellen, ist höher als bei Betrieben, die einfache Produkte herstellen Quelle: Schröter et al. 2011

18 Forschungsbeispiel: Ressourceneffizienz Beispiel Elektroschrott: In einem Handy sind bis zu 30 verschiedene Funktionsmetalle, in einem Computer bis zu 50! Wichtige Forschungsfragen für Fraunhofer: 1 2 Wie lassen sich die wertvollen Rohstoffe, die in vielen Produkten stecken, intelligent und kostengünstig zurück gewinnen und nachhaltig wieder verwerten? Wie kann man ein Produkt von vornherein so gestalten, dass Recycling und Nachnutzung optimal möglich sind? 3 Wie können ökonomisch und ökologisch sinnvolle Werkstoffalternativen entwickelt werden, die eine langfristig gesicherte Rohstoffversorgung der verarbeitenden Industrie garantieren?

19 Ressourcen-Einsparpotenziale Beispiel Automobilbau Verwendetes Material Leichtbauweise z.b. Einsatz von Aluminium, Magnesium, kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff Downsizing z.b. 4 statt 8 Zylinder bei annähernd gleicher Leistung Sekundäre Effekte z.b. geringerer Hubraum weniger Verbrauch kleinerer Tank; weniger Gewicht geringere Trägheit kleinere Bremsen Beispiel Werkzeugmaschinen Effekt Einsparung ca. 200 kg /PKW ca. 100 kg /PKW ca. 50 kg /PKW Fraunhofer ICT Quelle: BMW Quelle: Audi Verwendetes Material z.b. CFK für Roboterarme, Keramik für Fräsmaschinen Fertigungsverfahren z.b. neuer Laser -> doppelter Wirkungsgrad, dreifache Schnittgeschwindigkeit Kühlmittel Synthetisches Kühlmittel statt Emulsion und gezielte Einspritzung deutlich gesenkter Energieaufwand Energieverbrauch sinkt um bis zu 75 % Verdopplung der Werkzeugstandzeiten Fraunhofer IPK, ICT, Trumpf, BMW, Audi

20 Energieeinsparpotenzial Einschätzung im Verarbeitenden Gewerbe in Deutschland Anteil der Betriebe 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 49% 32% 16% 3% 0% 1 bis 10% 11 bis 20% über 20% Geschätztes Energieeinsparpotenzial Mittleres Einsparpotenzial im Verarbeitenden Gewerbe: 15% Einsparung von 5 Mrd. EUR Energiekosten jährlich Kleinere, mittlere und große Betriebe kommen zu gleichen Einsparpotenzialen Quelle: Erhebung»Modernisierung der Produktion«(2009), Fraunhofer ISI, N = 1.321

21 Einstieg in die Energieeffizienzwirtschaft:»Was fehlt, sind marktwirtschaftliche AnreizeIn Deutschland ist die Produktion einer Kilowattstunde im Schnitt dreimal so teuer wie die Vermeidung ihres Verbrauchs!«Kurt-Ludwig Gutberlet, Vorsitzender der Geschäftsführung BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH Quelle: VDI-Nachrichten, , Nr. 23

22 Energieeffizienz in der Produktion Umsetzung von Energiesparmaßnahmen in Abhängigkeit des Einsatzes eines Umweltkennzahlensystems (UKZ) Elektromotoren mit Drehzahlregelung Rückgewinnung von Bewegungsu. Prozessenergie Steuerungskonzept zur Abschaltung von Maschinen in Schwachlastzeiten Kraft-Wärme(-Kälte)-Kopplung Einsatz von Hocheffizienzpumpen Wärmearme Fügeverfahren 28% 23% 21% 13% 19% 8% 11% 5% 44% 47% 50% 64% Betriebe mit UKZ Betriebe ohne UKZ Anteil von Betrieben mit Nutzung der Einspartechniken Betriebe mit Umweltkennzahlensystemen setzen verstärkt auf Effizienztechnologien Quelle: Erhebung»Modernisierung der Produktion«(2009), Fraunhofer ISI, N = 1.321

23 Lebenszykluskosten bei Werkzeugmaschinen Gesamtkosten einer Werkzeugmaschine über 10 Jahre Betriebskosten 80% Investition 20% Kapitalbindung 8% Wartung und Inspektion 37% Energiekosten 21% ungeplante Instandsetzung 9% Raumkosten 6% Kühlschmierstoffe 16% Druckluftkosten 3% Energiekosten und Kühlschmiermittel machen mehr als 1/3 der Betriebskosten aus Quelle: PTW der TU Darmstadt 2012

24 Energiebedarf in Produktion und Lebenszyklus Produktion Kleiner Hebel Energiebedarf in der Produktion Produkte - Nutzungsphase Große Wirkung Energiebedarf in der Produkt-Nutzungsphase Fertigungsalternative 2 Fertigungsalternative 1 Energiebedarf im gesamten Produktlebenszyklus E ges1 >> E ges2 Lebenszyklusorientierte Betrachtung ist sowohl in der Entwicklung einer Maschine als auch in der Nutzungsphase erfolgsentscheidend (TCO auch im Maschinenbau)!

25 Überdurchschnittliche Spezialisierung in Deutschland Überdurchschnittliche Spezialisierung zeigt hohe Bedeutung der Energiewendetechnologien in DE und JP an Keine Spezialisierung, sondern allgemeine Innovationsoffensive in China und Korea Herausforderungen für Deutschland: Patentstärke beibehalten Wissensbasis bei Publikationen stärken neue Felder mit hoher Innovationsdynamik besetzen Spezialisierung auf Energiewendetechnologien Spezialisierung Exporte (RWA) Energiewendetechnologien Spezialisierung Patente (RPA) Quelle: Fraunhofer ISI USA DE JP FR GB KR CN RPA, RWA > 0 => überdurchschnittliche Spezialisierung

26 Treibstoffersparnis durch»haifischhaut«-strukturen Strömungswiderstand messbar reduziert mittels Riblet-Strukturen Bei Strömungsgeschwindigkeit von zehn Metern pro Sekunde gegenüber der unstrukturierten Oberfläche eine Reibungswiderstandsreduzierung von mehr als fünf Prozent. Quelle: Bionik-Kompetenznetz Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer ribletstrukturierten Lackoberfläche Fraunhofer IFAM

27 Wettbewerbsfähig produzieren Ressourcen- und Energieeffizienz Industrie 4.0 Entwicklung und Produktion

28 Erwarteter Nutzen der Digitalisierung Zeitoptimierung Schnellerer Informationsfluss Erkennbarkeit von Engpässen Kurze Reaktionszeiten Kostenreduktion Kostentransparenz Personaleinsparung Integration von Konstruktion und Planung Prozessoptimierung Standardisierung und Flexibilität Handhabbare parallele Workflows Outsourcing und Integration Mehr Prozess- und Planungssicherheit Qualitätssteigerung Hohe Produkt- und Prozessqualität Reduktion von Fehlerquoten

29 Ebenen der Integrations- und Kooperationsunterstützung Kommunikation Verstehen und Zusammenarbeit von Mitarbeitern unterschiedlichster Disziplinen und Hintergründe Organisation Workflows und Informationsflüsse durch angemessene organisatorische Prozesse Technik Integration von / Datenaustausch zwischen einer Vielzahl IT-Systeme Organisationen, Menschen Prozesse Systeme

30 Typische Ansätze zur Unterstützung Kommunikation Regelmäßige Projekttreffen Projektwörterbücher Social Web Organisatorische Ebene Prozessdokumentationen Prozesse als definierte Workflows in PDM/PLM- Systemen Technische Ebene Systemintegration (EAI, Enterprise Application Integration) Schnittstellen über Drittsysteme PDM/PLM-System als»integrator«

31 Forschungsbeispiel: ameplm advanced Platform for manufacturing engineering and PLM Ausgangspunkt Wissensökologie zur Adressierung der Ebenen Mensch Prozess Informationstechnik Lösungsbausteine Offene Engineering-Plattform Zugang zu verteilten Informationen Durchgängige Arbeitsabläufe Unterstützungswerkzeuge für die Produkt- und Prozessentwicklung Ontologie als interoperables Datenmodell gemeinsames Projektwörterbuch

32 Forschungsbeispiel: Virtual CityScapes Themen und Potenziale Interdiziplinäres Engineering Logistik Menschmodelle Stadtplanung Verkehrssimulation Innenraum

33 Das Digital Engineering Lab - DELab Ein Living Lab im ZVE des Fraunhofer IAO in dem Möglichkeiten zur Verbesserung von Kommunikation und Kooperation sowie Entscheidungsunterstützung, Multi-Touch-Tisch organisatorischen Prozessen und Informationsflussmanagement die Unterstützung durch innovative IT integrierte virtuelle Produkt- und Produktionsentstehung, Digitale Fabrik und Simulation gezeigt und weiterentwickelt werden

34 Zentrum für Virtuelles Engineering ZVE Haus der Wissensarbeit

35 Zusammenfassung Wettbewerbsfähige Produktion in Deutschland ist wesentlich aber herausfordernd und doch möglich Befähiger Industrie 4.0 Ausrichtung von Produkt und Produktion auf Energie- und Ressourceneffizienz Integration von Entwicklung und Produktion mit innovativen IT-Systemen als Basis der Wettbewerbsfähigkeit Zur Standortsicherung braucht Deutschland weiterhin eine weltweit führende Position in Entwicklung und Produktion

36 Es ist verrückt, die Dinge immer gleich zu machen und dabei auf andere Ergebnisse zu hoffen. Albert Einstein