Intelligente Fabriken: Hier und Jetzt

MTU Aero Engines hat in seinem Montagewerk in München einen automatisierten Produktionsprozess entwickelt, der 66 Stunden lang autonom ablaufen kann. Foto mit freundlicher Genehmigung von MTU Aero Engines

Continental investiert 4,9 Millionen US-Dollar in den Bau einer neuen hochautomatisierten Produktionslinie für Industrieschläuche in seinem Werk in Korbach, Deutschland. Foto mit freundlicher Genehmigung der Continental AG

Amgen baut in New Albany, Ohio, eine intelligente Fabrik im Wert von 365 Millionen US-Dollar. Foto mit freundlicher Genehmigung von Amgen Inc.

Um Wettbewerbsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Gesundheit zu verbessern, implementierte der Elektronikhersteller Flex eine Reihe von Industrie-4.0-Initiativen, wie zum Beispiel einen Kontrollturm für die Lieferkette und IIoT-gestütztes Recycling von Elektronikschrott. Foto mit freundlicher Genehmigung von Flex Ltd.

Das Gerätemontagewerk von Arçelik in Ulmi, Rumänien, wird zu 100 Prozent mit Ökostrom betrieben und hat eine Vielzahl von Technologien eingesetzt, um Nachhaltigkeit zu fördern. Foto mit freundlicher Genehmigung von Arçelik

Nach dem Einsatz von KI, IIoT und flexibler Automatisierung steigerte das Batteriemontagewerk von CATL die Liniengeschwindigkeit um 17 Prozent und reduzierte den Ertragsverlust um 14 Prozent. Foto mit freundlicher Genehmigung von Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.

Das Gerätemontagewerk von Haier in Qingdao, China, hat Big Data, digitale Zwillinge und fortschrittliche visuelle Inspektionstechnologie genutzt, um Forschung und Entwicklung zu beschleunigen, Herstellungsprozesse zu verbessern und die Logistikplanung zu verbessern. Foto mit freundlicher Genehmigung von Haier Home Appliance

Rotorblätter, Leitschaufeln und andere Komponenten für Strahltriebwerke werden aus teuren Materialien hergestellt und mit präzisen Toleranzen bearbeitet. Aufgrund des Zeitaufwands für die Einrichtung von Bearbeitungszentren werden solche Komponenten typischerweise in Chargen hergestellt. Der Prozess erfordert auch eine beträchtliche Anzahl von Personen, die die Maschinen betreuen und beim Umrüsten helfen.

Neue Technologien verändern dieses Szenario jedoch. MTU Aero Engines hat in seinem Montagewerk in München einen automatisierten Produktionsprozess entwickelt, der 66 Stunden lang autonom ablaufen kann.

Zu Beginn des Prozesses legt ein Sechs-Achs-Roboter einen Rohling in die Spannvorrichtung, befestigt ihn mit Schrauben und lädt ihn in eines der fünf Bearbeitungszentren. Die Maschinen bohren und fräsen, schleifen und messen – alles ist vollautomatisch. Und es ist effizient: Während die Maschinen fleißig arbeiten, kümmert sich der Roboter bereits um die Vor- und Nachbearbeitung der nächsten Teile und Werkzeuge.

„Mit der neuen Anlage haben wir bewiesen, dass Industrie 4.0 auch die extrem anspruchsvollen Anforderungen bei der Produktion von Triebwerksteilen erfüllen kann“, sagt Christiane Müller, Leiterin Hochdruckturbinenleitschaufeln bei MTU. „Und es nimmt nur ein Drittel des Platzbedarfs einer konventionellen Produktion ein.“

Das Flexible Manufacturing System (FMS) der MTU markiert den ersten Schritt des Unternehmens auf dem Weg zur ganzheitlichen Smart Factory. Unterstützt durch ein Steuerungssystem fertigen die Bearbeitungszentren der Anlage parallel Bauteile und arbeiten tagelang flexibel und autonom ohne menschliches Eingreifen.

Tatsächlich kann die Produktionslinie 66 Stunden lang autonom ohne menschliches Eingreifen arbeiten. „Das ist genau die Zeit, die nötig ist, um ein ganzes Wochenende bequem zu überbrücken“, sagt Marc Weiß, FMS-Projektleiter.

Die integrierte autonome Korrekturfunktion und das vorbeugende Wartungssystem der Maschine sorgen für Prozessstabilität. Dies schafft die Voraussetzungen für noch mehr Effizienzsteigerungen in der Zukunft.

Noch immer müssen Mitarbeiter Schleifscheiben und andere Werkzeuge von Hand montieren und demontieren – 95 Prozent der Arbeitsschritte zur Herstellung von Turbinenschaufeln sind Schleifen. Bohrer und Fräser werden jedoch von den Bearbeitungszentren automatisch ausgewechselt und vermessen.

Dieses System hat auch die Auftragsabwicklung effizienter und flexibler gemacht – eine willkommene Entwicklung angesichts des Branchentrends, in immer kleineren Losgrößen zu produzieren und Kundenaufträge individuell anzupassen. Üblicherweise werden Losgrößen von 70 bis 120 Stück bestellt. Mit der neuen Anlage können diese Losgrößen reduziert werden, ohne dass hohe Umrüstkosten anfallen.

Um Ausfallzeiten zu minimieren, ist eine Doppelstruktur vorhanden. Beispielsweise ist ein Fräser in der Werkzeugmaschine im Einsatz, während ein anderer für den nächsten Schritt vorbereitet wird. Das Gleiche gilt für die Roboterzellen: Auf einer Vorrichtung wird ein neuer Rohling eingespannt, während auf einer anderen ein bearbeitetes Bauteil entnommen wird.

„Dadurch können wir Aufträge flexibler planen und müssen uns weniger Gedanken über Umrüstzeiten machen – unter dem Strich ist unsere Produktion in mehrfacher Hinsicht effizienter“, sagt Müller.

Während herkömmliche Produktionslinien bisher sieben bis acht Stunden für die Umrüstung benötigten, ist die neue Anlage in nur 15 Minuten betriebsbereit.

Es hat viel Zeit und Mühe gekostet, dieses Stadium der flexiblen Fertigung zu erreichen: „Aber gleichzeitig haben wir von einer erfolgreichen, wenn auch steilen Lernkurve profitiert“, sagt Weiß. Der Weiterbetrieb des alten Systems während der Einrichtung des neuen Systems erwies sich als logistische Herausforderung. Aber im Juli 2021 war das neue FMS voll betriebsbereit.

„Das ist im Grunde ein Leuchtturmprojekt geworden, nicht nur für die MTU, sondern auch für die gesamte Branche. Ein automatisiertes Produktionssystem wie dieses haben wir weltweit noch nie gesehen, schon gar nicht für diese Art von Bauteilen oder eine äußerst sensible Fertigungssituation.“ sagt Weiß.

Bei der Entwicklung der Linie war ein hohes Maß an internem Wissen von entscheidender Bedeutung. MTU hat die Bearbeitungszentren selbst programmiert. Auch die Spannstation mit robotergestützter Verschraubung wurde von MTU-Ingenieuren entwickelt. Wegweisend war auch die Arbeit des Unternehmens an der Werkzeugwechselzelle. Gemeinsam mit ihren Partnern entwickelte die MTU Technologie, die es noch nicht gab.

Müller betont die Bedeutung des Know-hows der Mitarbeiter des Unternehmens, die auf ihre Erfahrungen mit herkömmlichen Systemen zurückgreifen. „Die Einbindung dieses Wissens in das neue System bedeutet, dass es eine ausgewogene Partnerschaft zwischen Mensch und Maschine darstellt“, sagt er.

Sobald das FMS voll funktionsfähig ist, wird die MTU weiter automatisieren. Zukünftig plant MTU den Bau einer weiteren, umfangreicheren Produktionslinie im Münchner Werk. „Die FMS hat eine Blaupause für weitere Anlagen erstellt, die in den nächsten Jahren in viel größerem Maßstab entstehen und eine ganze Halle einnehmen werden“, sagt Weiß.

Der nächste Schritt wird darin bestehen, diese Bemühungen unternehmensweit durchzuführen. „Die MTU wird in Zukunft die vielen Einzelinitiativen rund um smarte Systeme in der Montage oder Produktion zu einem digitalen Gesamtsystem verknüpfen und so aus Insellösungen eine echte Smart Factory machen“, prognostiziert Fabian Lindermer, Leiter Digitalisierung bei MTU .

Die Lights-out-Produktionslinie der MTU in München ist ein Beispiel dafür, wie Hersteller weltweit modernste Technologie zur Lösung von Problemen und zur Verbesserung von Prozessen einsetzen.

Etwa 520 Kilometer nördlich von München läuft ein ähnliches Projekt im Werk der Continental AG in Korbach, Deutschland. Im Mai kündigte Continental an, 4,9 Millionen US-Dollar in eine neue hochautomatisierte Produktionslinie für Industrieschläuche im Werk zu investieren. Die Inbetriebnahme der Linie, die rund um die Uhr in Betrieb sein wird, ist für Ende 2023 geplant. Es handelt sich um die größte Investition des Unternehmens in Korbach seit mehr als 10 Jahren.

Mit der neuen Linie kann das Technologieunternehmen bestehende Produkte effizienter fertigen, gleichzeitig sein Portfolio erweitern und seine Wettbewerbsfähigkeit steigern. Die neue Linie ermöglicht Continental die Erschließung neuer Märkte, insbesondere im Industriebereich.

„Die neue Linie wird unseren Herstellungsprozess enorm verbessern. Wir produzieren nachhaltiger, flexibler, sicherer und ergonomischer“, betont Torsten Dietmann, Leiter des Schlauchwerks in Korbach. „Vernetzte und automatisierte Anlagenelemente auf Basis eines Smart-Factory-Ansatzes garantieren eine energieeffiziente Produktion und eine optimale Wertschöpfung im Prozess.“

Mit einer Kapazität von rund 5 Millionen Metern Schlauch pro Jahr wird die neue Linie in der Lage sein, Schläuche mit einem Innendurchmesser von bis zu 38 Millimetern herzustellen. Die Schläuche können zum Transport von Lebensmitteln, Wasser, Kraftstoffen, Kühlmitteln und anderen Flüssigkeiten verwendet werden.

Ein großes Plus der neuen Linie wird ihre Flexibilität sein: Sie kann Schläuche mit unterschiedlichen Techniken produzieren, mit Innenschichten aus Gummi oder Kunststoff.

„Das verschafft uns eine enorme Flexibilität. Auf der neuen Anlage werden wir weiterhin Standardprodukte herstellen, aber auch neue Anwendungen hinzufügen. Dadurch können wir uns besser an die sich schnell ändernden Marktbedürfnisse anpassen und unser Produktportfolio gezielt erweitern.“ sagt Dietmann.

Bei der Investition von Continental geht es um mehr als nur um mehr Flexibilität und Wettbewerbsfähigkeit. Es wird dem Automobilzulieferer auch dabei helfen, seine Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Durch neue Recyclingmöglichkeiten und die Möglichkeit, zusätzliche Materialien zu verarbeiten, geht der Standort Korbach im Rahmen einer unternehmensweiten Strategie einen Schritt in Richtung einer klimaneutralen Produktion.

Auch die Pharmaindustrie investiert in Automatisierung und digitale Transformation. Im vergangenen Sommer gab Amgen Inc. Pläne bekannt, 365 Millionen US-Dollar in den Bau einer intelligenten Fabrik in New Albany, Ohio, zu investieren. Das Werk wird über die fortschrittlichsten Montage- und Verpackungsprozesse des Unternehmens verfügen und Autoinjektoren, Spritzen und Fläschchen für eine Vielzahl von Amgen-Medikamenten montieren, etikettieren und verpacken.

Der Bau des 25.000 Quadratmeter großen Werks begann im vergangenen Herbst. Die Anlage wird letztendlich 400 Mitarbeiter beschäftigen und eine jährliche Lohnsumme von etwa 40 Millionen US-Dollar erwarten. Die Seite wird voraussichtlich Anfang 2024 online gehen.

Ziel sei es, den Montage- und Verpackungsstandort zur „digital fortschrittlichsten Anlage“ von Amgen zu machen, sagt Arleen Paulino, Senior Vice President of Manufacturing bei Amgen. Durch den Einsatz neuester Herstellungstechnologien hofft das Unternehmen außerdem, dem erwarteten Nachfragewachstum nach seinen Medikamenten zuvorkommen zu können.

Die intelligente Anlage wird auf einer Vielzahl digitaler Technologien, einschließlich künstlicher Intelligenz (KI), in drei Bereichen basieren: fortschrittliche Automatisierung und Robotik; automatisierte Inspektion, Prüfung und Freigabe der hergestellten Chargen in Echtzeit; und Datenanalysen zur Überwachung und Verwaltung der Prozess- und Betriebsleistung.

Der Standort werde hochautomatisierte Lager- und Bereitstellungssysteme, fahrerlose Transportfahrzeuge zum Transport von Materialien und kollaborative Roboter einsetzen, sagt Paulino.

Im Oktober hat das Weltwirtschaftsforum (WEF) 11 neue Fabriken und Industriestandorte zu seinem Global Lighthouse Network hinzugefügt, einer Gemeinschaft von mehr als 100 Herstellern, die bei der Anwendung von Industrie 4.0-Technologien eine Führungsrolle übernehmen, um Produktivität, Mitarbeiterengagement, Nachhaltigkeit und Lieferkette zu verbessern Widerstandsfähigkeit.

Angesichts der Warnungen vor einer globalen Rezession, steigenden Energiepreisen und unterbrochenen Lieferketten bieten Leuchtturmfabriken Wirtschaftsführern und politischen Entscheidungsträgern Beispiele dafür, wie das verarbeitende Gewerbe wettbewerbsfähig bleiben und weiterhin Arbeitsplätze schaffen kann.

„Die neuen Fabriken des Global Lighthouse Network zeigen, wie Hersteller ihre Geschäftsziele erreichen und gleichzeitig einen positiven Einfluss auf die Wirtschaft, den Lebensunterhalt der Menschen und die Umwelt haben können“, sagt Francisco Betti, Leiter für fortschrittliche Fertigung und Wertschöpfungsketten beim Weltwirtschaftsforum. „Die Herausforderung für Unternehmen und politische Entscheidungsträger besteht darin, wie weit sie diese Innovationen über gesamte Produktionsnetzwerke und Wertschöpfungsketten hinweg ausweiten können.“

Während Lieferkettenprobleme und andere Probleme die meisten Hersteller im Jahr 2022 zurückhielten, haben andere Unternehmen bewiesen, dass die digitale Transformation auf globale Unternehmen ausgeweitet werden kann. In der neuen Kohorte der Leuchttürme führen viele Unternehmen wie Cipla, Danone und Sany Heavy Industry große digitale Transformationsprogramme im großen Maßstab in 20 bis 40 Fabriken parallel und über einen Zeitraum von nur 18 bis 24 Monaten ein.

„Die neu benannten Leuchttürme zeigen, dass eine Skalierung mit drei Must-haves möglich ist“, sagt Enno de Boer, globaler Leiter der digitalen Fertigung bei McKinsey & Co., das beim Leuchtturmprojekt mit dem WEF zusammenarbeitet. „Erstens eine klare Strategie. Ohne das stecken Sie im Fegefeuer der Piloten fest und sehen nie, welche Technologien für Ihr Unternehmen wichtig sind Wenn Sie eine echte Ausführungsmaschine sind, werden Sie keine Wirkung erzielen oder sich ständig verbessern.“

Die neuen Leuchttürme sind:

Agilent Technologies in Singapur. Mit dem Ziel, die Herstellung von Instrumenten mit geringer Stückzahl und hoher Komplexität zu vereinfachen, um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden, setzte Agilent IIoT, digitale Zwillinge, KI und Robotertechnologie ein, um nachhaltiges Wachstum zu erzielen, Engpässe bei spezialisierten Arbeitskräften zu überwinden und die Belegschaft in Industrie 4.0-Generalisten umzuwandeln. Dies verbesserte den Output um 80 Prozent, die Produktivität um 60 Prozent, die Zykluszeit um 30 Prozent und die Qualitätskosten um 20 Prozent.

Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) in Yibin, China. Um mit dem erheblichen Geschäftswachstum Schritt zu halten, baute der Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme in Yibin ein großes Montagewerk auf der grünen Wiese. Durch den Einsatz von KI, IIoT und flexibler Automatisierung steigerte das Werk die Liniengeschwindigkeit um 17 Prozent und reduzierte den Ertragsverlust um 14 Prozent. Außerdem wurden die CO2-Emissionen auf null reduziert.

Cipla in Indore, Indien. Angesichts steigender Material- und Arbeitskosten implementierte Cipla parallel Automatisierungs- und Datenanalysetechnologie in 22 Fabriken in Indien. Die orale Feststoffdosierungsanlage des Unternehmens in Indore war auf diesem Weg mit der Implementierung von 30 Industrie-4.0-Anwendungsfällen führend. Die Gesamtkosten wurden um 26 Prozent gesenkt, die Qualität um 300 Prozent gesteigert und die Treibhausgasemissionen um 28 Prozent gesenkt.

Danone in Opole, Polen. Um der zunehmenden Komplexität seines Produktportfolios gerecht zu werden, hat der Lebensmittelhersteller Danone seine gesamte Belegschaft über alle Funktionen und Ebenen hinweg in eine digitale Transformation einbezogen. Ziel war es, KI und Automatisierung zu implementieren und eine vernetzte Werkstatt zu schaffen. Das Unternehmen verbesserte die Kosten um 19 Prozent und die Effizienz um 12 Prozent. Außerdem wurden die Treibhausgasemissionen um fast 50 Prozent reduziert. Mittlerweile ist Danone führend in 39 weiteren Werken in Europa.

Dr. Reddy's Laboratories in Hyderabad, Indien. Angesichts des starken Preisverfalls startete der Pharmakonzern ein groß angelegtes Digitalisierungsprojekt. Der Standort implementierte mehr als 40 Industrie 4.0-Anwendungsfälle, indem er agil arbeitete, IIoT-Technologie nutzte und Datenanalysen implementierte. Dadurch konnten die Herstellungskosten um 43 Prozent gesenkt und der Energieverbrauch um 41 Prozent gesenkt werden.

Flex in Sorocaba, Brasilien. Um Wettbewerbsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Gesundheit zu verbessern, implementierte der Elektronikhersteller Flex eine Reihe von Industrie-4.0-Initiativen, wie zum Beispiel einen Kontrollturm für die Lieferkette und IIoT-gestütztes Recycling von Elektronikschrott. Die Bemühungen führten zu einer Verbesserung der Arbeitskosten um 50 Prozent, einer Reduzierung des Materialverlusts um 81 Prozent und einer Steigerung der Kundenzufriedenheit um 18 Prozent.

Haier in Qingdao, China. Angesichts der wachsenden Nachfrage nach individuellem Design, schneller Lieferung und hoher Qualität nutzte das Gerätemontagewerk Big Data, digitale Zwillinge und fortschrittliche visuelle Inspektionstechnologie, um Forschung und Entwicklung zu beschleunigen, Herstellungsprozesse zu verbessern und die Logistikplanung zu verbessern. Dadurch wurde die Durchlaufzeit um 35 Prozent verkürzt, die Produktionseffizienz um 35 Prozent gesteigert und die Qualitätsleistung um 36 Prozent verbessert.

Midea in Shunde, China. Um der Nachfrage nach qualitativ hochwertigen Produkten und kürzeren Vorlaufzeiten gerecht zu werden, setzte der Gerätehersteller Midea KI, digitale Zwillinge und andere Industrie 4.0-Technologien ein. Es wurden 24 Prozent niedrigere Stückproduktionskosten, 41 Prozent kürzere Vorlaufzeiten, 30 Prozent kürzere F&E-Vorlaufzeiten und eine um 51 Prozent geringere Fehlerquote erreicht.

Mondelēz in Sri City, Indien. Mit dem Ziel, das Produktionsvolumen zu steigern, die Kosten zu senken und die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette zu erhöhen, setzte der Snack-Food-Hersteller eine durchgängige Digitalisierung, prädiktive Analysen, KI und fortschrittliche Automatisierung ein. Das Unternehmen steigerte die Arbeitsproduktivität um 89 Prozent und senkte die Herstellungskosten um 38 Prozent.

Sany Heavy Industry in Changsha, China. Um Marktzyklusschwankungen und Produktkomplexität zu begegnen, nutzte Sany flexible Automatisierung, KI und IIoT in großem Maßstab, um ein digitales und flexibles Fertigungssystem für seine Schwermaschinen aufzubauen. Dadurch erweiterte der Standort seine Kapazität um 123 Prozent, steigerte die Arbeitsproduktivität um 98 Prozent und senkte die Stückfertigungskosten um 29 Prozent.

Western Digital in Shanghai, China. Um den Herausforderungen der Belegschaft, einer jährlichen Wachstumsrate von 250 Prozent und einem Technologieübergangstempo von 18 Monaten gerecht zu werden, implementierte der Halbleiterhersteller eine Vielzahl von Industrie 4.0-Technologien, wie zum Beispiel ein automatisiertes Produktdesignsystem, Wafertests auf Basis maschinellen Lernens und ein intelligentes Planungssystem. Die Website verkürzte die Markteinführungszeit um 40 Prozent und die Produktkosten um 62 Prozent. Außerdem verbesserte sich die Produktivität um 221 Prozent.

Vier bestehende Leuchtturmanlagen mit herausragender Umweltbilanz erhielten die Zusatzbezeichnung „Nachhaltigkeitsleuchttürme“. Sie sind:

Arçelik in Ulmi, Rumänien. Das Gerätemontagewerk von Arçelik wird zu 100 Prozent mit Ökostrom betrieben und hat eine Vielzahl von Technologien zur Förderung der Nachhaltigkeit eingesetzt, darunter einen digitalen Zwilling für das Energiemanagement und ein geschlossenes Wassermanagementsystem, das in eine fortschrittliche Wasseraufbereitungsanlage integriert ist. In einer Umgebung, die unter Wasserknappheit leidet, konnte die Fabrik den Wasserverbrauch um 25 Prozent, den Energieverbrauch um 17 Prozent und die Treibhausgasemissionen um 22 Prozent pro hergestellter Einheit reduzieren

Micron in Singapur. Angesichts der wachsenden Nachfrage nach Speicherchips musste Micron die Produktion ausweiten und gleichzeitig seinen ökologischen Fußabdruck reduzieren. Von 2018 bis 2021 steigerte Micron die Produktion um 270 Prozent und reduzierte gleichzeitig den Ressourcenverbrauch pro produziertem Gigabyte um 45 Prozent. Das Unternehmen optimierte den Materialverbrauch und implementierte die Verfolgung des ökologischen Fußabdrucks.

Unilever in Dapada, Indien. Angesichts der Unternehmensvorgaben zur Reduzierung von Emissionen und Wasserverbrauch fand das Unternehmen 14 Anwendungsfälle für Nachhaltigkeitstechnologie. Dazu gehörte die Anwendung maschinellen Lernens zur Optimierung des Energieverbrauchs und der Einsatz digitaler Zwillingstechnologie zur Beschleunigung der Entwicklung umweltfreundlicher Formulierungen. Dadurch hat Dapada die Emissionen um 54 Prozent und den Wasserverbrauch um 36 Prozent reduziert.

Western Digital in Shanghai, China. Zwischen 2017 und 2021 hat Western Digital die Produktion von Speicherchips am Standort verdoppelt und gleichzeitig seinen ökologischen Fußabdruck reduziert. Dieses Ergebnis wurde durch mehrere Industrie 4.0-Anwendungsfälle ermöglicht, beispielsweise durch maschinelles Lernen zur dynamischen Optimierung der Leistung der Wasserrecyclinganlage. Diese Maßnahmen reduzierten den Wasserverbrauch um 62 Prozent und den Energieverbrauch um 51 Prozent pro produziertem Petabyte Speicher.