Der Weg zur Smart Factory – Digitale Lösungen in herausfordernden Zeiten

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Eine sich kontinuierlich und rasch ändernde Nachfrage, sowie immer komplexere und individuell konfigurierbare Produkte haben heute gravierende Auswirkungen auf das Produktionsumfeld von Fertigungsunternehmen. Produktivität, Flexibilität und Qualität sind jene Hebel, welche schon traditionell in der Vergangenheit durch den Einsatz unterschiedlicher methodischer Ansätze adressiert wurden, um weiterhin wettbewerbsfähig zu sein. Diese Ansätze haben weitestgehend ihre Grenzen erreicht und es sind digitale Technologien, deren Einsatz heute über die Wettbewerbsfähigkeit und das „ein Stückchen der Konkurrenz voraus“ entscheidet.

In den letzten drei Jahren konnten wir beobachten, wie Fertigungsunternehmen mit dem Experimentieren des Einsatzes von digitalen Technologien im Rahmen von Proof-of-Concepts erste Erfahrungen gesammelt haben. Wir haben zahlreiche dieser Pilot-Anwendungen begleitet – sowohl auf technischer Ebene, aber insbesondere auch auf prozessualer Ebene.

Mit den Erfahrungen aus diesen ersten Piloten herrscht ein breiter Konsens unter Fertigungsunternehmen, dass der Einsatz von digitalen Technologien in der Lage ist, signifikante Leistungssteigerungen in der Fertigung zu erreichen. Daher ist es allerdings überraschend, dass es nur 14% der Befragten einer kürzlich durchgeführten Studie des Capgemini Research Institute geschafft haben, über diese anfänglichen Pilotprojekte hinaus zu skalieren und diese systematisch in allen ihren Fabriken einzusetzen.

Herausfordernde Zeiten

Der Markt verlangt eine kürzere Markteinführungszeit für immer schneller wechselnde und segmentspezifischere Produkte. Die Praktiken gegenwärtiger Produktionsstätten kommen mit diesen Marktbedingungen nur mäßig zurecht, da die Kombination aus steigender Komplexität der Produktionstechnologien und der explodierenden Produktvielfalt Fertigungen an seine Grenzen bringt.

Covid-19 hat eine zusätzliche Herausforderung geschaffen, deren Auswirkungen wir vermutlich noch mehrere Monate, wenn nicht Jahre, spüren werden: eine reduzierte und/oder verteilte Belegschaft muss in der Lage sein, die gleiche Produktionsleistung zu erbringen. Dabei gilt es, eine standortabhängige Überwachung, Kontrolle und Steuerung der Produktionsanlagen zu ermöglichen – ohne Verzicht auf Produktivität, Qualität und Flexibilität.

Zurückhaltung gegenüber hohen Investitionen

Die meisten Industrieunternehmen sind zunehmend mit massiven Investitionen in Fabriken und Anlagen belastet und sehen sich mit sich verlangsamenden und unsicheren Märkten konfrontiert, insbesondere in diesen schwierigen Zeiten (COVID).

Wie können Hersteller diese Herausforderungen bewältigen und weiterhin innovativ bleiben?

Die Smart Factory Vision

Die Ambition einer Smart Factory strebt nach signifikanten Leistungssteigerungen mit Blick auf Produktivität, Flexibilität und Qualität. Sogenannte ‚closed-loop‘ Prozesse decken dabei den Anspruch einer modernen Fertigungsanlage. Denn in ‚closed-loop‘ Prozessen werden aus den von Maschinen erzeugten Daten mit Hilfe analytischer Methoden und künstlicher Intelligenz Erkenntnisse gewonnen, welche anschließend zu den Maschinen zurückgeführt werden können, um letztlich selbstoptimierende Systeme zu schaffen.

‚Closed-loop‘ Prozessen tragen zur Produktivitätssteigerung bei, indem beispielsweise Wartungskosten und Anlagennutzung optimiert werden. Darüber hinaus tragen solche Prozesse dazu bei, die Zeit bis zur Markteinführung zu verkürzen und die Produktqualität zu steigern und damit den Marktanteil zu erhöhen.

Der Reifegrade einer Smart Factory 

Gegenwärtig fällt es Herstellern noch schwer, eine Strategie für die Digitalisierung der Fabrik zu definieren und digitale Technologien zu nutzen, um Verbesserungen bei Produktivität, Qualität, Flexibilität und Service zu erzielen.

Ein Maturity Assessment kann helfen, den aktuellen Stand der „digitalen Reife“ in der Produktion zu ermitteln und sich im Vergleich zu den Wettbewerbern zu positionieren. Gleichzeitig deckt eine solche Bewertung das Potenzial auf, das durch den Einsatz digitaler Technologien erreicht werden kann. Datenzentrierte Prozesse und eine digitale Kontinuität sind Voraussetzung für eine morderne Fertigungsanlage. Basierend auf der digitalen Reife der Fabrik, wird ein maßgeschneiderter Plan konzipiert, der die nächsten Entwicklungsphasen aufzeigt. Im Zuge dessen erfolgt auch die Definition einer grundlegenden Architektur für eine Datenplattform.

Intelligent Operations Platform 

Das Fundament für die Transformation in eine Smart Factory ist eine vernetzte Datenarchitektur, die Intelligent Operations Platform (IOP). Die IOP ist modular aufgebaut, um bestehende Systeme zu erweitern.
Basierend auf einer agilen Methodik wird die IOP mit ausgewählten Lösungen angereichert, die einen frühen Return on Investment versprechen. Darüber hinaus ermöglicht die IOP die Einführung standardisierter Lösungen im gesamten Unternehmen, was von entscheidender Bedeutung für die Skalierung der Lösungen ist. Diese Aspekte gewährleisten eine operative Flexibilität, was zu einer verkürzten Einführungszeit von Lösungen und signifikanten Return on Investment führt – alles unter dem Versprechen von Sicherheit und konsistenter Qualität.

Illustration einer Smart Factory

Wirkungsvolle Lösungen für eine intelligentere Fabrik

Was die Zurückhaltung der Hersteller gegenüber hohen Investitionen betrifft, so ermöglicht ein gestaffelter Ansatz die schrittweise Modernisierung von Fabriken über eine selektive Einführung neuer Produktionstechnologien bei ständiger Leistungsverbesserung. Unter diesem Ansatz werden hochwirksame Lösungen geschaffen, die sich schnell amortisieren. Diese Lösungen beziehen sich in der Regel auf die Kernfunktionen der Fertigung, nämlich auf die Zuverlässigkeit der Anlagen, die operative Leistung und die Qualität der Produkte.

Im folgenden werden drei Lösungen näher erläutert, wobei Real Time Monitoring und Predictive Maintenance als „low-hanging fruit“ Lösungen gelten.

Real Time Monitoring

In Fertigungsstätten ist der Status einer Anlage meist nur in der Fabrikhalle selbst sichtbar und zudem nicht in Echtzeit verfolgbar. Deshalb ist meist nur eine standortabhängige Überwachung der Produktionsanlagen möglich.

Mit Hilfe von IoT Technologien, senden Sensoren Daten, die den Zustand einer Maschine kennzeichnen, an ein übergeordnetes System. Dort können Erkenntnisse über maschinenkritische Schwellenwerte gewonnen werden, die wiederum Warnmeldungen auslösen, um Mitarbeiter zu informieren. Somit kann eine Echtzeit-Einsicht in Betriebsbedingungen geschaffen werden, die eine schnellere Reaktion auf Maschinenausfälle ermöglicht, um letztlich Produktionsausfälle zu vermeiden. Dabei helfen Steuerungs-Dashboards, die den Anlagenstatus auf einen Blick zeigen und Mitarbeiter automatisch zur Überprüfung von Maschinen zuweisen.

Case Study

Der Kunde benötigte eine größere Transparenz seiner Fertigungsprozesse sowie die Möglichkeit, die Produktion in Echtzeit zu steuern. Denn die durchschnittliche Zeit bis zur Meldung und Reparatur von Vorfällen dauerte zu lange.

Zusammen mit Capgemini entwickelte der Kunde eine industrielle Internet-Lösung, die fast 50 Benutzer mit Echtzeit-Status, Analysen historischer Daten und visuellen Messdaten-Dashboards verbindet. Auf Knopfdruck haben jetzt Techniker Zugriff auf Echtzeit-Warnungen und kontextrelevante Daten.

Nach fünf Monaten wurden bereits erste Ergebnisse sichtbar. Bei 94 Maschinen konnten 26.000 Stunden Ausfallzeit vermieden und gleichzeitig ein Anstieg der Maschinenauslastung um +12% erzielt werden. Das Reporting wurde von fünf Minuten auf Null reduziert, was eine Einsparung von fast 300 Arbeitsstunden pro Jahr bedeutet.

Predictive Maintenance

In Produktionsstätten treten Maschinenausfälle erfahrungsgemäß unerwartet auf und können im Voraus nicht vorhergesagt werden. Die Wartung solcher Maschinen zwingt dann zur einer Kosten-Nutzen-Analyse. Eine zu häufige Wartung, die dem Ausfall präventiv entgegentritt, hat den Nachteil eines erhöhten Kostenfaktors bedingt durch eine suboptimale Maschinenauslastung und einer zu häufig durchgeführten meist kostspieligen Wartung. Andererseits zieht das Risiko eines Produktionsausfalles durch einen unerwarteten Ausfall einer Maschine enorme Kosten nach sich.

Um die Kosten zu minimieren und die Auslastung zu maximieren, werden Sensor-Daten erfasst, aus denen mittels maschinellen Lernens Muster erkannt werden, die auf den Verfall eines Maschinenzustandes aufzeigen. Mit Predictive Maintenance können Ausfälle verhindert werden, bevor sie auftreten, und die Wartung einer Maschine so spät wie möglich durchgeführt, um deren Nutzung zu maximieren. Diese Lösung hat die Vorteile einer Reduzierung ungeplanter Produktionsausfälle und Ausfallzeiten und erhebliche Kosteneinsparungen, da Teile nur dann ersetzt werden, wenn sie wirklich benötigt werden.

Visual Inspection

In der Produktion sind Qualitätsprüfungen, die Fehler im Herstellungsprozess erkennen, unerlässlich für eine optimale operationelle Leistung und Qualität der Produkte. Allerdings sind menschliche Qualitätsprüfung oft kostspielig und fehleranfällig. Mittels Computer-Vision (CV) Technologien kann dies vermieden werden. Denn anders als bestehende visuelle Qualitätsprüfungen, die sehr empfindlich auf Veränderungen und Lichtverhältnisse reagieren und in Geschwindigkeit und Qualität begrenzt sind, garantierten CV Technologien eine kontinuierlich genaue Qualitätsprüfungen. Mit vorhandenen Kameras oder Installation einer benutzerdefinierten Kameraeinrichtung werden fortschrittliche Algorithmen verwendet zur Erkennung von Ort und Art des Fehlers. Dies führt zu einer Verbesserung der Produktqualität und zur Erzielung von Kosteneinsparungen durch schnellere Qualitätsprüfungen.

Capgemini begleitet Unternehmen auf diesem Weg – das Erzielen von kurzfristigen Ergebnissen ist die oberste Prämisse. Ein Maturity Assessment ist für eine erste Standortbestimmung nützlich. Dadurch können je nach bestehendem Reifegrad und den Anforderungen unternehmensspezifische Use Cases definiert und priorisiert werden. In agilen Zyklen können diese umgesetzt und damit kontinuierliche Ergebnisse geschaffen werden.