Industrie 4.0 ist vorbei, jetzt kommt die selbstfahrende Fabrik

Seit gut zehn Jahren steht „Industrie 4.0“ für die vernetzte Fabrik: Sensoren, Echtzeitdaten und Roboter, die Produktion und Lieferkette enger verzahnen. Das war ein notwendiger Schritt, aber nicht das Ziel. Die selbstfahrende Fabrik geht weiter: Sie wird nicht gebaut, sondern programmiert, sie konfiguriert sich anhand der aktuellen Bedarfe selbst und optimiert sich als Ganzes statt in Abteilungen. Dieser Beitrag ordnet ein, was Industrie 4.0 erreicht hat, was danach kommt und woran Sie erkennen, ob Ihr Werk dafür bereit ist.

Jede industrielle Revolution hat die Wertschöpfung neu verteilt

Blickt man auf die industriellen Revolutionen zurück, zeigt sich ein Muster: Getrieben war jede von ihnen durch die Steigerung der Wertschöpfung, und jede hat die Rolle des Menschen in der Fabrik neu definiert.

• Dampfmaschine. Der erste Sprung betraf die Logistik. Maschinen übernahmen den Transport von Rohstoffen, Stahlteilen und fertigen Waren, der bis dahin von Menschen, Pferdefuhrwerken und Ochsenkarren geleistet wurde. Transport wurde schneller, sicherer und bald auch günstiger.
• Serienfertigung. Mit der zweiten Revolution hielten die Maschinen in der Fertigung selbst Einzug. Henry Ford führte 1913 in Highland Park das Fließband im großen Stil ein, und der Taylorismus lieferte die Berechnungsmethoden dazu. Die Fabriken wurden vollständig neu strukturiert; die Menschen arbeiteten stationär, führten immer schneller dieselben Handgriffe aus, und mit der Routine kam die Monotonie.
• Digitalisierung. Die dritte Revolution übertrug erstmals geistige Arbeit an Maschinen. Es entstanden viele neue Tätigkeiten, aber auch neue Formen der Monotonie: die immer gleiche Auswertung in der Tabellenkalkulation, die in vielen Betrieben bis heute Alltag ist.
• Industrie 4.0. Der Begriff wurde im April 2011 von der Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft vorgestellt. Die vierte Revolution automatisiert koordinative und kommunikative Prozesse, die zuvor von Sachbearbeiterinnen und Sachbearbeitern und vom mittleren Management langsam und fehleranfällig erledigt wurden, in Echtzeit und über die Unternehmensgrenzen hinaus.

Ebenso konstant wie der Fortschritt waren die Ängste, die ihm vorausgingen. Im 19. Jahrhundert galt Bahnfahren über 50 km/h als gesundheitsgefährdend; als die Maschinen in die Fabriken kamen, fürchteten die Menschen um ihre Arbeit; dasselbe wiederholte sich mit den ersten PCs im Büro und mit dem Internet um die Jahrtausendwende. Keine dieser Ängste hat sich bewahrheitet. Verschwunden sind hingegen jene Unternehmen, die an alten Methoden festgehalten haben: die Wagner und Hufschmiede, die Mühlen, die Schreibmaschinenhersteller, zuletzt Nokia und Kodak.

Was Industrie 4.0 erreicht hat und wo es endet

Industrie 4.0 hat die Fabrik mit Sensoren, intelligenten Algorithmen und der Analyse großer Datenmengen ausgestattet. Wird in Wien ein Fahrzeug verkauft, geht die Information automatisiert an die weltweiten Zulieferbetriebe, die ihre Linien und Kapazitäten anpassen. Die Vision der Losgröße 1, der Sonderanfertigung zu den Kosten der Serienfertigung, ist in softwaregestützten Fertigungsverfahren angekommen. Evaluationen zeigen, dass die Einführung dieser Technologien die Kosten in Produktionsbetrieben um 15 bis 20 Prozent senken kann (Obermaier 2019, zitiert in „Das selbstfahrende Unternehmen“, Springer Gabler 2021).

Es hat seinen Preis: Mittelständische Unternehmen in Deutschland, Österreich und der Schweiz haben in den vergangenen Jahrzehnten sehr stark in die Produktions- und Wertschöpfungsprozesse investiert und dabei die begleitenden Geschäftsbereiche vernachlässigt. Vertrieb und Produktion planen bis heute weitgehend getrennt; die Informationen, die der Außendienst sammelt, kommen in der Fertigung nicht an.

Wichtiger noch: Industrie 4.0 optimiert innerhalb einer Struktur, die Menschen entworfen haben. Das Layout, die Reihenfolge der Arbeitsschritte, die Zuordnung der Roboter zu den Stationen, all das ist geplant, dokumentiert und wird bei Bedarf von Expertinnen und Experten umgeplant. Der programmierbare Roboterarm ist eine gute Sache, aber er steht fest an seinem Platz; bewegen müssen sich nach wie vor die Menschen. Die Technologien für eine vollständig automatisierte, „gläserne“ Fabrik liegen seit 15 bis 20 Jahren vor, wie in „Das selbstfahrende Unternehmen“ ausgeführt. Umgesetzt haben sie bisher wenige, weil die Kombination aus menschlicher Arbeitskraft und Teilautomatisierung günstiger war als der vollständige Roboterpark. Ich gehe davon aus, dass dieses Verhältnis in den kommenden Jahren kippt.

Die selbstfahrende Fabrik: programmieren statt bauen

Die selbstfahrende Fabrik ist die konsequente Weiterentwicklung von Industrie 4.0 und Digitalisierung, und sie folgt weiterhin den klassischen Prinzipien der Industrialisierung: Automatisierung, Standardisierung, Modularisierung, Spezialisierung, kontinuierliche Verbesserung. Neu ist, wer die Fabrik steuert. Ehemals isolierte Fertigungseinheiten und linear organisierte Prozesse werden zu ganzheitlich vernetzten, mehrdimensionalen Funktionen, die sich mittels selbstlernender Algorithmen in Echtzeit gegenseitig hinsichtlich ihres Systemstatus optimieren. Engpässe, Stehzeiten und Wartungsintervalle werden auf ein Minimum reduziert; die Fertigungskosten beruhen im Wesentlichen auf der einmal getätigten Investition und dem laufenden Energie- und Materialaufwand, während die Personalkosten drastisch sinken.

Wie das konkret aussieht, zeigt Tesla. Während die etablierten Hersteller ihre Fertigung Schritt für Schritt auf der Grundlage bestehender Technologien anpassen, ging Tesla einen anderen Weg: keine Fabrik bauen, sondern eine Fabrik programmieren. Der Grundgedanke ist einfach: Was einmal programmiert ist, lässt sich leicht verändern. So wie das Fahrwerk des Fahrzeugs per Software-Update neu abgestimmt wird, passt sich die Gigafactory den aktuellen Bedarfen an. Die eingesetzten Robotersysteme tragen qualitative wie quantitative Veränderungen mit, stellen sich auf steigende Absätze ein, und die Fabrik skaliert damit wie ein reines Software-Start-up. Und weil das Prinzip programmiert ist, lässt es sich kopieren: Die ab 2014 in Nevada errichtete Gigafactory hat Nachfolger in Shanghai, in Grünheide bei Berlin und in Texas erhalten; die beiden letztgenannten wurden in diesem Jahr eröffnet.

Eine Fabrik, die programmiert statt gebaut wird, lässt sich verändern wie Software und kopieren wie ein Bauplan.

Der anfangs belächelte Ansatz setzt die großen Autobauer heute erheblich unter Druck. Das ist keine Frage der Branche, sondern der Architektur: Jedes Industrieunternehmen kann seine Fertigung als programmierbares System entwerfen.

Drei Bausteine der selbstfahrenden Fabrik

Flexible Robotik statt stationärer Arme

In den meisten Fabriken arbeitet heute eine Vielzahl einzelner programmierbarer Roboter, jeder an seiner Station. In der selbstfahrenden Fabrik wird die gesamte physische Arbeit von standardisierten, hochflexiblen und miteinander vernetzten Robotersystemen ausgeführt. Algorithmen konfigurieren und programmieren die Fabrik aufgrund der aktuellen Erfordernisse laufend neu; die Roboter kommen dort zum Einsatz, wo sie gerade gebraucht werden. Damit wird die Fabrik als Ganzes zu einem programmierbaren Objekt.

Digitale Zwillinge schließen die Lücke zwischen real und virtuell

Wie die einzelnen Arbeitsschritte aussehen, wird ebenfalls automatisiert aufbereitet, etwa mittels digitaler Zwillinge. Der digitale Zwilling ist die virtuelle Replikation eines physischen Objekts; den Begriff prägte Michael Grieves 2002. Sensoren am realen Objekt liefern Daten in Echtzeit an die virtuelle Kopie, wo sie analysiert und simuliert werden. Ein Wartungsvorgang an einer Maschine wird so erfasst und sofort digital verfügbar; Herstellungs-, Wartungs- und Instandhaltungsprozesse lassen sich am Zwilling verbessern, bevor jemand die reale Anlage anfasst. Wo früher Beobachtung und Stoppuhr die Grundlage jeder Verbesserung waren, liegt heute alles in Datenform vor. Mit wachsender Rechnerleistung werden immer mehr Funktionen der programmierbaren Fabrik auf solchen Replikaten aufbauen.

Das Lager, das sich selbst verwaltet

Automatische Lagersysteme funktionieren im Prinzip wie Roboter: Ein-, Aus- und Umlagern erfolgen selbstständig, die Ware kommt zur Kommissionierung, nicht umgekehrt. Gegenüber dem traditionellen Lager brauchen sie weniger Fläche, sparen Energie, verkürzen die Wege, weil die Algorithmen laufend die günstigste Gesamtlösung berechnen, und bieten kürzere Zugriffszeiten bei integrierter Materialflusssteuerung. Die Lagerverwaltungssoftware ist dabei das Steuerzentrum: Sie steuert Bestände und Materialfluss, löst Bestellungen automatisch aus und stellt dem Controlling durch die laufende Inventur jederzeit aktuelle Daten bereit. Verknüpft mit externen Daten und Prognosen weiß die selbstfahrende Fabrik, was verkauft wurde und welche Bedarfe in der nächsten Periode zu erwarten sind. Das Management legt fest, ab welcher Abweichung Hinweis- oder Warnmeldungen ausgelöst werden, und greift nur dann ein.

Das Gesamtoptimum statt der Summe der Abteilungsoptima

Was die Fabrik so deutlich zeigt, gilt für das gesamte selbstfahrende Unternehmen: Starre Grenzen werden zugunsten eines hybriden, transparenten und in Echtzeit anpassbaren Gesamtorganismus aufgebrochen, der mit allen relevanten Akteuren vernetzt ist. Die Interaktion wird umso besser, je mehr Partner und Lieferanten ebenfalls selbstfahrend organisiert sind.

Die Erfahrung aus analogen Betrieben zeigt, warum das nötig ist. Entgegen dem Gesamtoptimum tendieren Abteilungen dazu, nur ihr eigenes Optimum anzustreben. Die Gründe sind zutiefst menschlich: Ehrgeiz, Profilierung, Macht- und Karrierestreben, Engstirnigkeit. Sie führen zu Konflikten, unzureichender Kommunikation und dem Zurückhalten wertvoller Informationen. Die selbstfahrende Fabrik bietet die Chance völliger Transparenz: Die Daten aller Bereiche werden laufend ausgewertet und tragen unternehmensweit zu optimierten Funktionen bei. Die Menschen werden dabei von monotonen, ermüdenden Tätigkeiten entlastet, nach den Fließbandarbeiterinnen und Fließbandarbeitern und den Sachbearbeiterinnen und Sachbearbeitern nun auch die Lagermitarbeiterinnen und Lagermitarbeiter, und können sich empathischen, kreativen und steuernden Aufgaben widmen. Forschung und Entwicklung bleiben eine Domäne der Menschen, versorgt mit Informationen aus der Fertigung, den Kundenkanälen und den Partnerorganisationen in einer Menge und Qualität, die kein analog organisierter Betrieb erreicht.

Was das für Industrieunternehmen heute bedeutet

Die selbstfahrende Fabrik ist kein Projekt, das man beauftragt, sondern eine Architekturentscheidung, die sich über Jahre auszahlt. Aus unseren Projekten in der produzierenden Industrie sehen wir vier Voraussetzungen:

1. Durchgängige Daten von Vertrieb bis Fertigung. Der Forecast des Vertriebs und die Planung der Produktion gehören in ein System. Hochgradig digitalisierte Unternehmen verschicken heute schon genau kalkulierte Mengen in die Regionen, in denen sie voraussichtlich abgesetzt werden.
2. Algorithmen statt Prozesse. Wer Abläufe weiterhin als starre Prozesskette modelliert, kann sie nicht laufend neu konfigurieren. Warum das selbstfahrende Unternehmen auf Algorithmen statt auf End-to-End-Prozesse baut, habe ich im Beitrag Das Ende der Prozesse, hoch leben die Algorithmen beschrieben.
3. Eine Softwarearchitektur, die Fertigung und Geschäftsprozesse verbindet. Die Fabrik ist nur so programmierbar wie die Systeme, an die sie angebunden ist. Die Grundlagen dafür stehen im Beitrag Enterprise Architecture für selbstfahrende Unternehmen.
4. Programmierbarkeit als Investitionskriterium. Jede Anlage, jedes Lagersystem und jede Softwarelösung, die heute beschafft wird, sollte danach bewertet werden, ob sie sich per Software umkonfigurieren lässt oder ob jede Änderung einen Umbau erfordert.

Wer diese vier Punkte ernst nimmt, ist auf dem Weg. Die Neustrukturierung, die das erfordert, ist grundlegend. Aber die Unternehmen, die sie zulassen, werden die Gewinner der nächsten Dekade sein, so wie die Dampflokomotive, die Serienfertigung und der PC jene belohnt haben, die bereit waren, in neue Technologien zu investieren.

Der nächste Schritt

Die selbstfahrende Fabrik ist ein Kapitel der Vision, die ich in „Das selbstfahrende Unternehmen“ (Springer Gabler 2021) beschrieben habe. Eine Übersicht über das Buch finden Sie in der Zusammenfassung des Buchs und auf der Seite Zum Buch. Wenn Sie prüfen möchten, wie weit Ihr Werk von einer programmierbaren Fabrik entfernt ist, buchen Sie ein Expertengespräch.