Produktion in Deutschland

Produzieren in Deutschland –
Wettbewerbsfähigkeit im 21. Jahrhundert
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dieter Spath
Fraunhofer IAO
www.iao.fraunhofer.de
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Chinas Wirtschaft schwächelt!
Wachstum des realen Bruttoinlandsprodukts (BIP) in den wichtigsten Industrie- und Schwellenländern in den Jahren 2011
und 2012 und Prognose für 2013 und 2014 (gegenüber dem Vorjahr)
in %
Veränderung des BIP zum Vorjahr
10
8
6
4
2
0
-2
USA
China
2011
Japan
Deutschland
2012
Frankreich
Großbritannien
2013*
… und wächst doch 4-mal stärker als unsere
Quellen: Schlagzeile: Handelsblatt, Statistik: Statista GmbH
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Brasilien
Russland
2014*
Indien
Produktion in Deutschland – Beschäftigte und Branchen
Beschäftigte
in Deutschland (2011)*
7,7 Mio.
2,4 Mio.
Beschäftigte in den Branchen
in Deutschland (2011)**
Produzierendes
Gewerbe
Maschinenbau
Baugewerbe
17%
Automobil-
30,3 Mio.
Dienstleistungsbereiche
Sonstige
bau
Branchen
14%
53%
Metallerzeugnisse
Elektrische 9%
0,7 Mio.
Land- und
Forstwirtschaft
Ausrüstung
7%
Summe 41,1 Mio.
Die Produktion ist bis heute der
zentrale Treiber für Wertschöpfung
und Beschäftigung
Allein Maschinenbau und Automobilbranche stellen 1/3 Drittel des Umsatzes
aller Produktionsbranchen dar!
Anteil der Industrieproduktion am BIP: ca. 30%
* Quelle: Statistisches Bundesamt, Stand 05/2012 ** Quelle: Statistisches Bundesamt, Stand 01/2012
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Megatrends beeinflussen die Produktion von morgen*
Durchdringung mit
neuen
Technologien
Wachstumsmarkt
Lebensqualit
ät
Ressourcenverknappung
Globalisierung
Dynamisierung
der
Produktlebenszyklen
Lernende
Gesellschaft /
Wissensgesellschaft
Risiko der
Instabilität
Terroranschlä
ge
Klimawandel
Demografischer
Wandel
Mobilität
Megatrends wirken direkt und indirekt auch auf
Entwicklung und Produktion
*Quelle: Studie ‚Produktionsforschung 2020‘ des BMBF, 2009
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IT dringt von den Büros in die Produktion
Produktdesign
Produkt
entwicklung
Produktionskonzeptentwicklung
Montageplanung
Fabriklayout
Durchgängiger Informationsfluss vom Produktdesign bis zur
Produktion – mit Feedback aus der Produktion an frühe Phasen
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Rapid
Production
Die 4. Industrielle Revolution hat begonnen
Konzept Smart Factory aus dem acatech-AK „Industrie 4.0“
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Wettbewerbsfähig produzieren
Industrie 4.0
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Die Evolution von eingebetteten Systemen zum Internet
der Dinge
Vision: Internet der Dinge
Intelligente Umgebung
z.B. Smart City
Cyber-Physical Systems
z.B. Smart Factory, Smart Grid
Vernetzte eingebettete
Systeme
z.B. Intelligente Kreuzung
Eingebettete
Systeme
z.B. Airbag
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Quelle:
PG Kommunikation,
DFKI, 2012
Industrie 4.0 – Cyber-Physical Systems
CPS Cyber Physical Systems …
 sind Produkte mit eingebetteter Hardund Software
 haben Sensoren und Aktoren, die auf die
physikalische Welt reagieren
 nutzen Internetprotokolle und -Dienste
zur Vernetzung
 interagieren über
Anwendungsgrenzen
hinweg
 steuern Unternehmen
und ganze Wertschöpfungsnetzwerke
in nahezu Echtzeit
Quellen: www.acatech.de/cps und Gausemeier
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Auf dem Weg zur Industrie 4.0
Fließband bei Ford,
Anfang 20. Jh.
»Smart Factory«
4. Industrielle
Revolution
auf der Basis von CyberPhysical Systems
3. Industrielle Revolution
durch Einsatz von Elektronik und IT zur
weiteren Automatisierung der Produktion
2. Industrielle Revolution
Erster mechanischer durch Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit Hilfe von
elektrischer Energie
Webstuhl 1784
1. Industrielle Revolution
durch Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasser- und Dampfkraft
Ende 18. Jh.
Beginn 20. Jh.
Beginn 1970er
heute
Quelle: DFKI
Beschäftigung
Bestimmung
Mitbestimmung
Abstimmung/Kooperation
Prozesse
starr
flexibel
adaptiv in Echtzeit
Ressourcen
nach Prognose
nach Verbrauch
auftragsbezogen
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Grad der Komplexität
Erste
Speicherprogrammierbare
Steuerung (SPS)
»Modicon 084« 1969
Cyber-Physical Systems - Anwendungen
 Intelligente Stromzähler
 Ambient Assisted Living
 Vernetzte Navigationssysteme
 Fahrerassistenzsysteme
 EO smart connecting car
Quellen: 1) www.pro-smart-metering.de 2) blogs.bournemouth.ac.uk / nullbarriere.de
3) Geisberger, Broy (Hrsg): agenda CPS/; www.7-forum.com 4) robotik.dfki-bremen.de
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Cyber-Physical Systems – Neue Geschäftsmodelle
 Anreicherung »konventioneller«
Produkte mit CPS-Assistenten …
 … ermöglicht neue Leistungs- und
Austauschprozesse:
 Apps im Automobil, …
 Smartphone, Smartdevices, …
 … erfordert neue Kompetenzen und
Geschäftsprozesse:
 Einbindung von Servicepartnern
 Nutzung Open Innovation
 Fraktale Leistungsabrechnung online und
in Echtzeit
 Womit wird zukünftig Geld verdient?
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Industrie 4.0 – Cyber-Physikalische Produktionssysteme
Vernetzte Menschen und Objekte entscheiden kooperativ
Industrie 4.0 und der Mensch
 Vernetzte Objekte triggern und liefern die
Informationen und Daten für
Entscheidungen
 Aufbereitung und Verteilung der
Informationen in Echtzeit
 Die Menschen / Mitarbeiter entscheiden,
einzeln und in Gruppen
Das heißt:
 Mobile IKT für Mitarbeiter – auch im
Shopfloor
 Zugriff auf Echtzeit-Informationen
 Gruppenkommunikation
 »Social Group Decisions« für die effektive
Entscheidungsfindung
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Industrie 4.0 - Menschen und Objekte entscheiden kooperativ
Magazin auffüllen
übernehme ich.
Schalt
mich an!
Samstag geht
leider nicht.
Magazin leer,
bitte auffüllen!
Ich kann diesen
Samstag arbeiten.
Muss in 2h am
Warenausgang
sein!
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Kapazität bis Freitag
ausgebucht!
Forschungsbeispiel: KapaflexCy
Selbstorganisierter, flexibler Kapazitätseinsatz in
Echtzeit als Wettbewerbsvorteil
Schnelle Reaktionsfähigkeit durch selbstorganisierte
Kapazitätsflexibilität in Produktionsunternehmen
 hochflexibel und kurzfristig

koordiniert und unternehmensübergreifend

direkte Beteiligung der ausführenden Mitarbeiter
Nutzung von CPS zur Kapazitätskoordination
 Vernetzte Objekte triggern und liefern
Informationen für Entscheidungen

Aufbereitung und Verteilung der
Informationen in Echtzeit

Mitarbeiter entscheiden,
einzeln und in Gruppen
Vernetzte Menschen und Objekte entscheiden kooperativ
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Wettbewerbsfähig produzieren
Industrie 4.0
Ressourcen- und
Energieeffizienz
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Materialeinsparpotenzial
Anteil der Betriebe
Einschätzung im Verarbeitenden Gewerbe in Deutschland
60%
50%
42%
40%
30%
20%
26%
20%
11%
10%
0%
0%
1 bis 5%
6 bis 10%
über 10%
Materialeinsparpotenzial
Quelle: Erhebung »Modernisierung der Produktion« (2009), Fraunhofer ISI
 Mittleres Einsparpotenzial im Verarbeitenden Gewerbe: 7%
 Einsparung von 48 Mrd. EUR Materialkosten jährlich
 Geschätztes Einsparpotenzial bei Betrieben, die komplexe Produkte
herstellen, ist höher als bei Betrieben, die einfache Produkte herstellen
Quelle: Schröter et al. 2011
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Forschungsbeispiel: Ressourceneffizienz
Beispiel Elektroschrott: In einem Handy sind bis zu 30 verschiedene Funktionsmetalle, in einem Computer bis zu 50!
Wichtige Forschungsfragen für Fraunhofer:
lassen sich die wertvollen
1 Wie
Rohstoffe, die in vielen Produkten
stecken, intelligent und kostengünstig
zurück gewinnen und nachhaltig
wieder verwerten?
kann man ein Produkt von
2 Wie
vornherein so gestalten, dass Recycling
und Nachnutzung optimal möglich
sind?
können ökonomisch und
3 Wie
ökologisch sinnvolle Werkstoffalternativen entwickelt werden, die
eine langfristig gesicherte Rohstoffversorgung der verarbeitenden
Industrie garantieren?
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Ressourcen-Einsparpotenziale
Beispiel Automobilbau
Effekt
Verwendetes Material – Leichtbauweise
Einsparung
ca. 200 kg
/PKW
z.B. Einsatz von Aluminium, Magnesium,
kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff
Downsizing
z.B. 4 statt 8 Zylinder bei annähernd gleicher Leistung
Sekundäre Effekte
z.B. geringerer Hubraum → weniger Verbrauch → kleinerer
Tank; weniger Gewicht → geringere Trägheit → kleinere
Bremsen
ca. 100 kg
/PKW
ca. 50 kg
/PKW
z.B. CFK für Roboterarme, Keramik für Fräsmaschinen
Fertigungsverfahren
z.B. neuer Laser -> doppelter Wirkungsgrad, dreifache
Schnittgeschwindigkeit
Kühlmittel
Synthetisches Kühlmittel statt Emulsion und gezielte
Einspritzung
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Quelle: BMW
Quelle: Audi
Beispiel Werkzeugmaschinen
Verwendetes Material
Fraunhofer ICT
deutlich gesenkter
Energieaufwand
Energieverbrauch sinkt um bis
zu 75 %
Verdopplung der
Werkzeugstandzeiten
Fraunhofer IPK, ICT, Trumpf, BMW, Audi
Energieeinsparpotenzial
Einschätzung im Verarbeitenden Gewerbe in Deutschland
Anteil der Betriebe
60%
49%
50%
40%
32%
30%
16%
20%
10%
3%
0%
0%
1 bis 10%
11 bis 20%
über 20%
Geschätztes Energieeinsparpotenzial
 Mittleres Einsparpotenzial im Verarbeitenden Gewerbe: 15%
 Einsparung von 5 Mrd. EUR Energiekosten jährlich
 Kleinere, mittlere und große Betriebe kommen zu gleichen
Einsparpotenzialen
Quelle: Erhebung »Modernisierung der Produktion« (2009), Fraunhofer ISI, N = 1.321
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Einstieg in die Energieeffizienzwirtschaft:
»Was fehlt, sind marktwirtschaftliche Anreize«
»In Deutschland ist die Produktion einer
Kilowattstunde im Schnitt dreimal so teuer
wie die Vermeidung ihres Verbrauchs!«
Kurt-Ludwig Gutberlet,
Vorsitzender der Geschäftsführung
BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
Quelle: VDI-Nachrichten, 8.6.12, Nr. 23
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Energieeffizienz in der Produktion
Umsetzung von Energiesparmaßnahmen in Abhängigkeit
des Einsatzes eines Umweltkennzahlensystems (UKZ)
Elektromotoren mit
Drehzahlregelung
44%
Rückgewinnung von Bewegungsu. Prozessenergie
28%
Steuerungskonzept zur Abschaltung
von Maschinen in Schwachlastzeiten
23%
Kraft-Wärme(-Kälte)-Kopplung
Einsatz von Hocheffizienzpumpen
Wärmearme Fügeverfahren
64%
13%
8%
5%
50%
47%
21%
19%
11%
Betriebe mit UKZ
Betriebe ohne UKZ
Anteil von Betrieben mit Nutzung der Einspartechniken
Betriebe mit Umweltkennzahlensystemen setzen verstärkt
auf Effizienztechnologien
Quelle: Erhebung »Modernisierung der Produktion« (2009), Fraunhofer ISI, N = 1.321
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Lebenszykluskosten bei Werkzeugmaschinen
Gesamtkosten einer Werkzeugmaschine über 10 Jahre
ungeplante
Instandsetzung 9%
Wartung und
Inspektion 37%
Raumkosten 6%
Betriebskosten
80%
Investition
20%
Kapitalbindung
8%
Energiekosten
21%
Kühlschmierstoffe 16%
Druckluftkosten 3%
Energiekosten und Kühlschmiermittel machen mehr als 1/3 der
Betriebskosten aus
Quelle: PTW der TU Darmstadt 2012
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Energiebedarf in Produktion und Lebenszyklus
Produktion
Produkte - Nutzungsphase
Kleiner Hebel
Große Wirkung
Energiebedarf
in der Produktion
Energiebedarf in der
Produkt-Nutzungsphase
Fertigungsalternative 2
Fertigungsalternative 1
Energiebedarf im gesamten Produktlebenszyklus Eges1 >> Eges2
Lebenszyklusorientierte Betrachtung ist sowohl in der Entwicklung
einer Maschine als auch in der Nutzungsphase erfolgsentscheidend
(TCO auch im Maschinenbau)!
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Überdurchschnittliche Spezialisierung in Deutschland
 Keine Spezialisierung,
sondern allgemeine
Innovationsoffensive in
China und Korea
 Herausforderungen für
Deutschland:
 Patentstärke beibehalten
 Wissensbasis bei
Publikationen stärken
 neue Felder mit hoher
Innovationsdynamik
besetzen
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Spezialisierung Exporte (RWA)
 Überdurchschnittliche
Spezialisierung auf Energiewendetechnologien
Spezialisierung zeigt hohe
Bedeutung der EnergieEnergiewendetechnologien
wendetechnologien in DE
100
und JP an
USA
DE
0
JP
FR
GB
KR
CN
-100
-100
0
100
Spezialisierung Patente (RPA)
Quelle: Fraunhofer ISI
RPA, RWA > 0 => überdurchschnittliche Spezialisierung
Treibstoffersparnis durch »Haifischhaut«-Strukturen
Strömungswiderstand messbar reduziert mittels
Riblet-Strukturen
Bei Strömungsgeschwindigkeit
von zehn Metern pro Sekunde
gegenüber der unstrukturierten
Oberfläche eine Reibungswiderstandsreduzierung von mehr
als fünf Prozent.
Quelle: Bionik-Kompetenznetz
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer
ribletstrukturierten Lackoberfläche
Fraunhofer IFAM
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Wettbewerbsfähig produzieren
Ressourcen- und
Energieeffizienz
Industrie 4.0
Entwicklung
und Produktion
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Erwarteter Nutzen der Digitalisierung
Kostenreduktion
 Kostentransparenz
 Personaleinsparung
Zeitoptimierung
 Schnellerer Informationsfluss
 Erkennbarkeit von Engpässen
 Kurze Reaktionszeiten
Integration von
Konstruktion
und Planung
Prozessoptimierung




Standardisierung und Flexibilität
Handhabbare parallele Workflows
Outsourcing und Integration
Mehr Prozess- und
Planungssicherheit
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Qualitätssteigerung
 Hohe Produkt- und
Prozessqualität
 Reduktion von
Fehlerquoten
Ebenen der Integrations- und Kooperationsunterstützung
Kommunikation
Verstehen und Zusammenarbeit von
Mitarbeitern unterschiedlichster
Disziplinen und Hintergründe
Organisationen,
Menschen
Organisation
Workflows und Informationsflüsse
durch angemessene organisatorische
Prozesse
Prozesse
Technik
Integration von / Datenaustausch
zwischen einer Vielzahl IT-Systeme
Systeme
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Typische Ansätze zur Unterstützung
Kommunikation
 Regelmäßige Projekttreffen
 Projektwörterbücher
 Social Web
Organisatorische Ebene
 Prozessdokumentationen
 Prozesse als definierte Workflows in PDM/PLMSystemen
Technische Ebene
 Systemintegration (EAI, Enterprise Application
Integration)
 Schnittstellen über Drittsysteme
 PDM/PLM-System als »Integrator«
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Forschungsbeispiel: amePLM
advanced Platform for manufacturing engineering and PLM
Ausgangspunkt Wissensökologie
zur Adressierung der Ebenen
 Mensch
 Prozess
 Informationstechnik
Lösungsbausteine
Offene Engineering-Plattform
Zugang zu verteilten Informationen
Durchgängige Arbeitsabläufe
Unterstützungswerkzeuge für die
Produkt- und Prozessentwicklung
 Ontologie als
 interoperables Datenmodell
 gemeinsames Projektwörterbuch




© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Forschungsbeispiel: Virtual CityScapes
Themen und Potenziale
Interdiziplinäres
Engineering
Logistik
Menschmodelle
Stadtplanung
Verkehrssimulation
Innenraum
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Das Digital Engineering Lab - DELab
Ein Living Lab im ZVE des Fraunhofer IAO
in dem Möglichkeiten zur Verbesserung von …
 Kommunikation und Kooperation sowie
Entscheidungsunterstützung,
Multi-Touch-Tisch
 organisatorischen Prozessen und
Informationsflussmanagement
 die Unterstützung durch innovative IT
integrierte virtuelle Produkt- und
Produktionsentstehung, Digitale Fabrik und
Simulation
… gezeigt und weiterentwickelt werden
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Zentrum für Virtuelles Engineering ZVE
Haus der Wissensarbeit
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Zusammenfassung
 Wettbewerbsfähige Produktion in Deutschland ist
wesentlich aber herausfordernd und doch möglich
 Befähiger Industrie 4.0
 Ausrichtung von Produkt und Produktion auf
Energie- und Ressourceneffizienz
 Integration von Entwicklung und Produktion mit
innovativen IT-Systemen als Basis der Wettbewerbsfähigkeit
Zur Standortsicherung braucht Deutschland weiterhin eine
weltweit führende Position in Entwicklung und Produktion
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart
Es ist verrückt, die Dinge immer gleich zu machen
und dabei auf andere Ergebnisse zu hoffen.
Albert Einstein
© Fraunhofer IAO, IAT Universität Stuttgart