Smart Factory – automatisierte Produktion im Mittelstand

Wenn die Digitalisierung Einzug hält…

Smart Factory

Die vierte industrielle Revolution bricht sich Bahn. Smart Factory, KI, Robotic: Auch in KMUs bricht ein neues Zeitalter an. Dieser Beitrag erklärt, worum es bei der nächsten industriellen Revolution geht, wie weit sie schon vorangeschritten ist und woran es bei deutschen Unternehmen häufig noch hakt.

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Zusätzliche Information

Die vierte industrielle Revolution: Darum geht es

Die sogenannte Industrie 4.0 ist ein Oberbegriff für verschiedene technologische Entwicklungen in der Industrie. Der Begriff leitet sich aus den drei vorangegangenen industriellen Revolutionen ab. Bei der ersten Revolution wurde die mechanische Kraft von Wasser und Wasserdampf genutzt. Bei der zweiten Revolution begann das Zeitalter der Massenproduktion mit Fließbändern und elektrischer Energie. Die dritte industrielle Revolution bezeichnet den flächendeckenden Einsatz von Elektronik und IT und die damit einhergehende Automatisierung der Produktion. Industrie 4.0 oder auch die vierte industrielle Revolution bezeichnet die weitreichende Digitalisierung der industriellen Produktion.

Höheres Wachstumspotential durch Industrie 4.0

DB Research sieht in Industrie 4.0 ein erhebliches Wachstumspotenzial. Die Analysten gehen davon aus, dass die Bruttowertschöpfung im Verarbeitenden Gewerbe in Deutschland durchschnittlich um 0,25-0,5 % pro Jahr schneller wachsen wird als ohne die Effekte der Industrie 4.0. Dies führt der DB Research zufolge im Zeitraum 2018-2025 zu einer zusätzlichen Bruttowertschöpfung in Höhe von 70-140 Mrd. EUR. Gemessen am Bruttoinlandsprodukt des Jahres 2017 wären dies 2-4 %.

Die positiven Impulse werden dringend benötigt. Denn: Deutschland steht vor einer demographischen Wende. Die Deutsche Bundesbank rechnet damit, dass das gesamtwirtschaftliche Produktionspotenzial von derzeit 1,2 % pro Jahr auf nur noch 0,8 % pro Jahr im Jahr 2025 sinken wird. Das gesamtwirtschaftliche Produktionspotenzial wird auch als Potenzialwachstum bezeichnet. Es gibt an, mit welchem Prozentsatz die Wirtschaft strukturell (im Gegensatz zu konjunkturell) wachsen kann. Die Bundesbank verweist auf das sinkende Erwerbspersonenpotenzial und die Alterung der Belegschaften. DB Research geht jedoch davon aus, dass die Industrie diese negativen Effekte durch die Digitalisierung zumindest teilweise ausgleichen kann. DB Research sieht darin eine wesentliche Voraussetzung für den Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit des Industriestandorts Deutschlands.

Von besonders großer Bedeutung ist die Industrie 4.0 nach Ansicht von DB Research für klassische Investitionsgüterbranchen. Dazu zählen zum Beispiel die Automobilindustrie, die Elektrotechnik und der Maschinenbau. In geringerem Umfang werden den Analysten zufolge die Metall und die Chemieindustrie von der Digitalisierung profitieren.

Smart Factory: Robotik in Industrieunternehmen

Ein wichtiger Bestandteil von Industrie 4.0 ist die Robotik. Diese spielt auch, aber nicht nur in Industrieunternehmen eine wichtige Rolle. Schwerlastroboter können Autos oder andere schwere Gegenstände heben. Roboter können sägen, schweißen, schrauben und viele andere Tätigkeiten verrichten. Die Roboter sind dabei schneller und präziser als ihre menschlichen Kollegen. Sie können flexibel für verschiedene Tätigkeiten eingesetzt werden und sind in der Lage, die Qualität der eigenen Arbeit zu überprüfen und andere Teile der Produktion darüber zu informieren.

Roboter in Hotels und Restaurants

Roboter spielen jedoch nicht nur in der Industrie eine wichtige Rolle. In zahlreichen Hotels in Asien gibt es bereits Roboter, die im Zimmerservice eingesetzt werden. Die Roboter bringen ganz ohne menschliches Zutun Snacks, frische Handtücher etc. in die Zimmer. Auch das Gepäck der Gäste wird durch Roboter verstaut. Roboter können Fahrstühle bedienen, Spiegeleier zu bereiten, Anrufe tätigen und vieles mehr.

Roboter in der Logistikbranche

In der Logistikbranche spielt Robotik eine besondere Rolle. Selbstfahrende Autos sind nichts anderes als Roboter. Ganz ohne Fahrer können autonome Fahrzeuge Personen ans Ziel befördern. Die Roboter sind dabei zuverlässiger und belastbarer als menschliches Personal. Zudem wird ein erheblicher Teil der Beförderungskosten eingespart. Befürworter des autonomen Fahrens versprechen sich vom flächendeckenden Einsatz zudem einen Zugewinn bei der Verkehrssicherheit.

Das autonome Fahren könnte einer der ersten Teilbereiche der Industrie 4.0 sein, der weite Teile unseres Alltags erfasst. Noch wachsen die Bäume aber nicht in den Himmel. Bei der Entwicklung autonomer Fahrzeuge gibt es immer wieder Rückschläge wie zum Beispiel schwere Unfälle. Auch viele juristische Fragen sind noch nicht geklärt. Experten gehen davon aus, dass selbstfahrende Autos nicht vor 2030 das Ruder im Straßenverkehr übernehmen werden.

In der Logistikbranche spielen jedoch auch Drohnen eine immer wichtige Rolle. Diese können zur Lieferung von Waren eingesetzt werden.

Ist der Zielort einprogrammiert, fliegen die Drohnen selbstständig dorthin und wieder zum Ausgangsort zurück. Dadurch können Lieferungen beschleunigt und Transportkosten gesenkt werden.

Drohne in der Logistik

In der Logistikbranche ist der großflächige Einsatz von Robotern greifbar. Irgendwann könnte die Logistik ganz ohne Menschen funktionieren. Ein Beispiel: Der intelligente Kühlschrank eines Verbrauchers stellt fest, dass das Bier zur Neige geht. Der Kühlschrank bestellt deshalb automatisch Nachschub bei einem Lieferanten. Der Auftrag geht bei einem Roboter ein, der umgehend eine Lieferung verpackt, in einer Drohne oder einem selbstfahrenden Fahrzeug platziert und zum Kunden schickt. Noch ist dies eine Zukunftsvision. Diese kann jedoch schon bald wahr werden.

Künstliche Intelligenz (KI)

Künstliche Intelligenz ist ein wesentlicher Bestandteil der Industrie 4.0. Während in manchen Science-Fiction Filmen künstliche Intelligenz als Herrschaftsinstrument der Maschinen über die Menschen herbeifantasiert wird, geht es in der Wirtschaft um etwas ganz anderes. Künstliche Intelligenz bezeichnet im Kontext der Industrie zumeist Machine Learning.

Das Potenzial ist groß. Davon geht jedenfalls das Beratungsunternehmen McKinsey aus. Durch KI kann demnach das Bruttoinlandprodukt Deutschlands bis zum Jahr 2030 um 160 Milliarden EUR höher ausfallen. KI ist allerdings kein neues Thema. Bereits 1997 besiegte ein von IBM entwickelter Computer den amtierenden Schachweltmeister Garry Kasparow in seiner Königsdisziplin. Im Januar 2017 schlug die KI Libratus vier der besten Pokerspieler der Welt.

Künstliche Intelligenz kann in der Industrie an sehr vielen unterschiedlichen Stellen zum Einsatz kommen. Der Einsatz ist insbesondere dort denkbar, wo die Auswertung von großen Datenmengen wirtschaftliche Vorteile verspricht. Ein Beispiel: Lässt sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Wetter und der Nachfrage nach einem bestimmten Produkt herstellen, könnte KI dies nutzen und automatisch den Produktionsprozess in einer Smart Factory anpassen. Neben dem Wetter sind dabei zahllose andere Variablen denkbar: Konjunktur, Auftragseingänge, Google Anfragen nach einem bestimmten keyword, Verkehrsaufkommen etc.

KI integriert Roboter. Dies betrifft Industrieroboter, fahrerlose Autos, mobile Roboter, Software und mehr. Im Kern geht es darum, dass KI aufgrund von Daten erkennt, was gerade benötigt wird und zugleich den Produktionsprozess in die Wege geleitet.

Smart Factory

Smarte Fabriken sind letztlich das Endprodukt der Industrie 4.0. Im besten und bis jetzt noch visionären Fall stehen eines Tages Fabriken in der Landschaft, die alles produzieren, was die Menschen benötigen. Autos, Textilien, Nahrungsmittel, Einrichtungsgegenstände, Unterhaltungsdienstleistungen: Alles könnte eines Tages durch mit Künstlicher Intelligenz optimierte Roboter hergestellt und auf demselben Wege an die Menschen ausgeliefert werden.

In der Smart Factory der Gegenwart sind Menschen, Maschinen und Ressourcen miteinander vernetzt. Kommuniziert wird über NFC Chips, die Cloud oder das Internet der Fabrik. Ein Beispiel: Ein Roboter wird in der Produktion eingesetzt. Er besitzt die Fähigkeit zur Diagnose und Reparatur auf den unteren Leveln. Der Roboter erkennt, wenn an ihm selbst ein Defekt vorliegt und kann diesen beheben. Entsteht ein komplexeres Problem, das der Roboter nicht selbst lösen kann, informiert er einen menschlichen Mitarbeiter. Verwendet ein Roboter bei der Produktion Ressourcen, meldet er dies direkt an das Rohstofflager. Dieses bestellt bei Bedarf automatisch Nachschub. Fällt ein Roboter in der Produktionskette aus, organisieren sich die anderen Roboter autonom neu.

In die Smart Factory der Zukunft werden große Hoffnungen gesetzt. Im besten Fall können Kunden auch Einzelstücke kostengünstig fertigen lassen. Unternehmen können Kosten sparen und Ressourcen effizienter einsetzen. Außerdem können Unternehmen flexibel auf Änderungen der Nachfrage reagieren.

Der Status Quo der Smart Factory: Daten, Zahlen, Fakten

Wie weit ist die Smart Factory schon fortgeschritten? Für das Jahr 2018 geht der Branchenverband Bitkom von einem Umsatz in Höhe von 7,2 Milliarden EUR bei industrieverbundenen Lösungen aus. Im Vergleich zum Jahr 2015 entsprach dies einem Plus von 77 %. Die Smart Factory wird also dynamisch vorangetrieben.

Der Branchenverband hat eine Umfrage unter Unternehmen durchgeführt. Im Jahr 2018 waren in deutschen Industriebetrieben demnach bereits 24 % der Maschinen und Anlagen mit dem Internet verbunden. Dies gilt als Voraussetzung für smarte Maschinen. Gegenüber dem Jahr 2016 bedeutet dies einen Anstieg um 3 %. 71 % der befragten Unternehmen waren bereits im Bereich Industrie 4.0 aktiv. Dies sind sechs Prozentpunkte mehr als 2016. 49 % der Unternehmen nutzen bereits spezielle Industrie 4.0 Anwendungen.

55 % der befragten Industrieunternehmen verfügen über eine Industrie 4.0 Gesamtstrategie. Bei 42 % der Unternehmen gab es immerhin eine Strategie für einzelne Bereiche. Sehr viele Unternehmen setzen auf Plattformlösungen. 16 % der im Bereich Industrie 4.0 tätigen Unternehmen nutzen selbst programmierte IoT Plattform. Weitere 27 % nutzen IoT Plattformen externer Anbieter. Damit nutzen insgesamt 43 % solche Plattformen. Weitere 18 % planen eine solche Nutzung und weitere 19 % diskutieren zumindest Nutzungsmöglichkeiten. IoT Plattformen waren der Studie zufolge somit für vier von fünf Industriebetrieben in Deutschland relevant.

Smart Factory und der Mittelstand: Diese Probleme sind typisch

Gleichwohl sind noch eine Menge Probleme zu lösen. Dies betrifft zum Beispiel die Anforderungen an Datenschutz und Datensicherheit. Wie in anderen Bereichen leiden zudem viele Unternehmen unter dem Fachkräftemangel. Nicht zuletzt ist die Konjunktur in den vergangenen Jahren stets gut gelaufen. Auch dies dämpft die Dynamik bei Innovationsprozessen erfahrungsgemäß. Die meisten Unternehmen sehen die größten Anreize für Digitalisierungsprozesse bei Prozessoptimierungen. Es geht weniger darum, akute Probleme auf der Kostenseite oder einen Auftragsmangel zu bewältigen. Ein Problem aus Sicht vieler Unternehmen ist das Risiko, zu früh zu investieren und die Investitionen zu verlieren. Der Hintergrund: Bei vielen Prozessen setzen sich irgendwann Standardlösungen durch. Unternehmen, die jetzt viel Geld in eigene Lösungen investieren, haben vermutlich das Nachsehen.

Oft fehlt eine ganzheitliche Strategie zur Smart Factory

Vielen Unternehmen fehlt es an einer ganzheitlichen Strategie. Oft wird lediglich über Prozessoptimierungen in einzelnen Bereichen nachgedacht. Langfristig aber, da sind sich Experten sicher, wird Digitalisierung alle Bereiche eines Unternehmens betreffen. Insbesondere werden alle Bereiche eines Unternehmens miteinander vernetzt sein. Ein Beispiel dafür ist der Roboter, der eine Schraube aus dem Warenlager nimmt, diese verschraubt und anschließend eine Nachricht an das Rohstofflager sowie an die Buchhaltung schickt.

Vielen KMUs fällt die Umsetzung schwer

Gerade vielen KMUs fällt die konkrete Umsetzung von Digitalisierungsprojekten schwer. Die Gründe dafür sind vielfältig. Die Angst vor zu hohen Investitionen, technische Fragen und nicht zuletzt der Fachkräftemangel stellen große Hürden dar.

Eine niedrigschwellige Möglichkeit für KMUs ist staatlich geförderte Digitalisierungsberatung. Diese gibt es für kleine und mittlere Unternehmen zahlreiche Branchen inklusive dem Handwerk. Es gibt verschiedene Förderprogramme. Das Bundesministerium für Wirtschaft hat zum Beispiel das Programm „Go digital“ aufgelegt. Dieses umfasst die Module „digitalisierte Geschäftsprozesse“, „digitale Markterschließung“ und „IT Sicherheit“. Zum Programm gehören Beratungsleistungen. Autorisierte Berater unterstützen bei Fragen rund um die Digitalisierung und helfen auch auf dem Weg zu staatlichen Fördermitteln.

Das Programm richtet sich gezielt an KMUs mit weniger als 100 Mitarbeitern und einer Jahresbilanzsumme von höchstens 20 Millionen EUR. Die autorisierten Berater müssen verschiedene Nachweise erbringen. Dazu gehört zum Beispiel die Gewähr einer wettbewerbsneutralen Beratung und ein Bezug zu kleinbetrieblicher Beratungsklientel. Außerdem müssen die Berater mit Fachhochschulen und Forschungseinrichtungen zusammenarbeiten. Gefördert werden bis zu 30 Beratertage innerhalb eines halben Jahres. Die Förderung beträgt 50 % des Tagessatzes bis maximal 1100 EUR.

Investitionen in die Industrie 4.0: Wie und wo lohnt es sich?

Welche technologischen Innovationen im Kontext von Industrie 4.0 sind besonders aussichtsreich? Wer das sicher wüsste, hätte einen wesentlichen Vorteil. Prognosen sind jedoch bekanntlich unsicher. Es gibt allerdings einige klare Trends.

Ein möglicher Ausgang der Digitalisierungsprozesse ist die Entwicklung einiger großer Betreiber von IoT Plattformen. Möglicherweise gehört die Zukunft IoT as a Service-Modellen. Schon heute gibt es zum Beispiel Software as a Service, Infrastructure as a Service und vieles mehr. Das Prinzip: ein professioneller Anbieter stellt Unternehmen eine Komplettlösung für ein Problem zur Verfügung. IoT as a Service ist ein denkbares Modell für die Zukunft. Allerdings ist der Bereich der Digitalisierung insgesamt zu groß, um sichere Prognosen zu wagen. Es gibt intelligente Vernetzung, Big Data, Augmented Reality, Cyber Physical Systems, Plug and Play und vieles mehr.

Smart Factory – welche Technologien lohnen sich für den Mittelstand?

IOTA ist ein Beispiel dafür, wie das Internet der Dinge in Zukunft aussehen könnte. Besonders bekannt ist IOTA als eine Kryptowährung. IOTA ist jedoch viel mehr. Es ist ein Distributed Ledger für das Internet der Dinge. IOTA basiert anders als zum Beispiel Bitcoin nicht auf einer Blockchain, sondern auf dem sogenannten Tangle.

IOTA will den Austausch von Daten und Transaktionen von Maschine zu Maschine ermöglichen. Wichtige Anwendungsbereiche sind Mobilität, Energie, Smart Citys und Infrastruktur. Ein Beispiel für den Einsatz von IOTA in der Infrastruktur sind Smart Grids. In Zukunft könnten Strom- und Wasserrechnungen nicht automatisch erstellt, sondern auch genauso automatisch bezahlt werden. Eine wichtige Eigenschaft des IOTA Netzwerks ist dabei, dass Transaktionen vollkommen kostenlos sind.

Ein Beispiel: Elektroautos könnten nicht nur selbstständig an die Ladesäule fahren, sondern dort auch den Strom bezahlen. IOTA ist auch eine mögliche Lösung für das weiter oben beschriebene Problem: Der Kühlschrank könnte seinen Inhalt bestellen und direkt beim Lieferantenroboter bezahlen. Kurzum: IOTA könnte die technische Lösung für eine Maschinenwirtschaft der Zukunft sein.

Zum Teil sind die Anwendungsfälle sehr gut greifbar. So sollen Maschinen bestimmte Ressourcen (wie zum Beispiel Rechenleistung, Speicher, Elektrizität, Bandbreite etc.) untereinander handeln. Dritte sollen daran gar nicht beteiligt sein. So könnte zum Beispiel der eigene Computer dem Nachbarn Rechenleistung zur Verfügung stellen, wenn er selbst gerade nicht benutzt wird. Der Nachbar wiederum könnte zu einem anderen Zeitpunkt Strom aus der Solaranlage liefern.

Finanzierungsmöglichkeiten

Welche Finanzierungsmöglichkeiten gibt es für KMUs im Bereich Digitalisierung? Der Staat hat die Bedeutung der Digitalisierung erkannt und (auch mangels Erfolgen in wichtigen Bereichen wie zum Beispiel dem Netzausbau) Förderprogramme aufgelegt. Ein Beispiel dafür ist der Digitalkredit der LfA Förderbank Bayern. Über das Programm gibt es zinsverbilligte Kredite und Zuschüsse bis zu 50.000 EUR. Förderfähig sind Lizenz- und Systemservicekosten, Leistungen externer Dienstleister, Webseitenoptimierungen, der Aufbau eines zertifizierten IT Sicherheitsmanagements und ähnliche Maßnahmen.

Mögliche Anwendungsbereiche sind zum Beispiel die Einführung von ERP-Systemen oder von Zeiterfassung, die Vernetzung von Maschinenparks, Dokumentenmanagementsysteme etc. Nur Standard Hardware, Standard Hardware und Standard Webseiten sind nicht förderfähig. Einen Darlehensmindestbetrag gibt es nicht. Der  Mindestbetrag eines Vorhabens beläuft sich auf 25.000 EUR. Maximal sind mit dem Kredit 2 Million EUR finanzierbar – bei 100 % Finanzierung. Es gibt feste Zinssätze und tilgungsfreie Anlaufzeiten. Die Anträge können zum Beispiel bei Sparkassen gestellt werden.

Fazit zur Bedeutung der Smart Factory

Die Smart Factory wird Wirklichkeit. In Zukunft könnten Produktionsprozesse in weiten Teilen ohne Menschen ablaufen. Bis es soweit ist, müssen jedoch noch viele Hürden genommen werden. Gerade KMUs tun sich bei der Nutzung der Potenziale der Digitalisierung noch schwer. Für Investitionen in Robotic, KI und Co. gibt es jedoch häufig staatliche Unterstützung in Form von Krediten und Zuschüssen. Diese sollten ebenso genutzt werden staatlich geförderte Digitalisierungsberatung.