Digitalisierung und Industrie 4.0

Additive Fertigung bezeichnet die Herstellung dreidimensionaler Produkte durch computergesteuerte Druckroboter. Die Grundlage dafür bilden Flüssigmaterialien oder feine Materialpulver, i.d.R. Metalle oder Kunststoffe. Die Verschmelzung und anschließende Verhärtung des Grundmaterials erfolgt schichtweise im Verlauf des Herstellungsprozesses.

Beim Barcode (aus engl.: bar für Balken, auch Strichcode genannt) und QR-Code (QR für Quick Response) handelt es sich um Codes, die mit Smartphones oder Scannern gelesen werden können. Während der Barcode nur aus Strichen besteht, werden die kodierten Daten beim QR-Code in einerquadratischen Matrix aus schwarzen und weißen Quadraten dargestellt. Die Orientierung wird durch eine spezielle Markierung in drei der vier Ecken vorgegeben. Die Europäische Artikelnummer (EAN) ist ein bekanntes Beispiel eines Barcodes, mit dem sich 13 Ziffern darstellen lassen. Der maximale Informationsgehalt eines QR-Codes beträgt 2956 Byte. Dies entspricht ungefähr 7000 Zeichen.

Mithilfe von Big Data Analytics können aus großen Datenmengen nützliche Informationen gewonnen werden, die für den Menschen ohne Softwareunterstützung nicht erkennbar wären. Die Daten können in beliebiger Form vorliegen und aus unterschiedlichen Quellen stammen, z.B. Kundenrückmeldungen, Sensordaten etc. Bei der Auswertung der Daten kommt Software zum Einsatz, die eine parallele Verarbeitung vieler Daten ermöglicht und oft regressionsanalytische Methoden nutzt.

Cloud-Computing beschreibt die Bereitstellung von IT-Infrastruktur über ein Rechnernetz, ohne dass diese auf dem lokalen Rechner installiert sein muss. So können z.B. Speicherplatz, Rechenleistung oder Anwendungssoftware als Dienstleistung bereitgestellt werden. Die Dienste können dabei für die breite Öffentlichkeit angeboten werden (Public Cloud), privat betrieben werden (Private Cloud), kombinierten Zugang zu Public und Private Clouds (Hybrid Cloud) oder nur für einen kleineren Nutzerkreis (Community-Cloud) Zugang bieten.

Bei der Computertomografie (CT) wird das zu untersuchende Objekt mit Röntgenstrahlen bestrahlt. Aus den Absorptionswerten wird dann mithilfe eines Computers ein Schnittbild erzeugt. Dieser Vorgang wird mehrmals aus verschiedenen Richtungen durchgeführt, wodurch ein dreidimensionales Bild entsteht. Im Gegensatz zur medizinischen CT wird bei der industriellen CT nur das Untersuchungsobjekt gedreht, Röntgenquelle und Detektor sind fest positioniert.

Ein cyber-physisches System (CPS) besteht aus elektronischen oder elektromechanischen Komponenten (Sensoren, Aktoren), Software und moderner Informationstechnik. CPS lassen sich über Netzwerke wie das Internet miteinander verbinden, sodass sich komplexe Infrastrukturen in Echtzeit steuern, regeln und kontrollieren lassen. In der Produktion führt diese Integration von CPS zu einem cyber-physischen Produktionssystem (CPPS).

Bei einer Datenbrille mit Augmented Reality (AR) handelt es sich um eine Brille, die einen Miniaturcomputer enthält und dem Träger computergenerierte Zusatzinformationen ins Sichtfeld einblendet. Die Begriffe Mixed Reality (vermischte Realität) und Enhanced Reality werden meist synonym verwendet.

Werden Daten zwischen Unternehmen oder Geräten ausgetauscht, müssen diese in einem einheitlichen Datenformat vorliegen. Ein solcher Datenstandard ist eindeutig durch Syntax (logische Abfolge übertragener Zeichen) und Semantik (Bedeutung der einzelnen Datensegmente) definiert.

Unter einem digitalen Zwilling wird das digitale Abbild einer realen Maschine oder Anlage bzw. eines Produktes verstanden. Über Sensoren wird der digitale Zwilling kontinuierlich mit realen Daten angereichert. Im Idealfall begleitet der digitale Zwilling das physische Produkt über seinen gesamten Lebenszyklus.

Unter einer Echtzeitsteuerung versteht man eine Steuerung, die innerhalb einer bestimmten Zeit reagiert. Je nach Anforderungen an die Steuerung wird zwischen harter Echtzeit (engl.: hard real-time) und weicher Echtzeit (engl.: soft real-time) unterschieden. Im Gegensatz zu weichen Echtzeitanforderungen führt eine Verletzung der vorgegebenen Reaktionszeit bei harter Echtzeitanforderung sofort zum maximalen Schaden. Z.B. schaltet ein kollaborierender Roboter sofort ab, wenn die Steuerung oder einzelne Sensoren versagen.

Eine Schnittstelle (engl.: interface) ist eine Verbindungsstelle für den Datenaustausch zwischen einzelnen Geräten (Hardwareschnittstelle) oder verschiedenen Softwarekomponenten (Softwareschnittstelle). Durch eine einheitliche Schnittstelle (z.B. einen Datenstandard ) können auch verschiedene, voneinander unabhängig operierende Soft- oder Hardwaresysteme miteinander interagieren.

Ein E-Kanban-System funktioniert wie ein klassisches Kanban-System nach dem Pull-Prinzip. Im Gegensatz zum klassischen Kanban-System beruht es auf einer elektronischen Steuerung des tatsächlichen Verbrauchs von Gütern. Mithilfe von Sensoren wird der Zustand z.B. eines nicht gefüllten Regals erfasst und automatisch ein elektrisches Signal (z.B. über WLAN ) für eine Nachlieferung übertragen.

Exoskelette sind am Körper getragene, physisch unterstützende technische Assistenzsysteme. Im Produktionsumfeld eignen sie sich als körpergetragene Hebehilfen, die teilweise auch eine Kraftunterstützung bieten (»aktive« Exoskelette). Durch Entlastung des ganzen Körpers oder einzelner beanspruchter Körperteile ermöglichen sie ergonomisches Arbeiten auch bei physisch anspruchsvollen Aufgaben. Exoskelette kombinieren die ausgeprägten Sensomotorik- und Kognitionsfähigkeiten und die hohe Flexibilität des Menschen mit der hohen Tragfähigkeit und Ausdauer der Technik.

Fahrerlose Transportsysteme (FTS oder engl.: automated guided vehicle systems, AGVS) sind innerbetriebliche, meist flurgebundene Fördersysteme mit automatisch gesteuerten und teilweise selbstkonfigurierenden Fahrzeugen, deren primäre Aufgabe der Materialtransport, nicht aber der Personentransport, ist. Sie werden innerhalb und außerhalb von Gebäuden eingesetzt und bestehen im Wesentlichen aus einem oder mehreren Transportfahrzeugen, einer Leitsteuerung, Einrichtungen zur Standortbestimmung und Lageerfassung, Einrichtungen zur Datenübertragung, einer Infrastruktur und peripheren Einrichtungen (VDI-Richtlinie 2510 »Fahrerlose Transportsysteme«).

Bildschirme eignen sich ideal zur Visualisierung von Informationen. Typische Einsatzbereiche sind Orte, an denen wechselweise unterschiedliche Personen auf Informationen oder mehrere Personen gleichzeitig auf dieselben Informationen zugreifen sollen. Je nach Einsatzbereich sind die Bildschirme mit unterschiedlichen Schutzklassen (IP20, IP54 oder IP65) und in unterschiedlichen Größen (von 32" bis zu 86" Diagonale) erhältlich.

Die wichtigsten Faktoren einer Smart Factory sind die horizontale und vertikale Integration. Horizontale Integration bedeutet die im Unternehmen bereichsübergreifende und unternehmensübergreifende (in Form von Wertschöpfungsketten oder -netzwerken) Vernetzung zwischen einzelnen Maschinen, Anlagen oder Produktionseinheiten. Unter vertikaler Integration versteht man die Verknüpfung verschiedener IT-Systeme über die Hierarchieebenen eines Unternehmens – vom Sensor an einer Maschine bis zur Unternehmensplanungsebene – zu einer durchgängigen Lösung.

Lernende Systeme sind Software, Maschinen oder Roboter, die abstrakt beschriebene Aufgaben eigenständig erledigen, ohne dass jeder Schritt vom Menschen programmiert wird. Sie basieren auf Methoden des maschinellen Lernens (Teilgebiet der künstlichen Intelligenz, KI). Viele Systeme setzen Trainingsmodelle ein und können mithilfe eines Lernalgorithmus im laufenden Betrieb weiterlernen und vorab trainierte Modelle verbessern. Sie sollen sich auch an veränderte Bedingungen und ihre Umwelt anpassen können.

Bei der MRK arbeiten Mensch und Roboter ohne trennenden Zaun im gleichen Arbeitsraum. Dabei werden die besonderen Stärken von Mensch und Roboter gezielt miteinander kombiniert. Typischerweise werden an den Roboter belastende Arbeiten übertragen (z.B. das Heben schwerer Lasten oder die Erledigung monotoner Tätigkeiten). Der Mensch wird entsprechend entlastet und kann seine Flexibilität und Fingerfertigkeit bzw. Handwerklichkeit einbringen.

Referenzarchitekturen beschreiben typische Zusammenhänge auf meist hohem Abstraktionsniveau. Das deutsche Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) verbindet z.B. den Lebenszyklus eines Produkts mit verschiedenen Hierarchieleveln und (funktionalen Architektur-)Ebenen. Referenzarchitekturen enthalten meist Empfehlungen für Strukturen und Integrationen von technischen Systemen und Prozessen bzw. IT-Produkten und IT-Services. Ähnlich eines Standards sollen Referenzarchitekturen für ein einheitliches Verständnis sorgen und im Falle von RAMI 4.0 die Umsetzung von Industrie 4.0 in Unternehmen unterstützen.

Die Abkürzung RFID steht für Radio Frequency Identification und bezeichnet eine Technologie zum automatischen und berührungslosen Identifizieren und Lokalisieren von Objekten, Personen und Tieren mit Radiowellen. Ein RFID-System besteht aus einem Transponder, auch Tag genannt, und einem Lesegerät, auch Reader genannt. Grundsätzlich wird zwischen aktiven und passiven Tags unterschieden. Während erstere über eine eingebaute Batterie mit Strom versorgt werden, dient bei passiven Tags die über die Antenne aufgenommene Hochfrequenzenergie während des Kommunikationsvorgangs als Stromversorgung.

Ein Sensor ist ein technisches Bauteil, das eine gemessene physikalische (z.B. Temperatur) oder chemische Größe (z.B. pH-Wert) in ein elektrisches Signal umwandelt. Lasersensorik wird meist in Partikelzählern eingesetzt, um Größe und Anzahl von Partikeln in Flüssigkeiten oder Gasen zu detektieren. Kamera- oder Bildsensoren finden Einsatz in der Qualitäts- und Prozesskontrolle und können auch über spezielle Funktionen wie Infrarot- oder Röntgen- und Gammastrahlendetektion verfügen. Ultraschallsensoren werden i.d.R. für das zerstörungslose taktile Messen in der manuellen Qualitätskontrolle oder bei Wartungsarbeiten eingesetzt.

Mithilfe von Simulationen können die Auswirkungen verschiedener Handlungs- und Gestaltungsalternativen untersucht werden. In der Produktion erfordert dies ein digitales Modell eines realen oder geplanten Produktionssystems. Auf dieser Grundlage können Prozessabläufe simuliert werden. Die dabei entstehenden Erkenntnisse können gleichermaßen zur Optimierung bestehender und geplanter Systeme genutzt werden. Dazu genutzte Software ermöglicht oft auch eine animierte Darstellung der simulierten Prozesse in einer virtuellen Umgebung.

Eine Smart Factory (dt.: intelligente Fabrik) ist eine Produktionsstätte, in der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) in den Unternehmensprozessen eingesetzt wird, um flexibler auf Änderungen, Kundenanfragen etc. reagieren zu können. In einer solchen intelligenten Fabrik kommunizieren Menschen, Maschinen und Produktionsressourcen miteinander wie in einem sozialen Netzwerk. Nach aktueller Vorstellung kann das soweit gehen, dass sich eine Smart Factory ohne menschlichen Eingriff weitgehend selbst organisiert. Die technische Grundlage dafür sind cyber-physische Produktionssysteme und die intelligente Vernetzung von Maschinen und Produkten.

Smartphones und Phablets sind Mobiltelefone mit umfangreichen Computerfunktionalitäten, die über berührungsempfindliche Bildschirme bedient werden und über eine Internetanbindung verfügen. Über das Internet können Nutzende zusätzliche Anwendungen (Apps) herunterladen und dadurch das Smartphone oder Phablet an den eigenen Bedarf anpassen. Somit eignen sie sich auch für den betrieblichen Einsatz in der Produktion. Die Bildschirmdiagonale eines Phablets ist größer als die gängiger Smartphones, aber kleiner als die von Tablets. Manche Phablets können auch mit einem speziellen Eingabestift bedient werden; dies vereinfacht die Erkennung von Handschriften.

Ein Smart Product (dt.: intelligentes Produkt) ist ein physisches Produkt, das mit anderen Systemen wie Smartphones, aber auch Maschinen und Anlagen kommunizieren kann. Die Kommunikation erfolgt über integrierte IKT (z.B. RFID). Innerhalb einer Smart Factory kann ein Smart Product die einzelnen Stationen seiner Produktion selbstständig ansteuern. Das Produkt ist dabei eindeutig identifizierbar und jederzeit lokalisierbar. Gleichermaßen bieten Smart Products meist Informationen über ihre Nutzung (z.B. Stromverbrauch einer Maschine).

Eine Smartwatch ist eine elektronische Armbanduhr mit Computerfunktionalitäten und -konnektivität. Im Gegensatz zu einer klassischen Armbanduhr mit analoger oder digitaler Anzeige verfügt sie über ein kleines Display, auf dem neben der Uhrzeit unterschiedliche Informationen angezeigt werden (z.B. E-Mails). Ergänzend zu vorinstallierten Anwendungen lassen sich auf den Geräten zusätzliche Programme (Apps) installieren und so Funktionen hinzufügen, ähnlich wie bei einem Smartphone, Phablet oder Tablet.

Ein Tablet ist ein tragbarer Computer mit einem Touchscreen. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Notebook ist es kleiner und leichter, besitzt jedoch keine mechanische Tastatur. Die Bedienung erfolgt über einen berührungsempfindlichen Bildschirm. Der Leistungsumfang und die Bedienung ähneln sehr stark denen moderner Smartphones oder Phablets.

Bei WLAN (Wireless Local Area Network) und Bluetooth handelt es sich um Funkverbindungen. Damit können mehrere Geräte ohne Kabel miteinander verbunden werden und ein Netzwerk aufgebaut werden. WLAN und Bluetooth nutzen zwar gleiche Frequenzbereiche, eignen sich jedoch für unterschiedliche Einsatzzwecke. Für die Verbindung von kleinen Geräten, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden (z.B. Smartphone und Smartwatch) eignet sich Bluetooth sehr gut, da Bluetooth-Chips klein sind und nur wenig Strom benötigen. Mit einer WLAN-Verbindung können dagegen höhere Übertragungsraten und Reichweiten erzielt werden.