Holdings: Handbuch Industrie 4.0

Handbuch Industrie 4.0: Geschäftsmodelle, Prozesse, Technik

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Bibliographic Details
Other Authors:	Reinhart, Gunther 1956- (Editor)
Format:	Book
Language:	German
Published:	München Hanser [2017]
Subjects:	Unternehmen Industrie 4.0
Online Access:	Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis
Physical Description:	XL, 734 Seiten Illustrationen, Diagramme
ISBN:	9783446446427 3446446427

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adam_text	VORWORT VII DER H E R A U S G E B E R .................................................................................................................................. XXIII A U TO REN V ERZE ICH N IS.......................................................................................................................... XXV VON CIM ZU INDUSTRIE 4 . 0 .................................................................................................................. XXXI GUENTHER REINHART, DETLEF ZUEHLKE INDUSTRIELLE REVOLUTIONEN............................................................................................................ XXXI GLOBALWIRTSCHAFTLICHE EINFLUSSFAKTOREN (MARKET P U LL)................................................................ XXXV TECHNOLOGISCHE EINFLUSSFAKTOREN (IK-TECHNOLOGY PUSH) ............................................................ XXXVIII TEIL A P ROZESSE D ER S M ART FACTORY 1 G ESCHAEFTSM ODELL-INNOVATION........................................................................................................ 3 GUENTHER SCHUH, MICHAEL SAHNEN, PHILIPP JUSSEN, MICHAEL RIESENER, VIOLETT ZELLER, TOBIAS HENSEN, ADVAN BEGOVIC, MARTIN BIRKMEIER, CHRISTIAN HOCKEN, FELIX JORDAN, JAN KANTELBERG, CHRISTOPH KELZENBERG, DOMINIK KOLZ, CHRISTIAN MAASEM, JAN SIEGERS, MAXIMILIAN STARK, CHRISTIAN TOENNES 1.1 DIE TRANSFORMATION VOM PRODUKT- ZUM LOESUNGSANBIETER.............................................. 3 1.2 DER DIGITALE SCHATTEN ALS BASIS FUER PREDICTIVE ANALYTICS ........................................................ 10 1.3 INNOVATIONSARTEN ZUR EINFUEHRUNG NEUER GESCHAEFTSMODELLE UND KUNDENORIENTIERUNG DURCH NEUE INNOVATIONSPROZESSE .............................................................................................. 12 1.4 NETZWERKARTIGE WERTSCHOEPFUNGSSYSTEME................................................................................. 18 1.5 PLATTFORMANSAETZE ZUR KOLLABORATION........................................................................................... 21 1.6 WANDEL ZUM INDUSTRIE 4.0-UNTERNEHMEN................................................................................. 24 2 VERAENDERUNG IN DER PRODUKTIONSPLANUNG UND -S TEUERUNG ................................................... 31 PETER NYHUIS, MARCO HUEBNER, MELISSA QUIRICO, PHILIPP SCHAEFERS, MATTHIAS SCHMIDT 2.1 EINFUEHRUNG IN DIE PPS ............... 31 2.2 TRANSPARENZ DURCH DATENVERFUEGBARKEIT ALS ENABLER FUER EINE LEISTUNGSFAEHIGERE PPS . ............. 33 2.3 POTENZIALE DER DIGITALISIERUNG FUER DIE AUFGABEN DER P P S ........................................................ 34 2.3.1 PRODUKTIONSPROGRAMMPLANUNG . .............................. 35 2.3.2 AUFTRAGSMANAGEMENT UND AUFTRAGSVERSAND............................................................... 35 2.3.3 SEKUNDAERBEDARFSPLANUNG............................................................................................... 37 2.3.4 FREMDBEZUGSGROBPLANUNG UND FREMDBEZUGSPLANUNG ................................ 38 2.3.5 PRODUKTIONSBEDARFSPLANUNG........................................................................................... 40 2.3.6 EIGENFERTIGUNGSPLANUNG................................................................................................. 40 2.3.7 EIGENFERTIGUNGSSTEUERUNG............................................................................................... 41 2.3.8 BESTANDSMANAGEMENT..................................................................................................... 42 2.3.9 PRODUKTIONSCONTROLLING................................................................................................... 43 2.4 MYTHOS PPS 4 . 0 ........................................................................................................................... 45 3 DER M ENSCH IN D ER PRODUKTION VON M O RG EN ............................................................................. 51 GUENTHER REINHART, KLAUS BENGLER, CHRISTIANE DOLLINGER, CARSTEN INTRA, CHRISTOPHER LOCK, SEVERINA POPOVA-DLOGOSCH, CHRISTOPH RIMPAU, JONAS SCHMIDTLER, SEVERIN TEUBNER, SUSANNE VERNIM 3.1 DIE BEDEUTUNG VON INDUSTRIE 4.0 FUER DEN M ITARBEITER.............................................................. 51 3.2 GRUNDLEGENDE KONZEPTE UND MODELLE....................................................................................... 54 3.2.1 DAS KONZEPT MENSCH - TECHNIK - ORGANISATION (M IO )................................................. 54 3.2.2 BELASTUNGS-BEANSPRUCHUNGSKONZEPT.............................................................................. 56 3.2.3 GESTALTUNG VON ASSISTENZSYSTEMEN ............................................................................... 57 3.2.4 SYSTEMERGONOMISCHE ANALYSE ....................................................................................... 59 3.3 QUALIFIZIERUNG DES PRODUKTIONSMITARBEITERS IN DER INDUSTRIE 4 . 0 ........................................... 60 3.3.1 ENTWICKLUNGSTENDENZEN DER ARBEIT IN DER PRODUKTION DURCH INDUSTRIE 4.0 ................ 60 3.3.2 CHARAKTERISTIK DES PRODUKTIONSMITARBEITERS DER ZUKUNFT............................................. 63 3.3.3 QUALIFIKATIONSBEDARF FUER DEN PRODUKTIONSMITARBEITER DER ZUKUNFT ............................. 64 3.4 INDIVIDUELLE DYNAMISCHE WERKERINFORMATIONSSYSTEME............................................................ 66 3.4.1 UEBERSICHT WERKERINFORMATIONSSYSTEME.......................................................................... 68 3.4.2 INDIVIDUELLE WERKERINFORMATION..................................................................................... 72 3.4.3 DYNAMISCHE WERKERINFORMATION ................................................................................... 77 3.5 MENSCH-ROBOTER-INTERAKTION....................................................................................................... 77 3.6 PERSONALFUEHRUNG........................................................................................................................ 79 3.6.1 AUSWIRKUNGEN EINER STAERKEREN VERNETZUNG UND DIGITALISIERUNG ................................. 79 3.6.2 AUSWIRKUNGEN DES DEMOGRAFISCHEN WANDELS UND VERAENDERTEN WERTEVERSTAENDNISSES 81 3.6.3 AUSWIRKUNGEN DES PRODUKTIONSTECHNISCHEN U M FELDS .................................................. 82 3.6.4 ANSCHAUUNGSBEISPIEL: REDUZIERUNG KOGNITIVER BELASTUNG FUER FUEHRUNGSPERSONEN . . . 84 4 D ATEN, INFORM ATION UND W ISSEN IN INDUSTRIE 4 . 0 .................................................................... 89 JOERG KRUEGER, AXEL VICK, MORITZ CHEMNITZ, MARTIN ROSENSTRAUCH, JOHANNES HUEGLE, MAXIMILIAN FECHTEIER, MATTHIAS BLANKENBURG 4.1 MASCHINENSTEUERUNG AUS DER CLOUD - AUTOMATION AS A SERVICE .............................................. 89 4.1.1 EINFUEHRUNG ZU CLOUD-PLATTFORMEN UND -DIENSTEN ............... 89 4.1.2 POTENZIALE DER CLOUD FUER DIE PRODUKTION................................................................... 91 4.1.3 WEGE ZUR CLOUD-BASIERTEN AUTOMATISIERUNG ................. 92 4.2 BIG D A TA .................................................................................................................. 97 4.2.1 DEFINITIONEN.................................................................................................................... 98 4.2.2 TOOLS ............................................................................................ 99 4.2.3 ANWENDUNGEN ........... 100 4.2.4 MOEGLICHE ANWENDUNGSGEBIETE ....................................................................................... 101 4.3 KOMMUNIKATION........................................................................................................................... 104 4.3.1 KOMMUNIKATIONSTECHNIK FUER DIE PRODUKTION: BEREIT FUER INDUSTRIE 4 .0 ? ....................... 104 4.3.2 KOMMUNIKATION AUF DER FELDEBENE ............................................................................... 106 4.3.3 DRAHTLOSKOMMUNIKATION IN DER FABRIK ........................... .............................................. 106 4.3.4 MIDDLEWARE UND STANDARDS: DIE FABRIK VERNETZT SICH .................................................. 107 4.3.5 POTENTIALE DES TAKTILEN INTERNETS ................................................................................... 108 5 CYBER-SICHERHEIT IN INDUSTRIE 4.0 ............................................................................................... 111 CLAUDIA ECKERT 5.1 MOTIVATION ................................................................................................................................. 111 5.2 SICHERHEITSBEDROHUNGEN UND HERAUSFORDERUNGEN ................................................................ 112 5.2.1 CHARAKTERISTIKA VON INDUSTRIE 4.0 ................................................................................. 113 5.2.2 BEDROHUNGEN .................................................................................................................. 114 5.2.2.1 ANGREIFERTYPEN ................................................................................................ 114 5.2.2.2 BEDROHUNGEN FUER INDUSTRIAL CONTROL SYSTEMS ................................................ 114 5.2.3 ANFORDERUNGEN AN DIE CYBER-SICHERHEIT ....................................................................... 116 5.2.3.1 VERNETZUNG ALLER AN DER WERTSCHOEPFUNG BETEILIGTEN INSTANZEN ..................... 116 5.2.3.2 ORGANISATION UND STEUERUNG DER GESAMTEN WERTSCHOEPFUNGSKETTE UEBER DEN LEBENSZYKLUS VON PRODUKTEN............................................................ 117 5.2.3.3 PRODUKTION INTELLIGENTER PRODUKTE, VERFAHREN UND PROZESSE ......................... 118 5.2.3.4 ORIENTIERUNG AN INDIVIDUALISIERTEN KUNDENWUENSCHEN .................................... 119 5.2.3.5 VERFUEGBARKEIT RELEVANTER INFORMATIONEN IN E CHTZEIT ...................................... 119 5.3 CYBER-SICHERHEIT: LOESUNGSANSAETZE..................... 120 5.3.1 SICHERHEITSLEITFADEN ...................................................................................................... 121 5.3.2 PRODUKT- UND KNOW-HOW-SCHUTZ .................... .... ........................................................... 123 5.3.2.1 SOFTWARE REVERSE ENGINEERING UND GEGENMASSNAHMEN ................................. 123 5.3.2.2 ABSICHERUNGSKONZEPTE FUER INDUSTRIELLE STEUERUNGSANLAGEN ................. 126 5.3.3 SICHERHEIT VON APPS........................................................................................................ 127 5.3.3.1 AUSGEWAEHLTE PROBLEMBEREICHE VON ANDROID-APPS............................................ 127 5.3.3.2 APP-RAY-ANALYSEWERKZEUG............................................................................... 128 5.3.4 DATENSOUVERAENITAET: INDUSTRIAL DATA SPACE .................................................................... 130 5.3.4.1 ARCHITEKTURUEBERBLICK ....................................................................................... 131 5.3.4.2 SICHERHEITSARCHITEKTUR ..................................................................................... 132 5.3.4.3 ANWENDUNGSSZENARIO: PREDICTIVE M AINTENANCE ................... 134 5.4 ZUSAMMENFASSUNG ............ ..........................................................................................- ........... 135 6 O RGANISATION, Q UALITAET UND IT-SYSTEME FUER PLANUNG UND B E TRIE B ................................... . . 137 MICHAEL NIEHUES, GUENTHER REINHART, ROBERT H. SCHMITT, GUENTHER SCHUH, FELIX BRAMBRING, MAX ELLERICH, HANNES ELSER, DANIEL FRANK, SEBASTIAN GROGGERT, ANDREAS GUETZLAFF, VERENA HEINRICHS, THOMAS HEMPEL, KEVIN KOSTYSZYN, HAO NGO, LAURA NIENDORF, EIKE PERMIN, JAN-PHILIPP PROTE, CHRISTINA REUTER, ROBIN TUERTMANN 6.1 SYSTEME FUER GESCHAEFTSPROZESSE.................................................................................................. 137 6.1.1 SYSTEME ZUR PLANUNG UND ZUM BETRIEB DER GESCHAEFTSPROZESSE ................................... 137 6.1.1.1 ENTERPRISE RESOURCE PLANNING.............................................. 137 6.1.1.2 MANUFACTURING EXECUTION S YSTEM S ................. 137 6.1.1.3 ADVANCED PLANNING AND SCHEDULING .......... ...................................................... 139 6.1.1.4 PPS ALS SCHNITTMENGE VON ERP UND M ES ....................................................... 139 6.1.2 TRENDS IM FLANNING AND SCHEDULING ............................................................ 140 6.1.2.1 ECHTZEITDATENERFASSUNG UND UNTERNEHMENSUEBERGREIFENDE BEREITSTELLUNG . . . 140 6.1.2.2 ZENTRALE, DEZENTRALE UND HYBRIDE STEUERUNGSSTRUKTUREN ............................... 143 6.1.2.3 PLATTFORMSTRATEGIE UND APP-BASIERTE INDIVIDUALISIERUNG ............................... 145 6.1.2.4 WERKZEUGE ZUR ZIELGRUPPENSPEZIFISCHEN DATENAUFBEREITUNG ......................... 145 6.2 ORGANISATION UND IT .................................................................................................................. 146 6.2.1 ORGANISATION VON PLANUNG UND B ETRIEB.......................................................................... 146 6.2.2 CYBER-PHYSISCHE SYSTEME ZUR UNTERSTUETZUNG DER PLANUNG UND DES B ETRIEBS .............. 147 6.2.2.1 HOCHAUFLOESENDE DATENAUFNAHME...................................................................... 147 OE.2.2.2 PROGNOSEFAEHIGKEIT DURCH ECHTZEITNAHE SIMULATION ........................................ 150 OE.2.2.3 ENTSCHEIDUNGSUNTERSTUETZUNG MITTELS INTUITIVER VISUALISIERUNG ..................... 153 6.3 QUALITAET UND IT .......................................................................................................................... 154 6.3.1 COMPUTERIZED Q UALITY..................................................................................................... 155 6.3.2 TRENDS IM KONTEXT VON INDUSTRIE 4 .0 ............................................................................. 157 6.3.2.1 DATA ANALYTICS ZUR STEIGERUNG VON PRODUKT- UND PROZESSQUALITAET ................. 157 OE.3.2.2 SMART DEVICES FUER DIE QUALITAETSSICHERUNG...................................................... 160 6.3.2.3 PLATTFORM-BASIERTE KOLLABORATION FUER EINE BESSERE RESSOURCENNUTZUNG ....... 161 OE.3.2.4 SELBSTOPTIMIERENDE PRUEFSYSTEME...................................................................... 164 6.3.2.5 INTERAKTIVE PROZESSDOKUMENTATION AUF WIKI-BASIS.......................................... 164 6.3.3 FAZIT.................................................................................................................................. 165 7 ASPEKTE DER FABRIKPLANUNG FUER DIE AUSRICHTUNG AUF INDUSTRIE 4 . 0 ................................ 169 UWE DOMBROWSKI, TOBIAS STEFANAK, PHILIPP KRENKEL 7.1 AKTUELLER STAND UND WEITERENTWICKLUNG DER DIGITALEN FABRIK ................................................ 169 7.1.1 DEFINITION DER DIGITALEN FABRIK ...... ................................................................................. 170 7.1.2 METHODEN UND WERKZEUGE DER DIGITALEN FABRIK............................................................ 172 7.1.3 NUTZEN DER DIGITALEN F ABRIK........................................................................................... 175 7.2 BEITRAG DER DIGITALEN FABRIK ZUR AUSRICHTUNG DER FABRIKPLANUNG AUF INDUSTRIE 4 .0 .............. 177 7.2.1 BETRIEBSANALYSE .............................................................................................................. 178 7.2.2 GROBPLANUNG.......................................................................................................... 180 7.2.3 FEINPLANUNG.................................................................................................................... 183 7.2.4 U M SETZUNG ................................................................... 186 7.2.5 BETRIEB, TUNING UND ANPASSUNG............................. 186 7.3 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ...................................................................................... 188 8 RECHTSFRAGEN BEI INDUSTRIE 4.0: RAHMENBEDINGUNGEN, HERAUSFORDERUNGEN UND LOESUNGSANSAETZE .............................................. 191 GERRIT HORNUNG, KAI HOFMANN 8.1 HANDLUNGSBEDARF...................................................... 191 8.2 DATENHOHEIT................................................................................................................................ 191 8.2.1 KONZEPTIONELLE SCHUTZRICHTUNGEN ....... 192 8.2.2 SCHUTZ IN DER UNMITTELBAREN EINFLUSSSPHAERE ................................................................ 193 8.2.3 IMMATERIALGUETERRECHT ..................................................................................................... 193 8.2.4 SCHUTZ VON UNTERNEHMENSGEHEIMNISSEN ............... 195 8.2.5 FAKTISCHE DATENHOHEIT DURCH SOFTWARESCHUTZ................................................................ 197 8.2.6 DATENEIGENTUM ............................................................................................................ 198 8.2.7 FAZIT................................................................................................................................. 199 8.3 HAFTUNG UND RECHTSGESCHAEFTE ................................................................................................... 200 8.3.1 H AFTUNG................................................................... 200 8.3.1.1 VERTRAGLICHE HAFTUNG......................................................................................... 200 8.3.1.2 GESETZLICHE HAFTUNG ......................................................................................... 201 8.3.2 RECHTSGESCHAEFTE .............................................................................................................. 202 8.4 DATENSCHUTZRECHT ...................................................................................................................... 204 8.4.1 BETRIEBLICHE MITBESTIMMUNG ......................................................................................... 204 8.4.2 GRUNDSAETZLICHE ANFORDERUNGEN IM BETRIEB.................................................................... 204 8.4.3 ZUSAMMENARBEIT MIT DRITTEN ......................................................................................... 205 8.5 IT-SICHERHEITSRECHT .................................................................................................................... 206 8.5.1 REICHWEITE DES IT-SICHERHEITSGESETZES........................................................................... 206 8.5.2 AUSWIRKUNGEN AUF DIE INDUSTRIE 4.0 ............................................................................. 207 8.5.3 UNTERSUCHUNGSBEFUGNISSE DES BSI................................................................................. 208 8.6 FAZIT .................................................................................. 208 9 S TRATEGIEN ZUR TRANSFORM ATION D ER P RO D U K TIO N SU M G E B U N G ................................................ 213 DENNIS KOLBERG, ELLINA MARSEU, DOMINIC GORECKY, JONAS KOCH, CHRISTIAN PLEHN, DETLEF ZUEHLKE, GUENTHER REINHART 9.1 IDENTIFIKATION VON HANDLUNGSBEDARFEN..................................................................................... 213 9.2 MANAGEMENT VON AENDERUNGEN IN DER PRODUKTION.................................................................... 217 9.2.1 AUFBAU UND KONTEXT DES AENDERUNGSMANAGEMENTS IN DER PRODUKTION . .................. 218 9.2.2 DER AENDERUNGSPROZESS FUER EINE DIGITALISIERTE PRODUKTION............................................. 219 9.2.2.1 PHASE I: PROAKTIVITAET................................................ 220 9.2.2.2 PHASEII:REAKTIVITAET . ............................................. 221 9.2.2.3 PHASE III: RETROSPEKTIVITAET ............................................................................... 222 9.2.3 ANALYSE VON PRODUKTIONSAENDERUNGEN........................................................................... 222 9.2.4 ZUSAMMENFASSUNG.......................................................................................................... 225 9.3 DEFINITION VON ANFORDERUNGEN FUER CPPA ................................................................................. 226 9.3.1 STATUS QUO BEI DER ERSTELLUNG VON LASTENHEFTEN IM KONTEXT DER PRODUKTION . ............. 227 9.3.2 VORGEHEN UND CHECKLISTE ZUR ERSTELLUNG VON LASTENHEFTEN FUER CPPA .......................... 227 9.3.2.1 1. SCHRITT: PROJEKTZIEL FESTLEGEN ......................................................................... 228 9.3.2.2 2. SCHRITT: PROBLEMFELDER IDENTIFIZIEREN............................................................ 228 9.3.2.3 3. SCHRITT: LOESUNGSALTERNATIVEN BESTIMMEN . .................................................... 229 9.3.2.4 4. SCHRITT: LOESUNGSALTERNATIVEN ABSTIMMEN UND INTEGRIEREN ......................... 230 9.3.2.5 5. SCHRITT: FINALES LASTENHEFT ERSTELLEN . . .......................................................... 230 9.4 VORGEHEN ZUR KONZEPTION UND REALISIERUNG............................................................................. 232 9.4.1 STATUS QUO BEI DER PRODUKT- BZW. SYSTEMENTWICKLUNG . .................. 233 9.4.1.1 DISZIPLINSPEZIFISCHE VORGEHENSMODELLE UND WERKZEUGE ..................... 234 9.4.1.2 DISZIPLINUEBERGREIFENDE VORGEHENSMODELLE UND WERKZEUGE . ......................... 237 9.4.1.3 STATUS QUO BEI DER ENTWICKLUNG VON CPS-BASIERTEN LOESUNGEN ....................... 239 9.4.1.4 STATUS QUO BEI DER ENTWICKLUNG VON WANDELBAREN PRODUKTIONSANLAGEN ........ 242 9.4.2 ENTWICKLUNGSMETHODIK FUER CYBER-PHYSISCHE PRODUKTIONSANLAGEN ............................... 242 9.4.2.1 PHASEN 1 UND 2: UEBERGREIFENDE SYSTEM- UND SUBSYSTEMENTWUERFE . . . ............. 244 9.4.2.2 PHASE 3: DETAILLIERTER SUBSYSTEMENTWURF . . .................... 249 Y.4.2.3 PHASEN 4 UND 5: INTEGRATION ............................................................................. 253 9.5 ZUSAMMENFASSUNG .................................................................................................... 254 10 S Y STEM ATISCH E EINBINDUNG VON KUNDEN IN DEN INNOVATIONSPROZESS ............................... 257 SIMON BOCK, JOHANN FUELLER, GIORDANO KOCH, UDO LINDEMANN 10.1 NOTWENDIGKEIT UND CHANCEN DER KUNDENEINBINDUNG IN ZEITEN DER DIGITALISIERUNG.............. 257 10.2 OEFFNEN DES INNOVATIONSPROZESSES DURCH OPEN INNOVATION........................................... . ......... 259 10.3 KUNDENEINBINDUNG IN DEN INNOVATIONSPROZESS ...................................................................... 260 10.3.1 PHASEN DER KUNDENEINBINDUNG ..................................................................................... 260 10.3.2 METHODEN ZUR EINBINDUNG VON KUNDEN UND EXTERNEN A KTEUREN ................................. 261 10.3.3 IDEEN, KONZEPTE UND TECHNOLOGIEN ............................................................................... 263 10.4 VON MASS CUSTOMIZATION ZUM KUNDENINNOVIERTEN PRODUKT .................................................... 265 10.5 AGILE ENTWICKLUNGSPROZESSE ..................................................................................................... 266 10.6 PRODUKTARCHITEKTUREN ADAPTIERBARER UND INDIVIDUALISIERBARER PRODUKTE ............................... 272 10.7 KOSTENBEURTEILUNG ADAPTIERBARER UND INDIVIDUALISIERTER PRODUKTE......................................... 275 11 INDUSTRIE 4.0 UND DIE S TEIGERUNG D ER ENERGIEEFFIZIENZ IN D ER PRO D U K TIO N ......................... 279 SEBASTIAN THIEDE, GERRIT POSSELT, CHRISTOPH HERRMANN 11.1 ENERGIEFLUESSE UND ENERGIEEFFIZIENZ IN DER PRODUKTION............................................................ 279 11.2 CYBER-PHYSISCHE PRODUKTIONSSYSTEME IM KONTEXT DER ENERGIEEFFIZIENZ ................................. 281 11.3 ENERGIETRANSPARENTE M ASCHINEN............................................................................................... 282 11.4 ENERGIEEFFIZIENZ IN DER PROZESSKETTE - DYNAMISCHER ENERGIEWERTSTROM ............................... 285 11.5 ENERGIEEFFIZIENZ AUF FABRIKEBENE . .......................... 287 11.5.1 3D-MONITORING THERMISCHER EMISSIONEN.................................................. 287 11.5.2 MULTI-LEVEL-SIMULATION ................................................................................................... 288 11.6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ............................................................................................. 290 TEILS M ECHATRONISCHE (CYBER-PHYSISCHE) A UTOM ATISIERUNGSKOM PONENTEN 1 DAS GENTELLIG EN TE W E RK S TUE C K ........................................................................................................ 295 BEREND DENKENA, MARC-ANDRE DITTRICH, FLORIAN UHLICH, LUKAS MAIBAUM, TOBIAS MOERKE 1.1 DIE VISION: DAS GENTELLIGENTE W ERKSTUECK ................................................................................. 295 1.2 DIE VISION: EINORDNUNG GENTELLIGENTER WERKSTUECKE ...................................... 297 1.3 DIE UMSETZUNG: BEFAEHIGUNG DES WERKSTUECKS . ........................................................................... 298 1.3.1 DATEN ERFASSEN ................................... . ................................ ......... .. ............................ 299 1.3.1.1 SENSORBASIERTE DATENAUFNAHME .................................... 299 1.3.1.2 BAUTEILRANDZONENBASIERTE DATENAUFNAHME .................................................... 302 1.3.2 WERKSTUECKIDENTIFIKATION UND INHAERENTES SPEICHERN VON DATEN ................................... 304 1.3.3 KOMMUNIKATION.............................................................................................................. 309 1.4 ANWENDUNGEN.............................................. 311 1.4.1 ANWENDUNG IN DER FERTIGUNGSPHASE .................................. 311 1.4.2 ANWENDUNG IN DER NUTZUNGSPHASE .......... . ...................................... . ........................... 316 2 DAS INTELLIGENTE W ERK ZEU G ............................................................................................................ 323 MICHAEL ZAEH, PHILIPP RINCK, SEBASTIAN PIECZONA, EVA SCHAUPP, THOMAS GROSCH, EBERHARD ABELE, JOACHIM METTERNICH 2.1 DAS WERKZEUG - BISHER UND ZUKUENFTIG ............................ 323 2.2 AKTUELLE ANSAETZE UND BEISPIELE INTELLIGENTER WERKZEUGE........................................................ 324 2.2.1 EINSTUFUNG VON WERKZEUGEN........................................................................................... 324 2.2.2 ANWENDUNGSFAELLE FUER INTELLIGENTE WERKZEUGE................................................................ 325 2.2.3 SCHNITTSTELLEN ZUR EINBINDUNG EINES INTELLIGENTEN WERKZEUGS..................................... 328 2.3 WERKZEUGUEBERWACHUNG ............................................................................................................ 331 2.4 INTELLIGENTER WERKZEUGKREISLAUF.............................................................................................. 334 2.4.1 MOTIVATION....................................................................................................................... 334 2.4.2 FUNKTIONSBAUSTEINE DES SMART TOOLS............ . ............................................................... 334 2.4.3 FAZIT UND AUSBLICK . . . ..................................................................................................... 339 3 DIE VERNETZTE W ERKZEUGM ASCHINE ............................................................................................ 341 CHRISTIAN BRECHER, WERNER HERFS, DENIS OEZDEMIR, MARKUS OBDENBUSCH, JOHANNES NITTINGER, FREDERIK WELLMANN, MICHAEL KOENIGS, CHRISTIAN KRELLA, SIMON SITTIG 3.1 FRONTLOADING DURCH EINE EFFIZIENTERE CAD-CAM-NC-KETTE ............................................ 343 3.1.1 DIE CAD-CAM-NC-KETTE...................................................................... 343 3.1.2 AUTOMATISIERUNGSMECHANISMEN IN HEUTIGEN CAM-SYSTEMEN....................................... 344 3.1.3 WEITERFUEHRENDE ANSAETZE IN FORSCHUNG UND PRAXIS .............................. 346 3.1.4 ZWISCHENFAZIT................................................................................................................. 349 3.2 SIMULATION DES PROZESS-MASCHINE-VERHALTENS IM PRODUKTENTSTEHUNGSPROZESS ..................... 349 3.2.1 OPTIMIERUNG VON NC-PROGRAMMEN IN DER ARBEITSVORBEREITUNG ................................... 351 3.2.2 RUECKKOPPLUNG VON ERKENNTNISSEN IN DER ENTWICKLUNGSPHASE VON PRODUKTIONSMITTELN .......................... 355 3.2.3 ZWISCHENFAZIT................................................................................................................. 356 3.3 BIG DATA-ANALYSEN IM PRODUZIERENDEN UNTERNEHMEN ............................................................ 356 3.3.1 INTEGRATIVE VERNETZUNG DER CAD-CAM-NC-KETTE . . ....................................................... 357 3.3.2 PROZESSDATENRUECKFUEHRUNG UND -KONTEXTUALISIERUNG ...................................................... 359 3.3.3 DATENEVALUATION.............................................................................................................. 360 3.3.3.1 MANUELLE PROZESSEVALUATION............ . ............................................................... 360 3.3.3.2 PRODUKTIVITAETSSTEIGERUNGEN............................................................................. 361 3.3.3.3 AUTOMATISIERTE EVALUATION UND QUALITAETSPROGNOSE ......................................... 361 3.3.4 ZWISCHENFAZIT ___ _ .* ................................................... ............................ . ..................... 362 3.4 IMPULSE VON INDUSTRIE 4.0 AUF DAS CONDITION-MONITORING VON WERKZEUGMASCHINEN .............. 363 3.4.1 VISION DER SELBSTUEBERWACHENDEN WERKZEUGMASCHINE..................... 363 3.4.2 MASCHINENKOMPONENTENMODELLE FUER DIE GEBRAUCHSDAUERPROGNOSE ........................... 365 3.4.3 INTEGRATION IN DIE PRODUKTIONSLANDSCHAFT ............................ 368 3.4.4 ZWISCHENFAZIT....................................................................................................... 369 3.5 NEUE BEDIENKONZEPTE FUER DIE NUTZERZENTRIERTE WERKZEUGMASCHINE ...... ...................... 370 3.5.1 KONVENTIONELLE BEDIENKONZEPTE ............... 370 3.5.2 NEUE BEDIENKONZEPTE .................................................................................................... 371 3.5.3 ANFORDERUNGEN AN EIN NUTZERZENTRIERTES BEDIENKONZEPT ................... 372 3.5.4 TOUCHSCREEN-BEDIENUNG IM PRODUKTIONSUMFELD............................................................ 372 3.5.5 BENUTZERZENTRIERTE DIALOGGESTALTUNG ............................................................................. 374 3.5.6 MIDDLEWARE.................................................................................................... 376 3.5.7 ZWISCHENFAZIT.................................................................................................................. 376 3.6 FAZIT ............................................................................................................................................ 376 4 V ERARBEITUNGSANLAGEN UND V E RP A C K U N G SM A SC H IN E N ............................................................ 379 JENS-PETER MAJSCHAK, MARC MAUERMANN, TOBIAS MUELLER, CHRISTOPH RICHTER, MARCEL WAGNER, GUENTHER REINHART 4.1 KONSUMGUETERPRODUKTION 4.0 ..................................................................................................... 379 4.1.1 ANLAGEN ZUR MASSENPRODUKTION VON VERBRAUCHSGUETERN .............................................. 379 4.1.2 TRENDS IM LEBENSMITTEL- UND PHARMABEREICH................................................................ 381 4.1.3 WANDLUNGSFAEHIGE VERARBEITUNGSPROZESSE...................................................................... 383 4.2 VOM STOFFSYSTEM ZUM PRODUKT IN WANDLUNGSFAEHIGEN PROZESSKETTEN ........................................ 384 4.2.1 WANDLUNGSFAEHIGE FLIESSPROZESSE...................................................................................... 384 4.2.2 VARIATIONSEBENEN IN VERARBEITUNGSANLAGEN ................................................................... 388 4.3 ELEMENTE WANDLUNGSFAEHIGER VERARBEITUNGSANLAGEN................................................................ 390 4.3.1 DER QUALITAETSGEFUEHRTE PROZESS ....................................................................................... 390 4.3.2 QUALITAETSMATERIAL UND QUALITAETSPRODUKT........................................................................ 393 4.3.3 WANDLUNGSFAEHIGE WIRKPAARUNGEN.................................................................................. 395 4.4 WANDLUNGSFAEHIGE VERARBEITUNGSANLAGEN................................................................................. 399 4.4.1 WANDLUNGSFAEHIGE ANLAGENSTRUKTUREN ........................................................................... 399 4.4.2 SELBSTUEBERWACHENDE UND SELBSTOPTIMIERENDE MASCHINEN............................................. 403 4.4.3 PROZESSINTEGRIERTE MECHATRONISCHE SIM ULATION......................... 414 4.4.4 ASPEKTE DER AUTOMATISIERTEN REINIGUNG VON WANDLUNGSFAEHIGEN ANLAGEN ................... 417 4.4.5 BEDIENERASSISTENZ ...................................... 420 5 T RA N S FE RS Y S TE M E .............................................................................................................................. 429 KLAUS DROEDER, FRANZ DIETRICH, ALEXANDER TORNOW, CHRISTIAN LOECHTE, BIRK WONNENBERG, ROMAN GERBERS, PAUL BOBKA 5.1 VERKETTUNG VON ANLAGEN............................................................................................................. 430 5.1.1 VERKETTUNG IN DER AUTOMATISIERTEN PRODUKTION.............................................................. 430 5.1.2 FLEXIBILISIERUNG VON TRANSFERSYSTEMEN .................. ....................................................... 431 5.1.3 POTENTIAL FLEXIBLER VERKETTUNG IN TYPISCHEN ANORDNUNGSSTRUKTUREN ........................... 432 5.1.4 MAXIMIERUNG DER FLEXIBILITAET VON TRANSFERSYSTEMEN AM BEISPIEL DES INCREMENTAL MANUFACTURING .......................................... 436 5.2 ROBOTERBASIERTE TRANSFERSYSTEME ............................................................................................. 437 5.2.1 SENSORINTEGRATION IN ROBOTERBASIERTEN TRANSFERSYSTEMEN ................................ 438 5.2.2 INTUITIVE PROGRAMMIERUNG VON ROBOTERBASIERTEN TRANSFERSYSTEMEN ........................... 439 5.2.3 ANWENDUNGSBEISPIEL: HOCHFLEXIBLER WERKSTUECKTRANSFER GRIFF IN DIE KISTE .............. 442 5.3 GREIFTECHNIK IN TRANSFERSYSTEMEN ........................................................................................... 443 5.3.1 FUNKTIONSINTEGRIERTE GREIFSYSTEME ............................................................................... 444 5.3.2 ANPASSUNGSFAEHIGE GREIFSYSTEME ..................................................................... 447 6 LOGISTIK 4 . 0 .......... . ........................................................................................................................... 451 CHRISTIAN LIEBEROTH-LEDEN, MARCUS ROESCHINGER, JOHANNES LECHNER, WILLIBALD A. GUENTHNER 6.1 DIGITALISIERUNG UND VERNETZUNG IN DER SUPPLY CHAIN 4.0 ........................................................ 453 6.1.1 EINSATZ INTELLIGENTER LADUNGSTRAEGER AM BEISPIEL DER LEBENSMITTEL-SUPPLY C H A IN ___ 454 6.1.2 KOLLABORATIVES LEBENSZYKLUSMANAGEMENT IN DER CLOUD AM BEISPIEL DER WERKZEUG-SUPPLY CHAIN ................................................................................................ 460 6.2 EINSATZ DIGITALER WERKZEUGE IN DER LOGISTIKPLANUNG .............................................................. 465 6.2.1 EINSATZ VON VIRTUAL REALITY ZUR PLANUNG MANUELLER KOMMISSIONIERSYSTEME .............. 466 6.2.2 KOLLABORATIVE PLANUNG UND INBETRIEBNAHME VON MATERIALFLUSSSYSTEMEN .................... 471 6.3 SCHNITTSTELLEN ZUR EINBINDUNG DES MENSCHEN IN DIGITALE LOGISTIKPROZESSE ........................... 475 6.3.1 NEUE FORMEN DES INFORMATIONSAUSTAUSCHS FUER EINE EFFIZIENTERE MANUELLE KOMMISSIONIERUNG.......................................................................................................... 477 6.3.2 ASSISTENZSYSTEME FUER STAPLERFAHRER ZUR DARSTELLUNG UND ERFASSUNG VON PROZESSDATEN............................................................................................................ 479 6.4 STEUERUNGSKONZEPTE FUER AUTOMATISIERTE UND FLEXIBLE MATERIALFLUESSE IN PRODUKTION UND DISTRIBUTION DER INDUSTRIE 4.0 ........................................................................................... 483 6.4.1 EFFIZIENTE ERSTELLUNG EINER STEUERUNG FUER MATERIALFLUSSSYSTEME DURCH AUTOMATISCHE SOFTWAREGENERIERUNG............................................ 485 6.4.2 VERWENDUNG EINER VERTEILTEN MATERIALFLUSSSTEUERUNG ZUR REALISIERUNG VON WANDELBAREN MATERIALFLUSSSYSTEMEN ..................................................................... 487 6.4.2.1 VERTEILTE MATERIALFLUSSSTEUERUNG IM INTERNET DER DINGE DER INTRALOGISTIK . . . 489 OE.4.2.2 AUTONOME FOERDERTECHNIKMODULE ZUR SELBSTKONFIGURATION DER MATERIALFLUSSSTEUERUNG..................................................................................... 490 6.5 EINFUEHRUNG UND EINSATZ VON RFID ZUR DEZENTRALEN DATENHALTUNG ..................... 497 6.5.1 INNOVATIVE KONZEPTE UND WERKZEUGE ZUR EINFUEHRUNG VON RFID ................................. 499 6.5.2 AUTOMATISCHE ERFASSUNG UND BEREITSTELLUNG VON PROZESSDATEN ................................... 507 7 M ONTAGE 4.0 ..................................................................................................................................... 513 JULIAN BACKHAUS, VEIT HAMMERSTINGL, JOACHIM MICHNIEWICZ, COSIMA STOECKER, MARCO ULRICH, GUENTHER REINHART 7.1 MOTIVATION ............................................................................................. 513 7.2 BEISPIELPRODUKT UND -ANLAGE ...................... 515 7.2.1 BEISPIELPRODUKT .............................................................................................................. 515 7.2.2 BEISPIELANLAGE ................................................................................................................ 515 7.3 LOESUNGSNEUTRALE FAEHIGKEITENBESCHREIBUNG ...................... 516 7.3.1 BEGRIFFSBESTIMMUNG UND BEISPIELE . . ............................................................................. 516 7.3.2 N UTZEN............................................................................................................................. 519 7.3.3 TAXONOMIE DER FAEHIGKEITEN................... 520 7.4 CAD-PRODUKTANALYSE - GENERIERUNG VON PRODUKTANFORDERUNGEN ......................................... 522 7.4.1 ASSEMBLY-BY-DISASSEMBLY - BESTIMMUNG VON MONTAGEREIHENFOLGEN UND -BEWEGUNGEN ................. 523 7.4.2 BESTIMMUNG VON QUANTITATIVEN PROZESSPARAMETERN .................................................... 524 7.4.3 BESTIMMUNG VON BAUTEILSCHNITTSTELLEN .................................................. 525 7.5 AUTOMATISCHE MONTAGEPLANUNG . ................ 525 7.5.1 EINFUEHRUNG UND SYSTEMUEBERSICHT ............................ 525 7.5.2 ERZEUGUNG DES FAEHIGKEITENMODELLS EINER ANLAGE MIT BEKANNTEM LAYOUT.................... 528 7.5.3 ANFORDERUNGEN-FAEHIGKEITEN-ABGLEICH - AUTOMATISCHE MONTAGEPLANUNG . ................... 529 7.5.3.1 ARTEN DER PRUEFUNG............................................................................................. 530 7.5.3.2 BESTIMMUNG VON SEKUNDAERPROZESSEN.............................................................. 532 7.5.4 BEISPIELHAFTE ABGLEICHMODULE ....................................................................................... 532 7.5.5 AUTOMATISCHE ABLEITUNG VON HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN ............................................... 534 7.5.5.1 PRODUKTORIENTIERTE HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN ................................................ 534 7.5.5.2 BETRIEBSMITTELORIENTIERTE HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN....................................... 535 7.5.6 BEWERTUNG UND AUSWAHL VON PLANUNGSALTERNATIVEN .................................................... 535 7.5.7 AUTOMATISCHE ERSTELLUNG VON MONTAGEANLEITUNGEN ...................................................... 536 7.6 AUTOMATISIERTE INTEGRATION ......................................................................................................... 536 7.6.1 AUTOMATISIERTE KONFIGURATION VON PRODUKTIONSKOMPONENTEN (PLUG & PRODUCE) .......... 536 7.6.1.1 KONZEPT ZUR AD-HOC-VERNETZUNG HEUTIGER ANLAGENKOMPONENTEN .................. 538 7.6.1.2 AUTOMATISIERTE GENERIERUNG EINES VEREINHEITLICHTEN FABRIKABBILDES ............ 540 7.6.2 ZEITOPTIMALE BAHNPLANUNG VON ROBOTERSYSTEMEN ........................... 542 7.6.2.1 SELBST PROGRAMMIERUNG VON INDUSTRIEROBOTERN............................................... 542 7.6.2.2 MODELLIERUNG ALS GRAPH UND BESCHREIBUNG IM KONFIGURATIONSRAUM .............. 542 7.6.2.3 PRAXISGERECHTE METHODEN ARBEITEN STICHPROBENBASIERT ................................. 543 7.6.2.4 KOLLISIONSDETEKTION ALS FLASCHENHALS .............................................................. 544 7.62.5 OPTIMIERUNG DER FAHRTZEIT ......................................... 544 7.6.2.OE EINSATZ IN DER MONTAGE ............................................. 546 7.6.3 AUFTEILUNG AUF ZIELSYSTEME UND CODEGENERIERUNG ........................................................ 547 7.7 AUTOMATISIERTE HARDWAREAUSLEGUNG AM BEISPIEL VON ZUFUEHRSYSTEMEN ................................. 548 7.7.1 GRUNDLAGEN...................................................................................................................... 548 7.7.2 PHYSIKSIMULATION............................................................................................................ 549 7.7.3 RANDBEDINGUNGEN..................................................................................... 549 7.7.4 SIMULATIONSGESTUETZTE A USLEGUNG ................................................................................... 550 7.7.5 FERTIGUNG UND VALIDIERUNG............................................................................................. 551 7.7.6 FAZIT ............................................................... 552 7.8 ZUSAMMENFASSUNG .................................................................................................................... 552 8 WANDELBARE MODULARE A UTOM ATISIERUNGSSYSTEM E ................................................................ 555 DOMINIC GORECKY, ANDRE HENNECKE, MATHIAS SCHMITT, STEPHAN WEYER, DETLEF ZUEHLKE 8.1 DIE AUTOMATISIERUNGSPYRAMIDE................................................................................................. 555 8.1.1 DEZENTRALE PROZESSSTEUERUNG MITTELS SMARTER PRODUKTE ............................................... 557 8.1.2 KONVERGENZ VON FELD- UND STEUERUNGSAUFGABEN MITTELS SMARTER FELDGERAETE................ 561 8.1.3 VERTIKALE INTEGRATION UND CLOUDBASIERTE, MODULARE IT-SYSTEME . .. .............................. 564 8.2 SMARTE VERNETZUNG.................................................................................................................... 566 8.2.1 KOMMUNIKATIONSSTANDARDS FUER INDUSTRIE 4.0 ................................................................ 567 8.2.2 ETHERNET IN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK...................................................................... 569 8.2.2.1 ECHTZEITFAEHIGE KOMMUNIKATION MIT TIME SENSITIVE NETWORKING.................... 570 5.2.2.2 SOFTWARE DEFINED NETWORKING - EIN NEUES NETZWERKPARADIGMA IN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK ................... 571 5.2.2.3 NEUE KOMMUNIKATIONSSTRUKTUREN FUER INDUSTRIE 4.0-NETZWERKE ..................... 575 8.2.3 STANDARDS ZUR INFORMATIONSMODELLIERUNG IN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK ................ 577 TEIL C A NW ENDUNGSBEISPIELE 1 V ERNETZTE ANLAGEN FUER DIE SP AN EN D E F E R TIG U N G .............. ............................................... 587 JUERGEN FLEISCHER, HEINZ GAUB, HEINER LANG, MARKUS KLAIBER, SEBASTIAN SCHOENING, BASTIAN ROTHAUPT 1.1 FLEXIBLE KLEINSERIENFERTIGUNG VON MASCHINENKOMPONENTEN .................................................. 587 1.1.1 RANDBEDINGUNGEN UND FERTIGUNGSUMFELD...................................................................... 587 1.1.2 LOESUNGSANSATZ FUER DIE VERNETZTE FERTIGUNG.................................................................... 589 1.2 LOESUNGSASSISTENZ IN DER VERNETZTEN GROSSSERIENFERTIGUNG ...................................................... 591 1.2.1 AUFBAU DES LOESUNGSASSISTENTEN..................................................................................... 591 1.2.2 BEDIENERFUEHRUNG ............................................................................................................ 592 1.2.3 DATENANALYSE UND FEHLERAUSWERTUNG ........................................................................... 592 1.3 DIGITALE LOESUNGEN FUER HONSYSTEME........................................................................................... 593 1.3.1 HONEN IN DER GROSSSERIENFERTIGUNG................................................................................. 593 1.3.2 FERNWARTUNGSLOESUNG FUER HONMASCHINEN ....................................................................... 594 1.3.3 CLOUDSERVICES DURCH MASCHINENANBINDUNG.................................................................. 596 1.4 FERTIGUNG VON MASCHINENKOMPONENTEN FUER SPRITZGIESSMASCHINEN......................................... 597 1.4.1 SPRITZGIESSMASCHINEN...................................................................................................... 598 1.4.2 ANLAGEN FUER DIE FERTIGUNG DER MASCHINENKOMPONENTEN........................... 599 1.4.3 INTELLIGENTE FERTIGUNGSMITTEL ......................................................................................... 601 1.4.4 VERTIKALE UND HORIZONTALE VERNETZUNG............................................ 601 1.4.5 SELBSTORGANISIERENDE TRANSPORTPROZESSE ...................................................................... 602 1.5 FAZIT ............................ 603 2 M ONTAGESYSTEM E: SKALIERBARE A UTOM ATISIERUNG IN D ER LERNFABRIK GLOBALE PRODUKTION . ................................................................................................ 605 GISELA LANZA, SEBASTIAN GREINACHER, FABIO ECHSLER MINGUILLON 2.1 DIE LERNFABRIK IM KONTEXT VON INDUSTRIE 4 .0 ........................................................................... 605 2.1.1 ZIELSTELLUNG DER LERNFABRIK GLOBALE PRODUKTION .......... .................................................. 605 2.1.2 SICHTEN AUF INDUSTRIE 4.0 IN DER LERNFABRIK.................................................................... 606 2.1.3 AUFBAU DER LERNFABRIK.................................................................................................... 606 2.2 DAS KONZEPT DER SKALIERBAREN AUTOMATISIERUNG...................................................................... 607 2.2.1 HERAUSFORDERUNGEN DER AUTOMATISIERUNG IN DER MONTAGE ........................................... 607 2.2.2 PRINZIP DER SKALIERBAREN AUTOMATISIERUNG.................................................................... 608 2.2.3 POTENZIALE DER SKALIERBAREN AUTOMATISIERUNG ............. 609 2.2.4 FAZIT ZUM KONZEPT DER SKALIERBAREN AUTOMATISIERUNG ................................................ 610 2.3 UMSETZUNG DER SKALIERBAREN AUTOMATISIERUNG IN DER LERNFABRIK GLOBALE PRODUKTION .......... 610 2.3.1 SKALIERUNGSSTUFEN IN DER LERNFABRIK .................................. 610 2.3.2 TECHNISCHE UMSETZUNG DER SKALIERBAREN AUTOMATISIERUNG IN DER LERNFABRIK ............ 616 2.4 AUSBLICK ..................... 620 3 V E RA RB E ITU N G S TE C H N IK .................................................................................................................... 621 JENS-PETER MAJSCHAK, GUENTHER REINHART, GEORG GOETZ, CHRISTOPH RICHTER, MARC MAUERMANN, SIMON BERGER, MARCEL WAGNER 3.1 INDIVIDUALISIERTE LEBENSMITTELVERARBEITUNG UND -VERPACKUNG IN LOSGROESSE 1 - FORFOOD ___ 621 3.1.1 LEBENSMITTELVERARBEITUNG FUER DIE HERSTELLUNG EINER KUNDENINDIVIDUELLEN MAHLZEIT IN LOSGROESSE 1 ............................................................................... 621 3.1.2 FORMATFLEXIBLE VERARBEITUNGSPROZESSE FUER EIN KUNDENINDIVIDUELLES VERPACKEN ........ 623 3.1.3 DIGITAL MOULDING FUER EIN FORMATFLEXIBLES THERMOFORMEN ............................................ 623 3.1.4 FLEXIBLER SIEGELPROZESS MITTELS MULTI-KONTUR-WERKZEUGEN ............................. ............. 624 3.1.5 AUTOMATISIERTE HERSTELLUNG VON INDIVIDUALISIERTEN SAMMELPACKUNGEN ..................... 625 3.2 AUTOMATISCHE FEINZERLEGUNG VON SCHINKEN ............................................................................. 626 3.2.1 AUFGABENSTELLUNG ........................................................................................ 626 3.2.2 ANLAGENKONZEPT.............................................................................................................. 627 3.2.3 ERFASSUNG DER SCHINKENEIGENSCHAFTEN............................................................................ 628 3.2.4 SCHNITTREIHENFOLGE........................................................................................................... 629 3.2.5 REFERENZ-PETRI-NETZE - ANSATZ ZUR MODELLIERUNG UND SIMULATION VON PROZESSSCHRITTEN UND GESAMTPROZESSEN........................................................................ 630 3.2.6 ZUSAMMENFASSUNG........................................................................................................... 631 3.3 KOGNITIVE SYSTEME IM DRUCKGEWERBE....................................................................................... 631 3.3.1 STEIGENDER KOSTENDRUCK IM DRUCKGEWERBE.................................................................... 631 3.3.2 REDUKTION DER MAKULATUR ALS POTENZIELLER STELLHEBEL .................................................... 631 3.3.3 REGELUNGSKONZEPT........................................................................................................... 632 3.3.4 TECHNISCHE BEWERTUNG..................................................................................................... 633 3.3.5 WIRTSCHAFTLICHE BEWERTUNG FUER EINE OFFSETDRUCKMASCHINE ............... 633 3.3.6 ZUSAMMENFASSUNG ............................................................... 634 4 A NW ENDUNGSFELD F LU G Z E U G B A U ................................................ 635 THORSTEN SCHUEPPSTUHL, CHRISTIAN SCHLOSSER 4.1 BETRACHTUNG DER B RANCHE........................................................................................................... 635 4.1.1 WIRTSCHAFTLICHE RANDBEDINGUNGEN ................................................................................. 635 4.1.2 TECHNOLOGISCHE UND ORGANISATORISCHE BESONDERHEITEN ........................... 636 4.1.3 INDUSTRIE 4.0-ANSAETZE UND IST-SITUATION.......................................................................... 636 4.2 BEFAEHIGERTECHNOLOGIEN FUER BEDEUTENDE A UFGABEN.................................................................... 638 4.2.1 RUMPFSEKTIONENMONTAGE ............................... 638 4.2.2 TURBINENSCHAUFELMONTAGE . ................................................................... 639 4.2.3 BRENNKAMMERINSPEKTION ........................................................... 640 4.3 BEFAEHIGENDE QUERSCHNITTSTECHNOLOGIEN................................................ 642 4.3.1 MOBILE ROBOTER FUER DIE RUMPF-AUSSENSTRUKTUR ...................................... 642 4.3.2 ORTSFLEXIBLES ROBOTERSYSTEM FUER BEARBEITUNGSAUFGABEN . . ................ 644 4.3.3 MENSCH-MASCHINE-SYSTEME ........................................................................................ 645 4.4 INTEGRATIONSTECHNOLOGIEN.......................................................................................................... 647 4.4.1 ZIELE UND ANSAETZE .......................................................................................................... 647 4.4.2 BEISPIELE FUER LOESUNGSANSAETZE......................................................................................... 648 4.4.3 UNTERSTUETZUNG DER INTEGRATION....................................................................................... 650 5 INTELLIGENT V ERN ETZTE E LE K TRO N IK P RO D U K TIO N ............................................................................. 653 EVA BOGNER, CHRISTOPHER KAESTLE, JOERG FRANKE, GUENTHER BEITINGER 5.1 ELEKTRONISCHE SYSTEME SIND GRUNDLAGE UND VORBILD FUER DAS INTERNET DER D INGE.................... 653 5.1.1 DIE BEFAEHIGER DES INTERNETS DER DINGE BASIEREN AUF FORTSCHRITTLICHEN ELEKTRONISCHEN AUFBAUTECHNOLOGIEN ............................................................................. 653 5.1.2 DIE PRODUKTION ELEKTRONISCHER SYSTEME IST VORBILD FUER DIE DIGITALISIERUNG DER FABRIK 655 5.2 VOLLAUTOMATISIERUNG VON FERTIGUNG UND MATERIALFLUSS............................................................ 659 5.2.1 PROZESS- UND INFORMATIONSAUTOMATISIERUNG.................................................................. 659 5.2.2 TRACEABILITY...................................................................................................................... 661 5.2.3 IDENTIFIKATION UND VERNETZUNG ZU CPS ......................................................................... 663 5.3 DYNAMISCHE WERTSCHOEPFUNGSKETTEN......................................................................................... 665 5.3.1 INDIVIDUELLE PRODUKTKONFIGURATION................................................................................. 665 5.3.2 OPTIMIERTE AUFTRAGSABWICKLUNG ................................................................................... 666 5.3.3 FLEXIBLE PRODUKTIONSSYSTEME......................................................................................... 668 5.4 NULLFEHLER-PRODUKTION................................................................................................................ 671 5.4.1 QUALITAETSSICHERUNG............................................................................................ 671 5.4.2 BIG DATA VERSUS SMART DATA ........................................................................................... 673 5.4.3 MENSCH-MASCHINE-INTERAKTION ....................................................................................... 676 5.5 DURCHGAENGIGE INFORMATIONSSYSTEME .............................. 678 5.5.1 PRODUKTENTWICKLUNG ............................................................................ 678 5.5.2 CAD/CAM-KOPPLUNG......................................................... 680 5.5.3 ANBINDUNG AN DAS MANUFACTURING EXECUTION S YSTEM ............................. ..................... 683 5.6 REFERENZMODELL ............ . ................................ 684 5.6.1 ENTWICKLUNG ZUM DIGITAL E NTERPRISE........................................ 685 5.6.2 GREENFIELD- UND BROWNFIELD-ANSATZ ................................ 687 5.6.3 BEISPIEL: SIEMENSWERKE IN AMBERG UND CHENGDU ........................................................ 687 6 DIE S M ARTF ACTORY FUE R INDIVIDUALISIERTE K LEIN SERIEN FERTIG U N G ............................................. 691 STEPHAN WEYER, FABIAN QUINT, STEFANIE FISCHER, DOMINIC GORECKY, DETLEF ZUEHLKE 6.1 SMARTF*ACTO/YKL-SYSTEMARCHITEKTUR ............................................ 693 6.1.1 KONZEPTION DER SYSTEMARCHITEKTUR ......................................................... 693 6.1.2 SYSTEMARCHITEKTUR - ANFORDERUNGEN UND SPEZIFIKATIONEN........................................... 694 6.2 UMSETZUNG DER SYSTEMARCHITEKTUR........................................................................................... 697 6.2.1 PRODUKTSCHICHT................................................................................................................ 698 6.2.2 PRODUKTIONSSCHICHT ....................................................... 699 6.2.3 VERSORGUNGSSCHICHT........................................................................................................ 701 6.2.4 INTEGRATIONSSCHICHT ................................................................. 702 6.2.5 IT-SYSTEMSCHICHT ................................ 702 6.3 ANWENDUNGSSZENARIO ...................... 703 6.4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ......................................................................... 706 7 ANWENDUNGSFELD AUTOMOBILINDUSTRIE .............................................................................. 709 GUENTHER REINHART, DINO KNOLL, ULRICH TESCHEMACHER, GREGOR LUX, JOSCHA SCHNELL, FLORIAN ENDRES, FABIAN DISTEL, CHRISTIAN SEIDEL, CHRISTOPH BERGER, JAN KLOEBER-KOCH, JULIA PIELMEIER, STEFAN BRAUNREUTHER 7.1 BIG DATA ANALYTICS IN DER PRODUKTIONSLOGISTIK AM BEISPIEL DER MATERIALFLUSSANALYSE ............ 710 7.1.1 ANALYTICS-TECHNOLOGIEN UND DER DIGITALE SCHATTEN IN DER PRODUKTIONSLOGISTIK ............ 710 7.1.2 MATERIALFLUSSANALYSE IM DIGITALEN S CHATTEN.................................................................. 711 7.1.3 FAZIT UND AUSBLICK........................................................................................................... 711 7.2 LOGISTIK 4.0 - OPTIMIERUNGSVERFAHREN ZUR STEIGERUNG DER DYNAMIK ..................................... 712 7.2.1 MOTIVATION........................................................................................................................ 712 7.2.2 ZIELSETZUNG ........................................ 712 7.2.3 VORGEHENSWEISE............................................................................................................... 712 7.2.4 ERGEBNISSE ...................................................................................................................... 713 7.3 SELBST-KALIBRIERUNG ROBOTERBASIERTER MESSSYSTEME .................................................................. 714 7.3.1 AUSGANGSSITUATION........................................................................................................... 714 7.3.2 ZIELSETZUNG...................................................................................................................... 714 7.3.3 VORGEHENSWEISE.............................................................................................................. 715 7.3.4 ERGEBNISSE ...................................................................................................................... 716 7.4 DATA MINING IN DER BATTERIEPRODUKTION FUER DIE ELEKTROMOBILITAET............................................. 716 7.5 DIGITALE PRODUKTION MITTELS ADDITIVER FERTIGUNGSVERFAHREN ..................................................... 718 7.5.1 ADDITIVE FERTIGUNG UND INDUSTRIE 4.0 ............................................................................ 718 7.5.2 KURZUEBERBLICK ZU AKTUELLEN PROZESSKATEGORIEN DER ADDITIVEN FERTIGUNG ................... 719 7.5.3 GASE STUDY - ADDITIVE FERTIGUNG VON ZAHNRAEDERN ........................................................ 719 7.6 KONZEPTION SOWIE UMSETZUNG EINER TRAININGSUMGEBUNG ZUR QUALIFIKATION VON INSTANDHALTERN IM UMFELD INDUSTRIE 4.0 . . ......................................................................... 720 STICHWORTVERZEICHNIS .............................................................................................................................. 725 Inhaltsverzeichnis Vorwort...................................................................................... VII Der Herausgeber ........................................................................... XXIII Autorenverzeichnis........................................................................... XXV Von CiM zu Industrie 4.0.................................................................... XXXI Gunther Reinhart, Detlef Zühlke Industrielle Revolutionen.............................................................. XXXI Globalwirtschaftliche Einflussfaktoren (Market Pull)................................... XXXV Technologische Einflussfaktoren (IK-Technology Push) ............................... XXXVIII TEIL A Prozesse der Smart Factory 1 Geschäftsmodell-Innovation................................................................ 3 Günther Schuh, Michael Salmen, Philipp Jussen, Michael Riesener, Violett Zeller, Tobias Hensen, Advan Begovic, Martin Birkmeier, Christian Hocken, Felix Jordan, Jan Kantelberg, Christoph Kelzenberg, Dominik Kolz, Christian Maasem, Jan Siegers, Maximilian Stark, Christian Tönnes 1.1 Die Transformation vom Produkt- zum Lösungsanbieter................................. 3 1.2 Der Digitale Schatten als Basis für Predictive Analytics .......................... 10 1.3 Innovationsarten zur Einführung neuer Geschäftsmodelle und Kundenorientierung durch neue Innovationsprozesse...................................................... 12 1.4 Netzwerkartige Wertschöpfungssysteme............................................... 18 1.5 Plattformansätze zur Kollaboration................................................. 21 1.6 Wandel zum Industrie 4.0-Unternehmen .............................................. 24 2 Veränderung in der Produktionsplanung und -Steuerung .................................... 31 Peter Nyhuis, Marco Hübner, Melissa Quirico, Philipp Schäfers, Matthias Schmidt 2.1 Einführung in die PPS ............................................................. 31 2.2 Transparenz durch Datenverfügbarkeit als Enabler für eine leistungsfähigere PPS.... 33 2.3 Potenziale der Digitalisierung für die Aufgaben der PPS............................ 34 2.3.1 Produktionsprogrammplanung .................................................. 35 2.3.2 Auftragsmanagement und Auftragsversand....................................... 35 IX Inhaltsverzeichnis 2.3.3 Sekundärbedarfsplanung ....................................................... 37 2.3.4 Fremdbezugsgrobplanung und Fremdbezugsplanung ................................ 38 2.3.5 Produktionsbedarfsplanung..................................................... 40 2.3.6 Eigenfertigungsplanung ....................................................... 40 2.3.7 Eigenfertigungssteuerung...................................................... 41 2.3.8 Bestandsmanagement............................................................ 42 2.3.9 Produktionscontrolling ....................................................... 43 2.4 Mythos PPS 4.0 ...................................................................... 45 3 Der Mensch in der Produktion von Morgen................................................ 51 Günther Reinhart, Klaus Beugter, Christiane Dollinger, Carsten Intra, Christopher Lock, Severina Popova-Dlogosch, Christoph Rimpau, Jonas Schmidtler, Severin Teubner, Susanne Vernim 3.1 Die Bedeutung von Industrie 4.0 für den Mitarbeiter.................................. 51 3.2 Grundlegende Konzepte und Modelle.................................................... 54 3.2.1 Das Konzept Mensch ֊ Technik ֊ Organisation (MIO)............................. 54 3.2.2 Belastungs-Beanspruchungskonzept.............................................. 56 3.2.3 Gestaltung von Assistenzsystemen ............................................. 57 3.2.4 Systemergonomische Analyse ................................................... 59 3.3 Qualifizierung des Produktionsmitarbeiters in der Industrie 4.0 ..................... 60 3.3.1 Entwicklungstendenzen der Arbeit in der Produktion durch Industrie 4.0 ....... 60 3.3.2 Charakteristik des Produktionsmitarbeiters der Zukunft........................ 63 3.3.3 Qualifikationsbedarf für den Produktionsmitarbeiter der Zukunft .............. 64 3.4 Individuelle dynamische Werkerinformationssysteme................................. 66 3.4.1 Übersicht Werkerinformationssysteme........................................... 68 3.4.2 Individuelle Werkerinformation................................................ 72 3.4.3 Dynamische Werkerinformation ................................................. 77 3.5 Mensch-Roboter-Interaktion........................................................ 77 3.6 Personalführung...................................................................... 79 3.6.1 Auswirkungen einer stärkeren Vernetzung und Digitalisierung................... 79 3.6.2 Auswirkungen des demografischen Wandels und veränderten Werteverständnisses 81 3.6.3 Auswirkungen des produktionstechnischen Umfelds .............................. 82 3.6.4 Anschauungsbeispiel: Reduzierung kognitiver Belastung für Führungspersonen ... 84 4 Daten, Information und Wissen in Industrie 4.0 ........................................ 89 Jörg Krüger, Axel Vick, Moritz Chemnitz, Martin Rosenstrauch, Johannes ffligle, Maximilian Fechteier, Matthias Blankenburg 4.1 Maschinensteuerung aus der Cloud ֊ Automation as а Service .......................... 89 4.1.1 Einführung zu Cloud-Plattformen und -Diensten................................. 89 4.1.2 Potenziale der Cloud für die Produktion....................................... 91 4.1.3 Wege zur Cloud-basierten Automatisierung...................................... 92 4.2 Big Data ............................................................................ 97 4.2.1 Definitionen ................................................................. 98 4.2.2 Tools ........................................................................ 99 4.2.3 Anwendungen ................................................................. 100 4.2.4 Mögliche Anwendungsgebiete .................................................. 101 X Inhaltsverzeichnis 4.3 Kommunikation...................................................................... 104 4.3.1 Kommunikationstechnik für die Produktion: Bereit für Industrie 4.0?......... 104 4.3.2 Kommunikation auf der Feldebene ............................................ 106 4.3.3 Drahtloskommunikation in der Fabrik ......................................... 106 4.3.4 Middleware und Standards: Die Fabrik vernetzt sich .......................... 107 4.3.5 Potentiale des taktilen Internets .......................................... 108 5 Cyber-Sicherheit in Industrie 4.0 ...................................................... 111 Claudia Eckert 5.1 Motivation ......................................................................... 111 5.2 Sicherheitsbedrohungen und Herausforderungen ....................................... 112 5.2.1 Charakteristika von Industrie 4.0 ........................................... 113 5.2.2 Bedrohungen ................................................................. 114 5.2.2.1 Angreifertypen ...................................................... 114 5.2.2.2 Bedrohungen für Industrial Control Systems .......................... 114 5.2.3 Anforderungen an die Cyber-Sicherheit ...................................... 116 5.2.3.1 Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen ......... 116 5.2.3.2 Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten.................................. 117 5.2.3.3 Produktion intelligenter Produkte, Verfahren und Prozesse ........... 118 5.2.3.4 Orientierung an individualisierten Kundenwünschen ................... 119 5.2.3.5 Verfügbarkeit relevanter Informationen in Echtzeit .................. 119 5.3 Cyber-Sicherheit: Lösungsansätze.................................................... 120 5.3.1 Sicherheitsleitfaden ........................................................ 121 5.3.2 Produkt-und Know-how-Schutz.................................................. 123 5.3.2.1 Software Reverse Engineering und Gegenmaßnahmen ..................... 123 5.3.2.2 Absicherungskonzepte für industrielle Steuerungsanlagen.............. 126 5.3.3 Sicherheit von Apps.......................................................... 127 5.3.3.1 Ausgewählte Problembereiche von Android-Apps......................... 127 5.3.3.2 App-Ray-Analysewerkzeug.............................................. 128 5.3.4 Datensouveränität: Industrial Data Space .................................... 130 5.3.4.1 Architekturüberblick ................................................ 131 5.3.4.2 Sicherheitsarchitektur .............................................. 132 5.3.4.3 Anwendungsszenario: Predictive Maintenance........................... 134 5.4 Zusammenfassung ................................................................ 135 6 6 6 Organisation, Qualität und IT-Systeme für Planung und Betrieb.......................... 137 Michael Niehues, Gunther Reinhart, Robert H. Schmitt, Günther Schuh, Felix Brambring, Max Ellerich, Hannes Elser, Daniel Frank, Sebastian Groggert, Andreas Gützlaff, Verena Heinrichs, Thomas Hempel, Kevin Kostyszyn, Hao Ngo, Laura Niendorf, Eike Permin, Jan-Philipp Prote, Christina Reuter, Robin Türtmann 6.1 Systeme für Geschäftsprozesse ...................................................... 137 6.1.1 Systeme zur Planung und zum Betrieb der Geschäftsprozesse .................. 137 6.1.1.1 Enterprise Resource Planning......................................... 137 6.1.1.2 Manufacturing Execution Systems ..................................... 137 6.1.1.3 Advanced Planning and Scheduling .................................... 139 XI Inhaltsverzeichnis 4.3 Kommunikation...................................................................... 104 4.3.1 Kommunikationstechnik für die Produktion: Bereit für Industrie 4.0?.......... 104 4.3.2 Kommunikation auf der Feldebene ............................................. 106 4.3.3 Drahtloskommunikation in der Fabrik .......................................... 106 4.3.4 Middleware und Standards: Die Fabrik vernetzt sich ......................... 107 4.3.5 Potentiale des taktilen Internets ........................................... 108 5 Cyber-Sicherheit in Industrie 4.0 ...................................................... 111 Claudia Eckert 5.1 Motivation ........................................................................ 111 5.2 Sicherheitsbedrohungen und Herausforderungen ...................................... 112 5.2.1 Charakteristika von Industrie 4.0 ............................................ 113 5.2.2 Bedrohungen .................................................................. 114 5.2.2.1 Angreifertypen ...................................................... 114 5.2.22 Bedrohungen für Industrial Control Systems .......................... 114 5.2.3 Anforderungen an die Cyber-Sicherheit ....................................... 116 5.2.3.1 Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen ......... 116 5.2.3.2 Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten.................................. 117 5.2.3.3 Produktion intelligenter Produkte, Verfahren und Prozesse ........... 118 5.2.3.4 Orientierung an individualisierten Kundenwünschen ................... 119 5.2.3.5 Verfügbarkeit relevanter Informationen in Echtzeit................... 119 5.3 Cyber-Sicherheit: Lösungsansätze................................................... 120 5.3.1 Sicherheitsleitfaden ......................................................... 121 5.3.2 Produkt- und Know-how-Schutz.................................................. 123 5.3.2.1 Software Reverse Engineering und Gegenmaßnahmen ..................... 123 5.3.2.2 Absicherungskonzepte für industrielle Steuerungsanlagen.............. 126 5.3.3 Sicherheit von Apps........................................................... 127 5.3.3.1 Ausgewählte Problembereiche von Android-Apps......................... 127 5.3.3.2 App-Ray-Analysewerkzeug.............................................. 128 5.3.4 Datensouveränität: Industrial Data Space ..................................... 130 5.3.4.1 Architekturüberblick ................................................ 131 5.3.4.2 Sicherheitsarchitektur .............................................. 132 5.3.4.3 Anwendungsszenario: Predictive Maintenance........................... 134 5.4 Zusammenfassung ............................................................... 135 6 6 6 Organisation, Qualität und IT-Systeme für Planung und Betrieb.......................... 137 Michael Niehues, Gunther Reinhart, Robert H. Schmitt, Günther Schuh, Felix Brambring, Max Ellerich, Hannes Elser, Daniel Frank, Sebastian Groggert, Andreas Gützlaff, Verena Heinrichs, Thomas Hempel, Kevin Kostyszyn, Hao Ngo, Laura Niendorf, Eike Permin, Jan-Philipp Prote, Christina Reuter, Robin Türtmann 6.1 Systeme für Geschäftsprozesse ...................................................... 137 6.1.1 Systeme zur Planung und zum Betrieb der Geschäftsprozesse ................... 137 6.1.1.1 Enterprise Resource Planning......................................... 137 6.1.1.2 Manufacturing Execution Systems ..................................... 137 6.1.1.3 Advanced Planning and Scheduling .................................... 139 XI Inhaltsverzeichnis 6.1.1.4 PPS als Schnittmenge von ERP und MES................................. 139 6.1.2 Trends im Planning and Scheduling .......................................... 140 6.1.2.1 Echtzeitdatenerfassung und unternehmenstibergreifende Bereitstellung ... 140 6.1.2.2 Zentrale, dezentrale und hybride Steuerungsstrukturen ............... 143 6.1.2.3 Plattformstrategie und App-basierte Individualisierung .............. 145 6.1.2.4 Werkzeuge zur zielgruppenspezifischen Datenaufbereitung.............. 145 6.2 Organisation und IT .............................................................. 146 6.2.1 Organisation von Planung und Betrieb ....................................... 146 6.2.2 Cyber-physische Systeme zur Unterstützung der Planung und des Betriebs ..... 147 6.2.2.1 Hochauflösende Datenaufnahme......................................... 147 Ó.2.2.2 Prognosefähigkeit durch echtzeitnahe Simulation ..................... 150 6.2.2.3 Entscheidungsuntersliitzung mittels intuitiver Visualisierung........ 153 6.3 Qualität und IT .................................................................. 154 6.3.1 Computerized Quality ....................................................... 155 6.3.2 Trends im Kontext von Industrie 4.0......................................... 157 6.3.2.1 Data Analytics zur Steigerung von Produkt- und Prozessqualität....... 157 6.3.2.2 Smart Devices für die Qualitätssicherung ............................ 160 6.3.2.3 Plattform-basierte Kollaboration für eine bessere Ressourcennutzung . 161 6.3.2.4 Selbstoptimierende Prüfsysteme....................................... 164 6.3.2.5 Interaktive Prozessdokumentation auf Wiki-Basis ..................... 164 6.3.3 Fazit......................................................................... 165 7 Aspekte der Fabrikplanung für die Ausrichtung auf Industrie 4.0 ....................... 169 Uwe Dombrowski, Tobias Stefanak, Philipp Krenkel 7.1 Aktueller Stand und Weiterentwicklung der Digitalen Fabrik.......................... 169 7.1.1 Definition der Digitalen Fabrik............................................... 170 7.1.2 Methoden und Werkzeuge der Digitalen Fabrik................................... 172 7.1.3 Nutzen der Digitalen Fabrik................................................... 175 7.2 Beitrag der Digitalen Fabrik zur Ausrichtung der Fabrikplanung auf Industrie 4.0.... 177 7.2.1 Betriebsanalyse .............................................................. 178 7.2.2 Grobplanung................................................................... 180 7.2.3 Feinplanung................................................................... 183 7.2.4 Umsetzung .................................................................... 186 7.2.5 Betrieb, Tuning und Anpassung................................................. 186 7.3 Zusammenfassung und Ausblick ....................................................... 188 8 Rechtsfragen bei Industrie 4.0: Rahmenbedingungen, Herausforderungen und Lösungsansätze .............................................................. 191 Gerrit Hornung, Kai Hofmann 8.1 Handlungsbedarf..................................................................... 191 8.2 Datenhoheit......................................................................... 191 8.2.1 Konzeptionelle Schutzrichtungen .............................................. 192 8.2.2 Schutz in der unmittelbaren Einflusssphäre ................................... 193 8.2.3 Immaterialgüterrecht ......................................................... I93 8.2.4 Schutz von Unternehmensgeheimnissen .......................................... I95 8.2.5 Faktische Datenhoheit durch Softwareschutz.................................... I97 XII Inhaltsverzeichnis 8.2.6 „Dateneigentum“ .............................................................. 198 8.2.7 Fazit......................................................................... 199 8.3 Haftung und Rechtsgeschäfte ....................................................... 200 8.3.1 Haftung....................................................................... 200 8.3.1.1 Vertragliche Haftung.................................................. 200 8.3.1.2 Gesetzliche Haftung .................................................. 201 8.3.2 Rechtsgeschäfte .............................................................. 202 8.4 Datenschutzrecht ................................................................... 204 8.4.1 Betriebliche Mitbestimmung ................................................... 204 8.4.2 Grundsätzliche Anforderungen im Betrieb....................................... 204 8.4.3 Zusammenarbeit mit Dritten ................................................... 205 8.5 IT-Sicherheitsrecht ................................................................ 206 8.5.1 Reichweite des IT-Sicherheitsgesetzes......................................... 206 8.5.2 Auswirkungen auf die Industrie 4.0 ........................................... 207 8.5.3 Untersuchungsbefugnisse des BSI............................................... 208 8.6 Fazit .............................................................................. 208 9 Strategien zur Transformation der Produktionsumgebung................................. 213 Dennis Kolberg, Ellina Marseu, Dominic Gorecky, Jonas Koch, Christian Plehn, Detlef Zühlke, Günther Reinhart 9.1 Identifikation von Handlungsbedarfen................................................ 213 9.2 Management von Änderungen in der Produktion......................................... 217 9.2.1 Auftau und Kontext des Änderungsmanagements in der Produktion................. 218 9.2.2 Der Änderungsprozess für eine digitalisierte Produktion....................... 219 9.2.2.1 Phase I: Proaktivität ................................................ 220 9.2.2.2 Phase II: Reaktivität ................................................ 221 9.2.2.3 Phase III: Retrospektivität .......................................... 222 9.2.3 Analyse von Produktionsänderungen ............................................ 222 9.2.4 Zusammenfassung............................................................... 225 9.3 Definition von Anforderungen für CPPA .............................................. 226 9.3.1 Status Quo bei der Erstellung von Lastenheften im Kontext der Produktion ..... 227 9.3.2 Vorgehen und Checkliste zur Erstellung von Lastenheften für CPPA ............. 227 9.3.2.1 1. Schritt: Projektziel festlegen..................................... 228 9.3.2.2 2. Schritt: Problemfelder identifizieren.............................. 228 9.3.2.3 3. Schritt: Lösungsalternativen bestimmen ............................ 229 9.3.2.4 4. Schritt: Lösungsalternativen abstimmen und integrieren ............ 230 9.3.2.5 5. Schritt: Finales Lastenheft erstellen ............................. 230 9.4 Vorgehen zur Konzeption und Realisierung............................................ 232 9.4.1 Status Quo bei der Produkt- bzw. Systementwicklung ........................... 233 9.4.1.1 Disziplinspezifische Vorgehensmodelle und Werkzeuge .................. 234 9.4.1.2 Disziplinübergreifende Vorgehensmodelle und Werkzeuge ................ 237 9.4.1.3 Status Quo bei der Entwicklung von CPS-basierten Lösungen............. 239 9.4.1.4 Status Quo bei der Entwicklung von wandelbaren Produktionsanlagen.... 242 9.4.2 Entwicklungsmethodik für Cyber-physische Produktionsanlagen................... 242 9.4.2.1 Phasen 1 und 2: Übergreifende System- und Subsystementwürfe........... 244 9A2.2 Phase 3: Detaillierter Subsystementwurf................................. 249 XIII Inhaltsverzeichnis 9.4.2.3 Phasen 4 und 5: Integration.......................................... 253 9.5 Zusammenfassung .................................................................. 254 10 Systematische Einbindung von Kunden in den Innovationsprozess .......................... 257 Simon Bock, Johann Füller, Giordano Koch, Udo Lindemann 10.1 Notwendigkeit und Chancen der Kundeneinbindung in Zeiten der Digitalisierung....... 257 10.2 Öffnen des Innovationsprozesses durch Open Innovation ............................. 259 10.3 Kundeneinbindung in den Innovationsprozess ....................................... 260 10.3.1 Phasen der Kundeneinbindung ................................................ 260 10.3.2 Methoden zur Einbindung von Kunden und externen Akteuren ................... 261 10.3.3 Ideen, Konzepte und Technologien ........................................... 263 10.4 Von Mass Customization zum kundeninnovierten Produkt.............................. 265 10.5 Agile Entwicklungsprozesse ....................................................... 266 10.6 Produktarchitekturen adaptierbarer und individualisierbarer Produkte ............. 272 10.7 Kostenbeurteilung adaptierbarer und individualisierter Produkte .................. 275 11 Industrie 4.0 und die Steigerung der Energieeffizienz in der Produktion................. 279 Sebastian Thiede, Gerrit Posselt, Christoph Herrmann 11.1 Energieflüsse und Energieeffizienz in der Produktion ............................. 279 11.2 Cyber-physische Produktionssysteme im Kontext der Energieeffizienz................ 281 11.3 Energietransparente Maschinen .................................................... 282 11.4 Energieeffizienz in der Prozesskette - Dynamischer Energiewertstrom .............. 285 11.5 Energieeffizienz auf Fabrikebene ................................................. 287 11.5.1 3D-Monitoring thermischer Emissionen........................................ 287 11.5.2 Multi-Level-Simulation ..................................................... 288 11.6 Zusammenfassung und Ausblick ..................................................... 290 TEILB Mechatronische (cyber-physische) Automatisierungskomponenten 1 Das gentelligente Werkstück................................................................. 295 Berend Denkena, Marc-André Dittrich, Florian Uhlich, Lukas Maibaum, Tobias Mörke 1.1 Die Vision: Das gentelligente Werkstück ............................................ 295 1.2 Die Vision: Einordnung gentelligenter Werkstücke.................................... 297 1.3 Die Umsetzung: Befähigung des Werkstücks............................................ 298 1.3.1 Daten erfassen ............................................................... 299 1.3.1.1 Sensorbasierte Datenaufnahme........................................... 299 1.3.1.2 Bauteilrandzonenbasierte Datenaufnahme ................................ 302 1.3.2 Werkstückidentifikation und inhärentes Speichern von Daten .................. 304 1.3.3 Kommunikation................................................................. 309 1.4 Anwendungen......................................................................... 311 1.4.1 Anwendung in der Fertigungsphase............................................. 3H 1.4.2 Anwendung in der Nutzungsphase ............................................... 316 XIV Inhaltsverzeichnis 2 Das intelligente Werkzeug............................................................... 323 Michael Zäh, Philipp Rinck, Sebastian Pieczona, Eva Schaupp, Thomas Grosch, Eberhard Abele, Joachim Metternich 2.1 Das Werkzeug - bisher und zukünftig............................................... 323 2.2 Aktuelle Ansätze und Beispiele intelligenter Werkzeuge............................ 324 2.2.1 Einstufung von Werkzeugen..................................................... 324 2.2.2 Anwendungsfälle für intelligente Werkzeuge.................................... 325 2.2.3 Schnittstellen zur Einbindung eines intelligenten Werkzeugs................... 328 2.3 Werkzeugüberwachung ................................................................ 331 2.4 Intelligenter Werkzeugkreislauf .................................................... 334 2.4.1 Motivation.................................................................... 334 2.4.2 Funktionsbausteine des Smart Tools............................................ 334 2.4.3 Fazit und Ausblick............................................................ 339 3 Die vernetzte Werkzeugmaschine ......................................................... 341 Christian Brecher, Werner Herfs, Denis Özdemir, Markus Obdenbusch, Johannes Nittinger, Frederik Wellmann, Michael Königs, Christian Krella, Simon Sittig 3.1 Frontloading durch eine effizientere CAD-CAM-NC-Kette ............................ 343 3.1.1 Die CAD-CAM-NC-Kette.......................................................... 343 3.1.2 Automatisierungsmechanismen in heutigen CAM-Systemen.......................... 344 3.1.3 Weiterführende Ansätze in Forschung und Praxis ............................... 346 3.1.4 Zwischenfazit................................................................. 349 3.2 Simulation des Prozess-Maschine-Verhaltens im Produktentstehungsprozess .......... 349 3.2.1 Optimierung von NC-Programmen in der Arbeitsvorbereitung ..................... 351 3.2.2 Rückkopplung von Erkenntnissen in der Entwicklungsphase von Produktionsmitteln ........................................................... 355 3.2.3 Zwischenfazit................................................................. 356 3.3 Big Data-Analysen im produzierenden Unternehmen .................................. 356 3.3.1 Integrative Vernetzung der CAD-CAM-NC-Kette .................................. 357 3.3.2 Prozessdatenrückführung und -kontextualisierung............................... 359 3.3.3 Datenevaluation............................................................... 360 3.3.3.1 Manuelle Prozessevaluation............................................ 360 3.3.3.2 Produktivitätssteigerungen ........................................... 361 3.3.3.3 Automatisierte Evaluation und Qualitätsprognose ...................... 361 3.3.4 Zwischenfazit................................................................. 362 3.4 Impulse von Industrie 4.0 auf das Condition-Monitoring von Werkzeugmaschinen...... 363 3.4.1 Vision der selbstüberwachenden Werkzeugmaschine............................... 363 3.4.2 Maschinenkomponentenmodelle für die Gebrauchsdauerprognose ................... 365 3.4.3 Integration in die Produktionslandschaft ..................................... 368 3.4.4 Zwischenfazit................................................................. 369 3.5 Neue Bedienkonzepte für die nutzerzentrierte Werkzeugmaschine..................... 370 3.5.1 Konventionelle Bedienkonzepte................................................. 370 3.5.2 Neue Bedienkonzepte .......................................................... 371 3.5.3 Anforderungen an ein nutzerzentriertes Bedienkonzept ......................... 372 3.5.4 Touchscreen-Bedienung im Produktionsumfeld.................................... 372 XV Inhaltsverzeichnis 3.5.5 Benutzerzentrierte Dialoggestaltung.......................................... 374 3.5.6 Middleware................................................................... 376 3.5.7 Zwischenfazit................................................................ 376 3.6 Fazit ............................................................................. 376 4 Verarbeitungsanlagen und Verpackungsmaschinen .......................................... 379 Jens Peter Majschak, Marc Mauermann, Tobias Müller; Christoph Richter; Marcel Wagner, Günther Reinhart 4.1 Konsumgüterproduktion 4.0 ......................................................... 379 4.1.1 Anlagen zur Massenproduktion von Verbrauchsgütern ............................ 379 4.1.2 Trends im Lebensmittel· und Pharmabereich..................................... 381 4.1.3 Wandlungsfähige Verarbeitungsprozesse......................................... 383 4.2 Vom Stoffsystem zum Produkt in wandlungsfähigen Prozessketten...................... 384 4.2.1 Wandlungsfähige Fließprozesse............................................... 384 4.2.2 Variationsebenen in Verarbeitungsanlagen .................................... 388 4.3 Elemente wandlungsfähiger Verarbeitungsanlagen .................................... 390 4.3.1 Der qualitätsgeführte Prozess ................................................ 390 4.3.2 Qualitätsmaterial und Qualitätsprodukt........................................ 393 4.3.3 Wandlungsfähige Wirkpaarungen............................................... 395 4.4 Wandlungsfähige Verarbeitungsanlagen .............................................. 399 4.4.1 Wandlungsfähige Anlagenstrukturen ............................................ 399 4.4.2 Selbstüberwachende und selbstoptimierende Maschinen........................... 403 4.4.3 Prozessintegrierte mechatronische Simulation ................................. 414 4.4.4 Aspekte der automatisierten Reinigung von wandlungsfähigen Anlagen............ 417 4.4.5 Bedienerassistenz ............................................................ 420 5 Transfersysteme......................................................................... 429 Klaus Dröder, Franz Dietrich, Alexander Tornow, Christian Löchte, Birk Wonnenberg, Roman Gerbers, Paul Bobka 5.1 Verkettung von Anlagen.............................................................. 430 5.1.1 Verkettung in der automatisierten Produktion.................................. 430 5.1.2 Flexibilisierung von Transfersystemen......................................... 431 5.1.3 Potential flexibler Verkettung in typischen Anordnungsstrukturen ............ 432 5.1.4 Maximierung der Flexibilität von Transfersystemen am Beispiel des „Incremental Manufacturing“ .............................................. 436 5.2 Roboterbasierte Transfersysteme .................................................... 437 5.2.1 Sensorintegration in roboterbasierten Transfersystemen........................ 438 5.2.2 Intuitive Programmierung von roboterbasierten Transfersystemen............... 439 5.2.3 Anwendungsbeispiel: Hochflexibler Werkstücktransfer „Griff in die Kiste“ .... 442 5.3 Greiftechnik in Transfersystemen ................................................... 443 5.3.1 Funktionsintegrierte Greifsysteme ............................................ 444 5.3.2 Anpassungsfähige Greifsysteme ................................................ 447 XVI Inhaltsverzeichnis 6 Logistik 4.0............................................................................. 451 Christian Lieberoth-Leden, Marcus Röschinger, Johannes Lechner, Willibald A. Günthner 6.1 Digitalisierung und Vernetzung in der Supply Chain 4.0............................. 453 6.1.1 Einsatz intelligenter Ladungsträger am Beispiel der Lebensmittel-Supply Chain .... 454 6.1.2 Kollaboratives Lebenszyklusmanagement in der Cloud am Beispiel der Werkzeug-Supply Chain ....................................................... 460 6.2 Einsatz digitaler Werkzeuge in der Logistikplanung ................................ 465 6.2.1 Einsatz von Virtual Reality zur Planung manueller Kommissioniersysteme ...... 466 6.2.2 Kollaborative Planung und Inbetriebnahme von Materialflusssystemen .......... 471 6.3 Schnittstellen zur Einbindung des Menschen in digitale Logistikprozesse............ 475 6.3.1 Neue Formen des Informationsaustauschs für eine effizientere manuelle Kommissionierung............................................................... 477 6.3.2 Assistenzsysteme für Staplerfahrer zur Darstellung und Erfassung von Prozessdaten............................................................... 479 6.4 Steuerungskonzepte für automatisierte und flexible Materialflüsse in Produktion und Distribution der Industrie 4.0 .................................................. 483 6.4.1 Effiziente Erstellung einer Steuerung für Materialflusssysteme durch automatische Softwaregenerierung............................................... 485 6.4.2 Verwendung einer verteilten Materialflusssteuerung zur Realisierung von wandelbaren Materialflusssystemen ......................................... 487 6.4.2.1 Verteilte Materialflusssteuerung im Internet der Dinge der Intralogistik .. . 489 Ó.4.2.2 Autonome Fördertechnikmodule zur Selbstkonfiguration der Materialflusssteuerung................................................. 490 6.5 Einführung und Einsatz von RFID zur dezentralen Datenhaltung ...................... 497 6.5.1 Innovative Konzepte und Werkzeuge zur Einführung von RFID ..................... 499 6.5.2 Automatische Erfassung und Bereitstellung von Prozessdaten .................... 507 7 Montage 4.0 ............................................................................... 513 Julian Backhaus, Veit Hammerstingl, Joachim Michniewicz, Cosima Stöcker, Marco Ulrich, Günther Reinhart 7.1 Motivation .......................................................................... 513 7.2 Beispielprodukt und -anlage ......................................................... 515 7.2.1 Beispielprodukt ............................................................... 515 7.2.2 Beispielanlage ................................................................ 515 7.3 Lösungsneutrale Fähigkeitenbeschreibung.............................................. 516 7.3.1 Begriffsbestimmung und Beispiele .............................................. 516 7.3.2 Nutzen......................................................................... 519 7.3.3 Taxonomie der Fähigkeiten...................................................... 520 7.4 CAD-Produktanalyse ֊ Generierung von Produktanforderungen ........................... 522 7.4.1 Assembly-by֊Disassembly - Bestimmung von Montagereihenfolgen und-bewegungen................................................................. 523 7.4.2 Bestimmung von quantitativen Prozessparametern ................................ 524 7.4.3 Bestimmung von Bauteilschnittstellen .......................................... 525 7.5 Automatische Montageplanung.......................................................... 525 7.5.1 Einführung und Systemübersicht ................................................ 525 XVII Inhaltsverzeichnis 7.5.2 Erzeugung des Fähigkeitenmodells einer Anlage mit bekanntem Layout.......... 528 7.5.3 Anforderungen-Fähigkeiten-Abgleich - Automatische Montageplanung ........... 529 7.5.3.1 Arten der Prüfung.................................................... 530 7.5.3.2 Bestimmung von Sekundärprozessen.................................... 532 7.5.4 Beispielhafte Abgleichmodule ............................................... 532 7.5.5 Automatische Ableitung von Handlungsempfehlungen ........................... 534 7.5.5.1 Produktorientierte Hundlungsempfehlungen ............................ 534 7.5.5.2 Betriebsmittelorientierte llandlungsempfehlungen .................... 535 7.5.6 Bewertung und Auswahl von Planungsalternativen ............................. 535 7.5.7 Automatische Erstellung von Montageanleitungen ............................. 536 7.6 Automatisierte Integration ....................................................... 536 7.6.1 Automatisierte Konfiguration von Produklionskomponenten (Plug Produce).... 536 7.6.1.1 Konzept zur Ad-hoc-Vernetzimg heutiger Anlagenkomponenten ........... 538 7.6.1.2 Automatisierte Generierung eines vereinheitlichten Fabrikabbildes... 540 7.6.2 Zeitoptimale Bahnplanung von Robotersystemen ............................... 542 7.6.2.1 Selbst-Programmierung von Industrierobotern.......................... 542 7.6.2.2 Modellierung als Graph und Beschreibung im Konfigurationsraum........ 542 7.6.2.3 Praxisgerechte Methoden arbeiten stichprobenbasiert ................. 543 7.6.2.4 Kollisionsdetektion als Flaschenhals ................................ 544 7.6.2.5 Optimierung der Fahrtzeit............................................ 544 7.Ó.2.6 Einsatz in der Montage............................................... 546 7.6.3 Aufteilung auf Zielsysteme und Codegenerierung.............................. 547 7.7 Automatisierte Hardwareauslegung am Beispiel von Zuführsystemen ................... 548 7.7.1 Grundlagen.................................................................. 548 7.7.2 Physiksimulation............................................................. 549 7.7.3 Randbedingungen ............................................................. 549 7.7.4 Simulationsgestützte Auslegung .............................................. 550 7.7.5 Fertigung und Validierung.................................................... 551 7.7.6 Fazit........................................................................ 552 7.8 Zusammenfassung ................................................................... 552 8 Wandelbare modulare Automatisierungssysteme .............................................. 555 Dominic Gorecky; Andre Hennecke, Mathias Schmitt, Stephan Weyer, Detlef Zühlke 8.1 Die Automatisierungspyramide....................................................... 555 8.1.1 Dezentrale Prozesssteuerung mittels Smarter Produkte ........................ 557 8.1.2 Konvergenz von Feld- und Steuerungsaufgaben mittels Smarter Feldgeräte....... 561 8.1.3 Vertikale Integration und cloudbasierte, modulare IT-Systeme................. 564 8.2 Smarte Vernetzung................................................................. 566 8.2.1 Kommunikationsstandards für Industrie 4.0 ................................... 567 8.2.2 Ethernet in der Automatisierungstechnik...................................... 569 8.2.2.1 Echtzeitfähige Kommunikation mit Time Sensitive Networking.......... 570 8.2.2.2 Software Defined Networking ֊ Ein neues Netzwerkparadigma in der Automatisierungstechnik ....................................... 571 8.2.2.3 Neue Kommunikationsstrukturen für Industrie 4.0-Netzwerke............ 575 8.2.3 Standards zur Informationsmodellierung in der Automatisierungstechnik........ 577 XVIII Inhaltsverzeichnis TEIL C Anwendungsbeispiele 1 Vernetzte Anlagen für die spanende Fertigung .......................................... 587 Jürgen Fleischer, Fleinz Gaub, Heiner Lang, Markus Klaiber, Sebastian Schöning, Bastian Rothaupt 1.1 Flexible Kleinserienfertigung von Maschinenkomponenten .......................... 587 1.1.1 Randbedingungen und Fertigungsumfeld........................................ 587 1.1.2 Lösungsansatz für die vernetzte Fertigung................................... 589 1.2 Lösungsassistenz in der vernetzten Großserienfertigung .......................... 591 1.2.1 Aufbau des Lösungsassistenten............................................... 591 1.2.2 Bedienerführung ............................................................ 592 1.2.3 Datenanalyse und Fehlerauswertung .......................................... 592 1.3 Digitale Lösungen für Honsysteme.................................................. 593 1.3.1 Honen in der Großserienfertigung............................................ 593 1.3.2 Fernwartungslösung für Honmaschinen......................................... 594 1.3.3 Cloudservices durch Maschinenanbindung ..................................... 596 1.4 Fertigung von Maschinenkomponenten für Spritzgießmaschinen ...................... 597 1.4.1 Spritzgießmaschinen......................................................... 598 1.4.2 Anlagen für die Fertigung der Maschinenkomponenten......................... 599 1.4.3 Intelligente Fertigungsmittel .............................................. 601 1.4.4 Vertikale und horizontale Vernetzung........................................ 601 1.4.5 Selbstorganisierende Transportprozesse ..................................... 602 1.5 Fazit ............................................................................ 603 2 Montagesysteme: Skalierbare Automatisierung in der „Lernfabrik Globale Produktion“......................................................... 605 Gisela Lanza, Sebastian Greinacher; Fabio Echsler Minguillon 2.1 Die Lernfabrik im Kontext von Industrie 4.0...................................... 605 2.1.1 Zielstellung der Lernfabrik Globale Produktion.............................. 605 2.1.2 Sichten auf Industrie 4.0 in der Lernfabrik................................. 606 2.1.3 Aufbau der Lernfabrik....................................................... 606 2.2 Das Konzept der skalierbaren Automatisierung ..................................... 607 2.2.1 Herausforderungen der Automatisierung in der Montage ....................... 607 2.2.2 Prinzip der skalierbaren Automatisierung.................................... 608 2.2.3 Potenziale der skalierbaren Automatisierung ................................ 609 2.2.4 Fazit zum Konzept der skalierbaren Automatisierung ......................... 610 2.3 Umsetzung der skalierbaren Automatisierung in der Lernfabrik Globale Produktion.. 610 2.3.1 Skalierungsstufen in der Lernfabrik......................................... 610 2.3.2 Technische Umsetzung der skalierbaren Automatisierung in der Lernfabrik .... 616 2.4 Ausblick.......................................................................... 620 XIX Inhaltsverzeichnis 3 Verarbeitungstechnik ................................................................... 621 Jens-Peter Majschak, Günther Reinhart, Georg Götz, Christoph Richter, Marc Mauermann, Simon Berger, Marcel Wagner 3.1 Individualisierte Lebensmittelverarbeitung und -Verpackung in Losgröße 1 - FORFood_ 621 3.1.1 Lebensmittelverarbeitung für die Herstellung einer kundenindividuellen Mahlzeit in Losgröße 1................................................................ 621 3.1.2 Formatflexible Verarbeitungsprozesse für ein kundenindividuelles Verpacken ... 623 3.1.3 Digital Moulding für ein formatflexibles Thermoformen ........................ 623 3.1.4 Flexibler Siegelprozess mittels Multi-Kontur-Werkzeugen....................... 624 3.1.5 Automatisierte Herstellung von individualisierten Sammelpackungen ............ 625 3.2 Automatische Feinzerlegung von Schinken ........................................... 626 3.2.1 Aufgabenstellung.............................................................. 626 3.2.2 Anlagenkonzept ............................................................... 627 3.2.3 Krfassung der Schinkeneigenschaften........................................... 628 3.2.4 Schnittreihenfolge ........................................................... 629 3.2.5 Referenz-Petri-Netze ֊ Ansatz zur Modellierung und Simulation von Prozessschritten und (¡esamtprozessen ....................................... 630 3.2.6 Zusammenfassung............................................................... 631 3.3 Kognitive Systeme im Druckgewerbe................................................... 631 3.3.1 Steigender Kostendruck im Druckgewerbe........................................ 631 3.3.2 Reduktion der Makulatur als potenzieller Stellhebel........................... 631 3.3.3 Regelungskonzept ............................................................. 632 3.3.4 Technische Bewertung......................................................... 633 3.3.5 Wirtschaftliche Bewertung für eine Offsetdruckmaschine ....................... 633 3.3.6 Zusammenfassung.............................................................. 634 4 Anwendungsfeld Flugzeugbau.............................................................. 635 Thorsten Schüppstuhl, Christian Schlosser 4.1 Betrachtung der Branche ........................................................... 635 4.1.1 Wirtschaftliche Randbedingungen............................................... 635 4.1.2 Technologische und organisatorische Besonderheiten .......................... 636 4.1.3 Industrie 4.0-Ansätze und Ist-Situation....................................... 636 4.2 Befähigertechnologien für bedeutende Aufgaben ..................................... 638 4.2.1 Rumpfsektionenmontage ........................................................ 638 4.2.2 Turbinenschaufelmontage ...................................................... 639 4.2.3 Brennkammerinspektion ........................................................ 640 4.3 Befähigende Querschnittstechnologien............................................... 642 4.3.1 Mobile Roboter für die Rumpf-Außenstruktur ................................... 642 4.3.2 Ortsflexibles Robotersystem für Bearbeitungsaufgaben ......................... 644 4.3.3 Mensch-Maschine-Systeme....................................................... 645 4.4 Integrationstechnologien .......................................................... 647 4.4.1 Ziele und Ansätze ............................................................ 647 4.4.2 Beispiele für Lösungsansätze.................................................. 54g 4.4.3 Unterstützung der Integration................................................. 650 XX Inhaltsverzeichnis 5 Intelligent vernetzte Elektronikproduktion................................................ 653 Eva Bogner, Christopher Kästle, Jörg Franke, Gunther Beitinger 5.1 Elektronische Systeme sind Grundlage und Vorbild für das Internet der Dinge.......... 653 5.1.1 Die Befähiger des Internets der Dinge basieren auf fortschrittlichen elektronischen Aufbautechnologien ............................................. 653 5.1.2 Die Produktion elektronischer Systeme ist Vorbild für die Digitalisierung der Fabrik 655 5.2 Vollautomatisierung von Fertigung und Materialfluss.................................. 659 5.2.1 Prozess- und Informationsautomatisierung ..................................... 659 5.2.2 Traceability.................................................................. 661 5.2.3 Identifikation und Vernetzung zu CPS ......................................... 663 5.3 Dynamische Wertschöpfungsketten ..................................................... 665 5.3.1 Individuelle Produktkonfiguration............................................. 665 5.3.2 Optimierte Auftragsabwicklung ................................................ 666 5.3.3 Flexible Produktionssysteme .................................................. 660 5.4 Nullfehler-Produktion................................................................ 671 5.4.1 Qualitätssicherung............................................................ 671 5.4.2 Big Data versus Smart Data ................................................... 673 5.4.3 Mensch-Maschine-Interaktion .................................................. 676 5.5 Durchgängige Informationssysteme..................................................... 678 5.5.1 Produktentwicklung ........................................................... 678 5.5.2 CAD/CAM-Kopplung ............................................................. 680 5.5.3 Anbindung an das Manufacturing Execution System .............................. 683 5.6 Referenzmodell ...................................................................... 684 5.6.1 Entwicklung zum Digital Enterprise............................................ 685 5.6.2 Greenfield- und Brownfield-Ansatz ............................................ 687 5.6.3 Beispiel: Siemenswerke in Amberg und Chengdu.............................. 687 6 6 6 Die SmartFactory für individualisierte Kleinserienfertigung ............................. 691 Stephan Weyer, Fabian Quint, Stefanie Fischer, Dominic Gorecky, Detlef Zühlke 6.1 Sma/-fFacforyKL-Systemarchitektur ................................................... 693 6.1.1 Konzeption der Systemarchitektur............................................... 693 6.1.2 Systemarchitektur - Anforderungen und Spezifikationen ......................... 694 6.2 Umsetzung der Systemarchitektur ..................................................... 697 6.2.1 Produktschicht................................................................. 698 6.2.2 Produktionsschicht ............................................................ 699 6.2.3 Versorgungsschicht............................................................. 701 6.2.4 Integrationsschicht ........................................................... 702 6.2.5 IT-Systemschicht .............................................................. 702 6.3 Anwendungsszenario................................................................... 703 6.4 Zusammenfassung und Ausblick ........................................................ 706 Inhaltsverzeichnis 7 Anwendungsfeld Automobiiindusfrie ........................................................ 709 Günther Reinhart, Dino Knoll, Ulrich Teschemacher, Gregor Lux, loscht! Schnell, Florian Fndres, Fabian Distel, Christian Seidel, Christoph Berger, Jan Klöber-Koch, Julia Pielmeier, Stefan Braunreuther 7.1 Big Data Analytics in der Produktionslogistik am Beispiel der Materialllussanaly.se. 710 7.1.1 Analytics-Technologien und der Digitale Schatten in der Produktionslogistik... 710 7.1.2 Materialflussanalyse im Digitalen Schatten ................................... 711 7.1.3 Fazit und Ausblick............................................................ 711 7.2 Logistik 4.0 ֊ Optimierungsverfahren zur Steigerung der Dynamik .................... 712 7.2.1 Motivation.................................................................... 712 7.2.2 Zielsetzung................................................................... 712 7.2.3 Vorgehensweise................................................................ 712 7.2.4 Ergebnisse ................................................................... 713 7.3 Selbst-Kalibrierung roboterbasierter Messsysteme.................................... 714 7.3.1 Ausgangssituation ............................................................ 714 7.3.2 Zielsetzung................................................................... 714 7.3.3 Vorgehensweise................................................................ 715 7.3.4 Ergebnisse ................................................................... 716 7.4 Data Mining in der Batterieproduktion für die Hiektromobilitat...................... 716 7.5 Digitale Produktion mittels additiver Fertigungsverfahren .......................... 718 7.5.1 Additive Fertigung und Industrie 4.0 ......................................... 718 7.5.2 Kurzüberblick zu aktuellen Prozesskategorien der Additiven Fertigung ......... 719 7.5.3 Case Study ֊ Additive Fertigung von Zahnrädern................................ 719 7.6 Konzeption sowie Umsetzung einer Trainingsumgebung zur Qualifikation von Instandhaltern im Umfeld Industrie 4.0 ......................................... 720 Stichwortverzeichnis .......................................................................... 725 XXII
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