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© Fraunhofer IPA, IFF Universität Stuttgart DIE PRODUKTION DER ZUKUNFT ZWISCHEN MASS PERSONALIZATION UND MASS SUSTAINABILITY Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl Institutsleiter Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb IFF, Universität Stuttgart Institut für Energieeffizienz in der Produktion EEP, Universität Stuttgart Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl 10. März 2015

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DIE PRODUKTION DER ZUKUNFT ZWISCHEN MASS PERSONALIZATION UND MASS SUSTAINABILITY

Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl

Institutsleiter

Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb IFF, Universität Stuttgart

Institut für Energieeffizienz in der Produktion EEP, Universität Stuttgart

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart

Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl 10. März 2015

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60 Mio Euro Budget

22,3 Mio Wirtschaftsertrag

über 1.000 Mitarbeiter

Geschäftsfelder

Automotive

Maschinen- und Anlagenbau

Energiewirtschaft

Elektronik und Mikrosystemtechnik

Medizin- und Biotechnik

Forschungshighlights

Arena 2036

Virtual Fort Knox

Fast Storage BW

Care-O-bot® 4

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart

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Internationaler Vergleich − Der Wettlauf hat begonnen

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Globale Perspektive Kundenzentrierte und nachhaltige Lösungen machen das Rennen

Quellen: Wolfeshorn Center for Development, Brookings Institution); Groningen Growth and Development Centre; McKinsey Global Inst.

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12

30

2010 2025

Weltverbrauch (BilliardenUS Dollar)

Entwicklungsmärkte Entwickelte Märkte

Mass Personalization Mass Sustainability

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Produktionskostenindex 2014 Die Produktionskosten konvergieren immer mehr

Quelle: Boston Consulting Group 2014

+20 %

-20 %

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Überschrift Kapitel Mass Sustainability

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Die Wende in der Produktion Von der Wertschöpfung zur Wertschaffung

Energie- wende

Material- wende

Kapitalwende dispostive Faktoren

Informations- und Kommunikationstechnologie als Enabler

Personal- wende

Bildquellen: hbw-cs.de; freemalaysiatoday.com; t2.ftcdn.net; livingwater-online.de; verkehrsrundschau.de; wieland-edelmetalle.de, SEW Eurodrive

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Das Konzept der Ultraeffizienz in der Produktion Von der Wertschöpfung zur Wertschaffung

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Die Energiewende in der Fabrik Systemische Konzepte sind die Lösung

Energiegewinnung:

Regenerative Energiequellen (z.B. Sonnenenergie, Windenergie, …)

Energieverteilung:

Smart Grids (z.B. Lokale Micro Grids)

Speichertechnologie (z.B. Redox Flow Batterien)

Energierückgewinnung:

Verstromung von Abwärme (z.B. ORC)

Rekuperation (z.B. Superkondensatoren)

Energy Harvesting (z.B. Thermoelektrik)

Bildquellen: elektro-ruehl.com, muelacker.de

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Mass Personalization

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Internet of Everything (IoX) Holistische Vernetzung der Welt als Basis neuer „Business-Ecosystems”

Bildquelle: http://www.emc.com/collateral/analyst-reports/idc-the-digital-universe-in-2020.pdf

3 Mrd Menschen nutzten 2014 das Internet

3,8 Mrd Dinge sind 2014 über das Internet vernetzt. (2020 werden vors. 25 Mrd Dinge vernetzt sein.)

Die Anzahl der Services im Internet sind ungezählt Bsp.: über 1,3 Mio Apps im Apple Store wurden mehr als 75 Mrd mal heruntergeladen

Neue Formen des Wirtschaftens entstehen: Shared Economy Prosumer Industrie 4.0 …

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Wandel der Produktarchitektur aufgrund von steigender Vernetzung und Personalisierung Offene Architekturen in Verbindung mit Cyber-physischen Systeme legen die Basis für „Big Bang Disruptions“

Vernetzungsgrad

einfach

cyberphysisch

mechanisch

mechatronisch kompliziert

komplex

Personalis ierungsgrad

Minimale Komplexität bei Maximum an Personalisierung und Skalen-effekten

Kunde beteiligt sich am Personalisierungsprozesses

Innovationsfokus: Eco System, personalisierte Assistenz und HMI

Erfolgsfaktor: Offenheit

Massenware standard

individualisiert regionalisiert, personalisiert

Quellen: Wildemann, H.: Wachstumsorientiertes Kundenbeziehungsmanagement statt König-Kunde-Prinzip; Seemann, T.: Einfach produktiver werden – Komplexität im Unternehmen senken; Bildquellen: apple.de

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Entwicklungsstufen der CPS Von der BUS-Fähigkeit zur IP-Fähigkeit

CPS: cyber-physical System, RFID: radio-frequency identification

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Vernetzung Leistung Metcalfe:

Der Nutzen eines Kommunikations-

systems wächst mit dem Quadrat der

Anzahl der Teilnehmer.“

Moore:

„Die Rechnerleistung verdoppelt

sich alle 18 Monate.“

Öksysteme für Smart Business Modelle

Wissen Transparenz cyber-physische Systeme

Internet der Dinge und Dienste

Real time & at run time

Everything as a Service

Die Basis: Rechenleistung und Vernetzung Moore und Metalcafe behalten recht und bestimmen die Möglichkeiten und Wert eines Unternehmens

Bildquellen: wikipedia.de, ibm.com, abcnews.com

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Überschrift Kapitel Smart Factory − Konzept und Potentiale

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Gegenüberstellung äußere – innere Komplexität Die Bewirtschaftung von Komplexität wird zum entscheidenden Wettbewerbsfaktor

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Die nächste Ebene der Dezentralisierung Von der fraktalen Fabrik zum cyber-physischen Produktionssystem

Kennzeichen:

Erfassung unmittelbar physikalische Daten mit Sensoren

Verwendung weltweit verfügbarer Daten und Dienste

Daten auswerten und speichern

Vernetzung über digitale Kommunikationstechnologien

Einwirken auf physikalische Welt mit Aktoren

Verwendung multimodaler Mensch-Maschine-Schnittstellen

Cyber-Physical Systems

Eingebettete Systeme (als Teil von Geräten, Gebäuden, Verkehrsmittel, Verkehrswegen,

Produktionsanlagen, medizinischen Prozessen,

Logistik-, Koordinations- und Managementprozessen)

Internet-Dienste

Nach ACATECH, 2012

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Kontextmanagement ersetzt die operative Planung Die Smarte Fabrik organisiert sich dezentral und selbst in Echtzeit

Cyber-physische Systeme (z.B. Maschinen, Anlagen)

haben eine Identität

kommunizieren unter-einander und mit der Umgebung

konfigurieren sich selbst (Plug and Produce)

speichern Informationen

dezentrale Selbst-organisation in Echtzeit

Neuer großer Kundenauftrag: Zusatzschicht am Samstag

notwendig

Ich muss kurzfristig heim. Wer kann meine

Aufträge machen?

Ich muss in zwei Stunden am Warenausgang sein!

Kapazität ist bis Freitag ausgebucht!

Samstag kann ich leider nicht.

Ich kann diesen Samstag arbeiten.

Magazin bald leer, bitte auffüllen!

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Fragmentierung und Neuverteilung der Wertschöpfung Kunden-Integration und Service-Orientierung

Kunde als Teil der Wertschöpfung im Produktlebenszyklus

Co-Creation (community driven)

Crowd X (-Innovation, -Funding, -Creation,…)

XaaS (Infrastruktur, Plattform, Software, Capability)

Quellen: emachineshop.com, ocalmotors.com

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Additive Manufacturing Drucke dein personalisiertes Produkt

Additive Manufacturing (3D-printing)

3D-Druck auf dem Höhepunkt für Consumer-Anwendungen (Gartner)

Der industrielle Bereich erreicht die optimalen Produktivität erst in 2−5 Jahren.

Neuentwicklungen im Bereich

Materialauswahl und -entwicklung

Geschwindigkeit

zunehmende Präzision

zunehmende mechanische Belast-barkeit der Bauteile

Quellen: Arburg, Fraunhofer IPA

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Rechnertechnik früher und heute Bauraumreduzierung und Weiterentwicklung der IT-Integration

1972−1976

SINUMERIK „System 500“

aus NC wird CNC

2005−2014

SINUMERIK 840D sl

1 Kanal/bis zu 6 Achsen G-Code-Programmierung (ISO (DIN 66025) Doppelwickler (Programmspeicher) für

250m Lochstreifen Rechneranschluss (online, DNC) an Siemens-

Prozessrechner der Familie 300 als Glied in der Kette einer integrierten Daten-verarbeitung in einer Fertigung

Bis zu 30 Kanäle/93 Achsen Multitechnologie-CNC Hochsprachen- und

Arbeitsschrittprogrammierung, ISO Codes CNC Anwenderspeicher 15MB + CF-Card 6GB

oder 12 GB auf SSD der PCU IT-Integration in die Fertigung standardmäßig

über USB, CF-Card und TCP/IP-Ethernet sowie über die Produktsuite SINUMERIK Integrate for Production.

S INUMERIK 550 Bahnsteuerung, 6 Achsen, Fräsen S INUMERIK 540 Streckensteuerung, 4 Achsen, Bohren und Fräsen S INUMERIK 530/45 Bahnsteuerung, 2 Achsen, Stanzen und Nibbeln S INUMERIK 520 Bahnsteuerung, 2 Achsen, Drehen

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Neues Produkt (von der Produkt- zur Serviceorientierung)

Kostenreduzierung durch kombinierte Steuerungseinheiten (gain by scaling)

Einfachere System-Migration/ Erweiterung, Upgrade

Vereinfachtes Management der Systemversionen bzw. Test neuer Versionen

Vertrieb/Verkauf von zusätzlichen Funktionen und Services (Taktzeit- optimierung, Energiesparmodule etc.)

Engere Kundenbeziehungen

De-Materialisierung der Software Beispiel: Über Cloud Services gesteuerte Automation

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Alte IT-Architekturen lösen sich auf Die Pyramide wird zum Netz in der Cloud

Bisher

Historisch klar hierarchisch strukturiertes Modell

Zukünftig

Serviceorientierung

Weitergehende Serviceorientierung (XaaS)

Serviceorientierte IT-Architekturen (SoA)

De-Hierarchis ierung

Auflösung der hierarchischen Gliederung

Neue Funktionen basierend auf Services

App-is ierung

App-Entwicklung durch Endanwender

Simulationen in Echtzeit

Offene Standardis ierung

Effizienzvorteile von IT-Clouds

Fokus auf Information / Semantik

ERP: Enterprise-Resource-Planning; MES: Manufacturing Execution System; QA: Qualitätssicherung; CAx: Computer-Aided x

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Schnittstellen für hybride Montage-systeme

Remote Schnittstellen über

Sehen

Gesten

Sprache

Physische Schnittstellen

Haptische Schnittstellen

Headmounted Displays

Force-feedback Systeme

Menschorientierte Maschinenschnittstelle Intuitive Kommunikation treibt neue Automatisierungsprinzipien

Bildquelle: google.com

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ARENA 2036 Forschungscampus Stuttgart

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ARENA2036 – Stuttgart Research Campus Active Research Environment for the Next Generation of Automobiles

PPP 15 Jahre Forschungsfabrik als

Integrationsplattform

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Frei anfahrbare Prozessmodule Lösung für die (Fahrzeug)Produktion der Zukunft

Herausforderung: Auflösen der klassischen Linienfertigung ohne die Nachteile der klassischen

Werkstatt Wandlungsfähigkeit erzeugt zusätzliche Komplexität

Heute Arena 2036

Presswerk

Fertigung

Karosserie-montage Modulvor-

montagen

Lackierung

Komponenten-fertigung

Türen

Fahr- werk

Sitze Armaturen- brett

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Frei anfahrbarer Prozessmodule Robust gegenüber Reihenfolgenanpassung

Problem der Reihenfolgenanpassung ist durch frei anfahrbare Prozessmodule lösbar Aufgabe der Planung:

optimale Anzahl Prozessmodule Fähigkeiten der Prozessmodule, für eine optimale Zuordnung von Verrichtungen flussorientierte Anordnung der Prozessmodule im Raum festlegen

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Zellulare Fördertechnik Schwarmintelligenz für die Logistik

Quelle: Fraunhofer IML, Prof. Dr. Michael ten Hompel

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Mobiler Roboter/Arm füllt Montage- plätze nach, nimmt leere Boxen zurück.

Mobiler Roboter mit ausreichender Speicherkapazität bewegt sich durch den Supermarkt und füllt Artikel in Kisten.

Beispiel: Roboter CPS in der Intralogistik Mobile Helfer im Niedriglohnbereich

1. Mobiler Manipulator (omnidirektional)

2. Lagermöglichkeit

3. Fähigkeit, Behälter zu greifen

4. 3D Umwelterfassung (stereo vision, 3D sensor)

5. Zaunlose Nutzung im industriellen Umfeld

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2

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Alle Objekte in der Fabrik werden smart iBin − Intelligente Behälter bestellen ihre Befüllung autonom

Quelle: Fraunhofer IML, Prof. Dr. Michael ten Hompel

Mit einer integrierten Kamera und im Zusammenspiel mit seiner Cloud zählt der iBin die Teile, die in ihm liegen.

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Smart Feed-back Motion Capturing zur Rückführung der realen Abläufe in die Planungsmodelle

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Automatisierte Erkennung von Abhängigkeiten zwischen Prozessen und Ableiten von Verbesserungspotenzialen

Durch:

„Minimalinvasive“ Prozessbeobachtung mit Kameras ohne aufwendige Systemintegration

Merkmalsbasierte Konfiguration und Wiedererkennung von Zuständen in den Videos mittels adaptiver Auswertealgorithmen

Vorteile:

Echtzeitnahe Prozessanalyse mit direkter Zuordnung von Verlustursachen

Ermittlung und quantitative Bewertung von Potenzialen zur Prozessoptimierung

Ständige Transparenz durch Bereitstellung der Störungen und Anlagenzustände für Bediener und Planer

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Gegenseitig bedingte Verluste in verketteten Systemen vermeiden

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Plan-OEE bei Beschaffung Gemessene Gesamt-OEE Abhängigkeitsoptimierte Gesamt-OEE

Einfluss unberücksichtigter Abhängigkeiten in verketteten Systemen Explizite

Berücksichtigung gegenseitiger Beeinflussung von Zellen

Ove

rall

Eq

uip

me

nt

Eff

ect

ive

ness

(O

EE

)

+17 %

-66 %

88 %

58 %

68 %

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Sense&Act Einfache und flexible Vernetzung in der Produktion

Heutige Anforderungen an die Produktion: Schnelle Anpassung an die aktuelle

Situation Integration neuer Maschinen Einführung neuer Produkte und

Varianten Auftragsschwankungen

Vernetzung von IT-Systemen und realer Produktion heute:

Monolithische und starre Systeme Hoher Aufwand für Anpassungen und

Neuintegrationen Ungenutzte Vernetzungspotenziale

ERP IPS MES …

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Sense&Act Regelbasierte Produktions- und Logistiksteuerung

Wenn Maschine 7564 =

„Störung Mechanik“

dann Benachrichtige

„N. Hofer“

Wenn Bestand

Produkt 7815 < 12 Stck

dann Generiere Bestellauftrag

Produkt 7815: 12 Stck

ERP

Regeln

Aktor

Sensor

Funktion:

Einfaches Erstellen von individuellen Regeln zur Vernetzung der Produktion

Überwachung der Sensorwerte Automatisches Auslösen definierter

Aktionen

Nutzen:

Flexibilisierung der Vernetzung Einfache Anpassung an Unternehmen

und Situationen Ermöglicht regelbasierte Produktion Wandlungsfähige Produktions-IT

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Sense&Act Konfiguration von Regeln durch den Anwender

…dann das (Aktor)!

Wenn ein Material das Lager erreicht…

Wenn das (Sensor)…

…buche den Wareneingang im ERP-System!

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Unternehmenspotenziale durch Industrie 4.0 Experten erwarten eine Gesamt-Performance-Steigerung von 30–50 % in der Wertschöpfung

Pilotprojekt von Bosch, bei dem der gesamte Versandprozess über das werksinterne Logistikzentrum in einem Industrie 4.0-Projekt neu strukturiert wurde.

Quelle: IPA/Bauernhansl, Bosch

-10 % Milkruns

+10 % Produkt-

iv ität

-30 % Lager-abbau

Abschätzung der Nutzenpotenziale

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Erfolgsfaktoren für die Industrie Maximale Kundennähe bei höchster Produktivität

Erweitertes Wertschöpfungssystem (Ecosystem, Geschäftsmodell, Kunden- und Lieferantenintegration, Kundenorientierung)

Umfassende Transparenz (Vertikale und horizontale Vernetzung in Echtzeit, Kommunikationsorientierung)

Schnelle Prozessfähigkeit (Big Data, Predictive Analytics, Qualifikation, Lernkurvenorientierung)

Hohe Flexibilität und Skaleneffekte (Alles wird zum Service/XaaS, Dezentralisierung, Vernetzung, Serviceorientierung)

Maximale Effizienz und Verbundeffekte (Zero Waste Technologien, Wandlungsbereitschaft- und fähigkeit, Autonomie, Ressourcenorientierung)

Neue Sicherheitskultur (Safety, Security und Privacy, Risikoorientierung)

Optimale Rahmenbedingungen (Infrastruktur, Finanzierung, Forschungslandschaft, lebenslanges Lernen)

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