Der Beitrag von Lernfabriken zu Industrie 4.0
Ein Baustein zur vierten industriellen Revolution bei kleinen und mittelständischen Unternehmen

Mario Kleindienst und Christian Ramsauer, TU Graz

Der Begriff ‚Industrie 4.0‘ hat mittlerweile den Schritt vom Modethema hin zum ernsthaften Forschungs- und Zukunftsbereich in der industriellen Produktion geschafft. Forschungseinrichtungen arbeiten an Technologien und Umsetzungskonzepten dieser vierten industriellen Revolution und erste Vorzeigefabriken werden ausgezeichnet. Dennoch können viele Unternehmen mit dem Begriff ‚Industrie 4.0‘ und den absehbaren Auswirkungen auf das eigene Geschäft wenig anfangen. Speziell KMU haben die Vorteile für sich noch nicht erkannt. Aus diesem Grund wird an der TU Graz aktuell die bestehende Lernfabrik des Instituts für Industriebetriebslehre und Innovationsforschung zu einer Industrie 4.0- Lernfabrik erweitert. Das Konzept dahinter ist Gegenstand dieses Beitrags.

Lernfabriken haben sich in den letzten Jahren im Bereich der universitären Aus- und Weiterbildung als probates Mittel etabliert, um anwendungsorientierte und damit nachhaltige Ausbildung zu ermöglichen [1]. Der didaktische Hintergrund dabei ist, dass Lehrinhalte durch direktes Umsetzen in einer der industriellen Realität nachempfundenen Umgebung langfristig und rasch abrufbar im Gedächtnis der Auszubildenden verankert werden können. Durch das aktive Anwenden einzelner Methoden entwickeln Trainees sogenanntes Erfahrungswissen und können dadurch die Inhalte der Trainings viel leichter in die berufliche Praxis transferieren [2]. Genau diesen Vorteil möchte das Institut für Industriebetriebslehre und Innovationsforschung an der Technischen Universität Graz nutzen, um mit der eigenen Lernfabrik einen Beitrag zu leisten, den mittelständischen Unternehmen Anwendungsbeispiele und Vorteile von Industrie 4.0 zu demonstrieren.

 


Bild 1: IBL LeanLab –Lernfabrik an der TU Graz. 


Das IBL LeanLab an der Technischen Universität Graz 

Seit mittlerweile einem Jahr besteht die erste Lernfabrik der TU Graz am Institut für Industriebetriebslehre und Innovationsforschung (Bild 1). Das sogenannte IBL LeanLab wurde seitdem in mehreren Lehrveranstaltungen im Bereich des Maschinenbaus und Wirtschaftsingenieurwesens eingesetzt, aber vor allem auch zur Schulung von externen Industriepartnern verwendet.
 

Das Konzept ist modular aufgebaut, sodass beliebige Inhalte miteinander kombiniert werden können, um dadurch individuelle Trainingsprogramme für Unternehmen zu ermöglichen. Die Inhalte stellen die Kompetenzen des Instituts in den Bereichen des Industrial Engineerings, des Logistikmanagements und der betrieblichen Energieeffizienz dar (Bild 2). 
 

Anhand der Montage des TU Graz Scooters, eines Tretrollers, der aus ca. 60 Einzelteilen besteht, lernen die Auszubildenden zunächst einen suboptimalen Ausgangszustand eines Montageprozesses kennen. In diesem Ausgangszustand werden in einzelnen Kompetenzzentren, wie z. B. der Radmontage oder der Lenkermontage, verteilt auf acht Arbeitsplätze, die Scooter montiert. Die Materialversorgung erfolgt aus einem zentralen Supermarkt und wird von den Monteuren selbst durchgeführt. Ineffiziente Wege der Mitarbeiter und Anordnung der Arbeitsplätze, ungleiche Arbeitsinhalte der einzelnen Stationen, unaufgeräumte Arbeitsplätze, schlechte Arbeitsplatzanweisungen und unpassende Werkzeuge sind nur einige Beispiele für Verbesserungspotenziale, welche im Anfangszustand zu finden sind. Nachdem die prozesstechnischen Zusammenhänge der Montage verstanden wurden, erhalten die Teilnehmer die notwendigen methodischen Inputs, um im Anschluss selbständig und unter Anwendung dieser Methoden einen verbesserten Zukunftszustand aufzubauen. Durch die ständige Messung spezifischer Indikatoren in beiden Zuständen werden die erzielten Verbesserungen sichtbar gemacht. Durch die Diskussion mit den Unternehmen wird im Anschluss gemeinsam versucht, die im LeanLab realisierten Verbesserungen auf das eigene Unternehmen zu transferieren.

 


Bild 2: Spektrum der Trainingsinhalte des IBL LeanLabs.


Systeminhärente Rahmenbedingungen in KMUs

Unterschiedliche Publikationen zeigen auf, dass speziell kleine und mittelständische Unternehmen sehr weit von einer Umsetzung und Anwendung von Industrie 4.0 entfernt sind [3]. Dies kann darin begründet sein, dass KMUs in der Regel sowohl bei den personellen als auch den finanziellen Ressourcen gegenüber großen Unternehmen im Nachteil sind [4, 5]. KMUs verfügen im Allgemeinen nur über wenige hoch qualifizierte Mitarbeiter, welche die Auswirkungen von Industrie 4.0 und die damit verbundenen Möglichkeiten für das eigene Unternehmen in ihrer vollen Bandbreite erfassen könnten. Diese Mitarbeiter sind meist im Tagesgeschäft derart eingebunden, dass eine Beschäftigung mit einem Thema wie Industrie 4.0 oft hinten angestellt wird. Außerdem verfügen KMUs in den meisten Fällen nicht über entsprechende Geldmittel, um experimentierfreudig neue Technologien ins Unternehmen zu holen, zumal damit natürlich auch der Bedarf an weiteren höher qualifizierten Mitarbeitern steigt. Überhaupt wirkt sich der Fachkräftemangel auf KMUs besonders drastisch aus, da die wenigen gut ausgebildeten Arbeitskräfte von größeren Firmen mit hohen Gehältern und weiteren Vergünstigungen und Vorteilen angelockt werden. Einzelne Forschungsbeiträge besagen weiter, dass die vierte industrielle Revolution für KMUs auch deshalb zu früh kommt, weil man die dritte industrielle Revolution, die Automatisierung der Produktion durch Einsatz von Elektronik und IT, noch nicht vollständig durchlaufen hat. Zur selben Zeit wird jedoch prognostiziert, dass jedes Unternehmen sich über kurz oder lang mit dem Thema Industrie 4.0 auseinandersetzen muss [6]. Speziell KMUs, welche in den meisten Fällen von Netzwerken bestehend aus Endkunden, Lieferanten und OEMs abhängig sind, werden von den einzelnen Interessensgruppen über kurz oder lang dazu getrieben werden, zumindest einzelne Aspekte von Industrie 4.0 umzusetzen.


Einfluss von Industrie 4.0 auf KMUs

Dass kleine und mittelständische Unternehmen von den aktuellen Entwicklungen im Bereich Industrie 4.0 beeinflusst werden, ist unbestritten. Allgemein geht man davon aus, dass die Industrie vor einem disruptiven Umbruch steht. Die Art und Weise, wie Wertschöpfung in Unternehmen passiert, wird sich nach Meinung der Produktionsforschung grundlegend ändern [7]. Zu diesen Veränderungen zählen zum Beispiel die Zunahme von kundenspezifischen Produkten bis zur batch-size-one Produktion, die Möglichkeit durch neue Technologien just in time zu produzieren oder auch die totale Vernetzung von Mensch, Maschine und Produkt im Produktions- und Lieferkettenumfeld. Eine eingängige Strukturierung der tatsächlichen zu erwartenden Auswirkungen auf ein Unternehmen ist bis dato jedoch ausständig. Anhand einer Erweiterung der Produktionsfaktoren nach Gutenberg sollen Folgen und Veränderungen für Unternehmen exemplarisch skizziert werden. Hierzu ist das sogenannte 4MEN-Modell entwickelt worden, welches exemplarisch für jeden Produktionsfaktor Auswirkungen von Industrie 4.0 aufzeigen soll (Bild 3). Darin wird verdeutlicht, dass durch eine Kombination der unterschiedlichen Produktionsfaktoren miteinander, die betriebliche Leistungserstellung in Form von Produkten oder Leistungen passiert. Jeder Produktionsfaktor leistet seinen Beitrag zum gesamten Ergebnis. Dieser Leistungserstellungsprozess muss im Sinne von Industrie 4.0 nun eingebettet in moderne Informations- und Kommunikationstechnologien gesehen werden. Diese ermöglichen die Kommunikation der einzelnen Wertschöpfungspartner auch über die Unternehmensgrenzen hinweg und bewerkstelligen es, durch Datenspeicherung und -auswertung ständig neue Optimierungspotenziale aufzudecken und dadurch Effizienz, Produktivität und Effektivität zu maximieren.

Neben den bekannten Faktoren wie Mensch, Maschine, Material, Management und Energie [8, 9], wird der zusätzliche Faktor ‚Netzwerk‘ aufgenommen. Kleine und mittelständische Unternehmen agieren überwiegend als Teil von größeren Netzwerken und kommunizieren bzw. kooperieren dabei mit unterschiedlichsten Interessensgruppen, um dadurch unternehmensintern fehlende Ressourcen zu kompensieren [10, 11]. Die Aufnahme des Begriffs ‚Netzwerk‘ als Produktionsfaktor kann für KMUs damit begründet werden, dass für sie häufig ein gut ausgeprägtes Netzwerk zwingend erforderlich ist, um die betriebliche Leistungserstellung überhaupt erst ermöglichen zu können. Industrie 4.0 wird auch im Bereich der Unternehmensnetzwerke gravierende Auswirkungen auf die Unternehmen haben. So werden sich durch Sammeln und Auswerten unterschiedlichster Daten vollkommen neue Möglichkeiten für gesamte Lieferketten ergeben, wie z. B. die Just-in-time-Produktion von Gütern direkt beim Kunden vor Ort oder effiziente Transportvorgänge durch optimierte Wege zwischen den einzelnen Gliedern der Supply Chain. Beim Produktionsfaktor ‚Energie‘ wird in Zukunft das Thema ‚Energieeffizienz‘ noch stärker in den Vordergrund rücken. Erste gesetzliche Bestimmungen, welche Unternehmen dazu anhalten, die Steigerung der Energieeffizienz mit auf die Agenda zu nehmen, wurden mittlerweile erlassen. Dabei ist davon auszugehen, dass der Druck auf die Industrie diesbezüglich noch zunehmen wird. Intelligente Stromnetze, sogenannte Smart Grids, verbinden Stromverbraucher, Stromerzeuger und Stromspeicher mittels moderner Kommunikationsnetzwerke miteinander und ermöglichen dadurch ein energie- und kosteneffizientes Gleichgewicht. Dies wird notwendig sein, da davon ausgegangen werden kann, dass der Anteil an erneuerbaren Energien zunehmen wird.
 


Bild 3: 4MEN-Modell zur Strukturierung der Auswirkungen von Industrie 4.0.

Durch die relativ schlechte Vorhersagbarkeit der erzeugten Energiemenge aus erneuerbaren Energiequellen ist eine ständige Abstimmung der eingespeisten Energiemenge mit Verbrauchern und anderen Erzeugern unerlässlich. Bei den eingesetzten Materialien steht die Ressourceneffizienz an oberster Stelle. Auch hier werden durch Industrie 4.0 und moderne I&K Technologien Möglichkeiten entstehen, wie Unternehmen Stoffströme durch neue Produktionstechnologien, neue Ansätze im Bereich der Produktentwicklung oder auch durch Rückführen von Produkten nach Ablauf ihrer Lebensdauer in den Wertschöpfungsprozess schließen, um dadurch nachhaltig wirtschaften zu können. Die meisten Entwicklungen passieren aktuell jedoch im Bereich der Maschinen. Sogenannte Cyber-Physische Systeme sind in aller Munde und bestimmen das Bild auf den aktuellen Technikmessen. Kaum ein technisches Gerät ist nicht bereits mit unterschiedlichen Sensoren, Anbindung ans Internet und ‚Intelligenz‘ ausgestattet. Davon verspricht man sich im Produktionsumfeld eine Vielzahl an Daten, durch welche eine Optimierung in sämtlichen Unternehmensbereichen stattfinden soll. Ein Beispiel hierfür wäre, dass Maschinen selbständig bestimmen, welches Produkt mit welchen Eigenschaften sie zu welcher Zeit fertigen sollten, um ein vorgegebenes Produktionsprogramm bzw. Kundenanfragen rechtzeitig zu erfüllen. Der Mensch spielt im Kontext von Industrie 4.0 wieder eine zentrale Rolle. Nach der dritten industriellen Revolution, in welcher der betriebliche Alltag von Rationalisierung und Produktivitätssteigerung durch Automatisierung geprägt war, versucht man im Zuge der vierten Revolution den großen Vorteil des Menschen wieder vermehrt zu nutzen: die Flexibilität. Durch den Trend zu immer kleineren Losgrößen bis hin zur Einzelteilfertigung nach spezifischen Kundenwünschen und der damit verbundenen steigenden Komplexität der Produktion, wird es wieder wichtiger, qualifizierte Mitarbeiter einzusetzen. Während mit automatisierten Systemen eine Fertigung von Einzelteilen nur bedingt und mit großem finanziellen Aufwand möglich ist, können sich Menschen rasch an die Variantenvielzahl anpassen. Dabei sind Themen wie der Fachkräftemangel und der demografische Wandel nicht außer Acht zu lassen. Diese Umstände machen neue Systeme zur Informationsbereitstellung an Mitarbeiter notwendig und führen zu Forschungsbedarf im Bereich der altersgerechten Arbeitsplatzgestaltung. Moderne Assistenzsysteme werden den Menschen dabei unterstützen, immer komplexere Aufgaben Hand in Hand mit Robotern und weiteren technischen Systemen durchzuführen. Schließlich werden sich auch für das Management neue Wege ergeben, durch das gezielte Auswerten und Kombinieren von gesammelten Daten direkt im Unternehmen neue Einnahmemöglichkeiten zu erschließen. Sowohl für operative als auch für strategische Entscheidungen wird sich die Datenbasis in Zukunft vervielfachen, wodurch ein vorzeitiges Auseinandersetzen mit dieser Thematik von Vorteil sein wird.


Beitrag des IBL LeanLabs zum Thema Industrie 4.0

Das IBL LeanLab stellt eine klassische Montageumgebung dar, wie sie auch in vielen kleinen und mittelständischen Unternehmen in der Realität zu finden ist. Dadurch wird gewährleistet, dass auch KMUs sich rasch wiederfinden. Durch die relativ überschaubare Komplexität des zu montierenden Produkts wird die Aufmerksamkeit der Teilnehmer auch verstärkt auf die Prozesszusammenhänge und den Leistungserstellungsprozess gelenkt. Anhand des 4MEN-Modells wird den Unternehmen zunächst ein Überblick gegeben, welche Auswirkungen durch Industrie 4.0 ganz allgemein für ihr Unternehmen zu erwarten sind bzw. welche Unternehmensbereiche besonders betroffen sind. Danach werden exemplarisch einzelne Aspekte herausgegriffen und die Möglichkeiten durch z. B. die Datensammlung an unterschiedlichen Maschinen und daraus ableitbare Aussagen oder der Einsatz moderner Assistenzsysteme zur Produktivitätssteigerung aufgezeigt. Ziel ist es, Denkprozesse bei den Teilnehmern anzustoßen und ihnen die Vorteile von Industrie 4.0 anhand der Montageumgebung im IBL LeanLab zu demonstrieren. Dadurch soll der Begriff der vierten industriellen Revolution für KMUs greifbarer gemacht werden und ein Schritt in Richtung Produktion der Zukunft gemacht werden.


Zusammenfassung und Ausblick

Studien und Gespräche mit kleinen und mittelständischen Unternehmen zeigen, dass Industrie 4.0 aktuell noch kein vordergründiges Thema bei KMUs ist. Unbestritten ist jedoch, dass der Trend hin zur vierten industriellen Revolution auch vor KMUs nicht Halt machen wird und sich der Mittelstand mit diesem Thema auseinandersetzen muss. Dabei eignen sich Lernfabriken wie das IBL LeanLab sehr gut, um in einer realen Lernumgebung praxisnah Einblicke in Vorteile und Möglichkeiten von Industrie 4.0 zu geben und KMUs an dieses Thema heranzuführen. Im ersten Schritt geht es darum, Bewusstseinsbildung bei den Unternehmen zu betreiben. Am Institut für Industriebetriebslehre und Innovationsforschung wird die aktuell bestehende Lernfabrik zu einem Industrie 4.0 Show-Betrieb erweitert, um in naher Zukunft als Plattform zum Austausch und zur Demonstration von Beispielen der Industrie 4.0 zu dienen. Dazu wird als nächster Schritt das 4MEN-Modell vervollständigt und entsprechende Technologien zu den einzelnen Feldern implementiert.

Schlüsselwörter:

Lernfabrik, Industrie 4.0, KMU, IBL LeanLab

Literatur:

[1] Kleindienst, M.; Micheu, H. J.: Lernfabrik zur praxisorientierten Wissensvermittlung – Moderne Ausbildung im Bereich Maschinenbau und Wirtschaftswissenschaften. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (2014) 6, S. 403-407.
[2] Abele, E.: Introduction of the Initiative on Learning Factories. In: Reinhart, G. (Hrsg): Proceedings of the 3rd Conference on Learning Factories. München 2013.
[3] Maier, A.; Student, D.: Industrie 4.0: M d in Germany. In: Manager Magazin 12/2014, S. 92-98.
[4] Beck, T. u. a.: SME, Growth, and Poverty: Cross-Country Evidence, World Bank Policy Research Working Paper 3178. URL: http://elibrary.worldbank.org/doi/abs/10.1596/1813-9450-3178, Abrufdatum 22.01.2015.
[5] Batra, G.; Mahmood, S.: Direct Support to Private Firms: Evidence on Effectiveness, World Bank Policy Research Working Paper 3170. URL: http://elibrary.worldbank.org/doi/abs/10.1596/1813-9450-3170, Abrufdatum 22.01.2015.
[6] Heng, S.: Industry 4.0 – Upgrading of Germany’s industrial capabilities on the horizon, Deutsche Bank Research, URL: https://www.dbresearch.com/PROD/DBR_INTERNET_EN-PROD/PROD000000000033357..., Abrufdatum 22.01.2015.
[7] Plattform Industrie 4.0: Industrie 4.0 – Whitepaper FuE-Themen, URL: http://www.plattform-i40.de/whitepaper-forschungs-und-entwicklungsaktivi..., Abrufdatum 22.01.2015.
[8] Gutenberg, E.: Grundlagen der Betriebswirtschaftslehre, 1. Band – Die Produktion, 20. Auflage. Berlin Heidelberg New York 1973.
[9] Kümmel R. u. a.: Energie, Wirtschaftswachstum und technischer Fortschritt. URL: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/phbl.19970530908/abstract, Abrufdatum 22.01.2015.
[10] Partanen, J., u. a.: Social capital in the growth of science-and-technology-based SMEs. In: Industrial Marketing Management 37 (2008), S. 513-522.
[11] Tikkanen, H.: The network approach in analyzing international marketing and purchasing operations: A case study of a European SME’s focal net 1992–95. In: Journal of Business and Industrial Marketing 13 (1998) 2, S. 109-131.