Juni 2024 | Hohe Löhne, fehlende Arbeitskräfte – wie wird sich der Industriestandort Deutschland angesichts dieser Herausforderungen behaupten können? Am Exzellenzcluster “Internet of Production” (IoP) der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) wird intensiv an Lösungen geforscht, die den Industriestandort Deutschland nicht nur erhalten, sondern auch zukunftsfähig machen sollen.
Lohnkosten gehören neben Material- und Energiekosten zu den Schlüsselaufwendungen einer Produktion. Die Lohnkosten in der deutschen Industrie lagen im Jahr 2022 gut 44 Prozent über dem EU-Durchschnitt. Daneben wird sich das Problem des Arbeitskräftemangels weiter verschärfen, wenn die Baby Boomer in den nächsten Jahren in Rente gehen. „Es gibt große Unternehmen, die sagen, ich habe keine Chance, diese Lohnsteigerungen darzustellen“, sagt Universitätsprofessor Christian Brecher, Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen.
„Anders als Material- und Energiekosten gibt es bei den Lohnkosten in Deutschland keine Schwankungen, sie zeigten nur in eine Richtung – nach oben“, sagt Frank Possel-Dölken. Er gehört zur Geschäftsführung des Unternehmens Phoenix Contact. Das Unternehmen ist zwar weltweit aktiv, generiert aber 70 Prozent seiner Wertschöpfung in Deutschland. Man müsse mit Hilfe der Technologie Wege der Effizienz finden, um die Balance zu halten, meint der Digitalchef Possel-Dölken.
Mit solchen Überlegungen steht er nicht alleine da. Daraus ergeben sich Aufgaben für die Wissenschaft.
„Wie können wir die Standortbedingungen für die Industrie in Deutschland noch besser gestalten“, fragt Wissenschaftler Christian Brecher. „Wie kann man den Menschen dabei einbinden und versuchen, Schritt für Schritt besser als die anderen zu sein, so dass die Lohnkosten zu rechtfertigen sind?“
Zielsetzung seien beste Qualität, höhere Produktivität und mehr Nachhaltigkeit.
Verbund der Spitzenforschung
Christian Brecher ist Sprecher des Exzellenzclusters IoP. In dem Verbund der Spitzenforschung arbeitet der Maschinenbauer mit über 35 Lehrstühlen und Forschungseinrichtungen in Aachen interdisziplinär zusammen. Sie bereiten den Weg in eine neue industrielle Zukunft vor. Zielsetzung ist die kontinuierliche Entwicklung eines komplexen Netzwerks aus Maschinen, Software, Datenspeichern und Menschen, die Daten in Echtzeit austauschen und damit intelligent arbeiten können.
Das IoP ist eines von bundesweit 57 Exzellenzclustern des Bundes und der Länder, die in Summe jährlich mit 385 Millionen Euro gefördert werden. Mit Beginn der zweiten Förderphase in 2026 soll die jährliche Fördersumme für bis zu 70 Exzellenzcluster auf insgesamt 539 Millionen Euro steigen.
In dem Cluster gibt es neben einem wissenschaftlichen Beirat auch einen Industriebeirat mit Vertretern deutscher und internationaler Unternehmen, zu dem neben z. B. BMW, MAN, Bosch oder Siemens auch Phoenix Contact gehört. Darüber hinaus sind die Forscher mit industriellen Vereinigungen wie dem Verband Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken oder dem Verband der Automobilindustrie verbunden.
„Big Data“ handhabbarer machen
Die Wissenschaftler haben eine intelligente Datenaufbereitung entwickelt: „Wir sprechen hierbei von unserem Konzept des Digitalen Schattens“, sagt Brecher. „Wir specken die digitale Welt mit höchstmöglicher Effizienz soweit ab, dass ich mit einem möglichst geringeren Datenaufkommen zum Ziel kommen kann.“ Die Forscher haben das mittlerweile so weit optimiert, dass die Berechnungen unglaublich schnell, sprich „in Echtzeit“ erfolgen. Darüber hinaus werden durch „Look ahead Funktionen“ ganz neue Wege der Qualitätsüberwachung möglich.
Wie wichtig das in der Praxis ist, macht Possel-Dölken von Phoenix Contact deutlich: Im Problemfall sei die Zeit ein entscheidender Faktor: Es mache den Unterschied, ob man vier Wochen brauche, um die Ursachen zu finden oder nur einen Tag.
„Der Unterschied basiert in vielen Fällen auf der Verfügbarkeit der richtigen Information. Wie lange brauche ich, um darauf zugreifen zu können. Das ist einer der Kernfaktoren, um den Ausstoß in der Produktion zu erhöhen, um gute Qualität sicher herstellen zu können. Das ist ein ganz zentraler Aspekt gerade für den Standort Deutschland.“
Für den Digitalen Schatten haben die Forscher eine sogenannte konzeptionelle Referenzinfrastruktur entwickelt. Die Referenz umfasst die Entwicklung von Modellen, Prozessen und Technologien, um Daten zu sammeln, zu speichern und zu verarbeiten. Eine Herausforderung ist dabei die Entwicklung eines gemeinsamen Modells für ganz unterschiedliche Maschinen. Zwei Institute erarbeiten das beispielhaft an einer Fräsmaschine und Kunststoffspritzgießmaschine. Beide haben unterschiedliche Steuerungen, Prozesse und Sensoren. Zuerst wurden für jeden Maschinentyp unterschiedliche Modelle erzeugt. „Irgendwann muss man sagen: Wo gibt es denn Gemeinsamkeiten, damit ich das Pferd nicht immer von neuem aufzäumen muss. Was lässt sich verallgemeinern, was lässt sich übertragen. Sonst ist die Technologievielfalt unbeherrschbar“, skizziert Christian Brecher das Vorgehen.
Der Mensch spielt entscheidende Rolle
Im ansonsten eher technisch orientierten Forschungsverbund sind auch die Fachrichtungen Psychologie und Arbeitswissenschaft, u. a. mit Professorin Verena Nitsch, vertreten. Nitsch macht deutlich, dass der Mensch bei aller Digitalisierung weiterhin eine entscheidende Rolle spielt und beschreibt die Probleme eines Autobauers. Der habe im Produktionsprozess extrem viel automatisiert und standardisiert. „Trotzdem stellte man überrascht fest, dass Autos aus verschiedenen Standorten sich in der erzeugten Qualität unterscheiden. Wie kann das sein, es ist ja alles standardisiert und automatisiert? Und es ist in beiden Werken exakt gleich. Es konnte also nicht an dem automatisierten Teil der Produktion liegen.“ Die Entwicklungen im IoP sollen daher den Menschen vor allem bei seinen Entscheidungen im Rahmen der Produktionsprozesse unterstützen.
Wenn Mensch und Maschine vernetzt werden, wenn von der realen Produktion ein virtuelles Abbild in Echtzeit entstehen soll, dann braucht man Daten auch von den Menschen. Wie weit kann und will man dabei in Deutschland gehen? „Da ist China natürlich proaktiver“, stellt sie fest. Kamerabasierte KI-Systeme sammelten dort Daten. „Zu Recht fragen wir uns alle: Wollen wir das in Deutschland?“
Niemand soll auf Schritt und Tritt überwacht werden oder negative Konsequenzen befürchten müssen. Aber auch hier greifen die Forschungsaktivitäten des IoP: Reduzierte, anonymisierte Daten sollen die angestrebte Kommunikation von Unternehmen untereinander ermöglichen. Das würde viele Probleme lösen, beispielsweise innerhalb der Lieferkette. An dieser Vision der Kommunikation von Unternehmen mit reduzierten, anonymisierten Daten arbeitet das IoP im Rahmen eines World Wide Labs. Das geschieht auch in Hinblick auf die Symbiose zwischen Mensch und Maschine.
Die Sicherung wertvollen Know-hows
In der aktuell angestrebten zweiten Projektphase der Exzellenzstrategie von 2026 an soll es für die Aachener im „Internet of Sustainable Production“ vor allem um den Aspekt der Nachhaltigkeit in der Produktionstechnik in ihren verschiedenen Dimensionen gehen: wirtschaftlich effizient, sozial verträglich und zudem ökologisch tragfähig. Beispielsweise um die Frage: Wieviel Lebensdauer hat ein Produkt oder eine Maschine verbraucht und wie viel Potenzial steckt noch drin.
„Ein Auto fahren wir zehn bis zwölf Jahre. Danach ist es für uns weniger interessant, hätte aber das Potenzial, viel länger leben zu können“, macht Brecher deutlich, worum es dann gehen wird. Voraussetzung sei ein komplett anderes Produktdesign: „Es muss reparierbar und upgradefähig sein, so dass ich manche Sachen austausche und sage: Ich kann viele Komponenten weiter nutzen und halte das Produkt trotzdem up to date, indem ich beispielsweise Softwareupdates nutze. Das kann man sich bei vielen Produkten vorstellen.“
Dagegen sei die Frage, wie lange die Komponenten einer Produktionsmaschine halten, noch nicht beantwortet.
„Da bieten die Daten einer Maschine viel zu wenig Informationsgehalt. Statistisch gesehen bräuchte ich Unmengen an Antrieben, um zu sagen, meine Komponente hält unter den und den Bedingungen vielleicht noch tausend oder 10000 Stunden“, skizziert Brecher das Problem.
Die neue Ära der Produktion wird Zeit brauchen. Christian Brecher sieht die Wissenschaft zehn bis 20 Jahre der Zeit voraus.
Die industrielle Produktion sieht sich mit hohen Lohnkosten und einem Mangel an Arbeitskräften konfrontiert, die die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen bedrohen. Innovative Ansätze sind gefragt.
