Industrie 4.0 als unternehmerische Gestaltungsaufgabe

Das Schlagwort „Industrie 4.0“ dient gegenwärtig dazu, das Bild einer sich anbahnenden vierten industriellen Revolution zu zeichnen. Kennzeichnend für die bisherigen industriellen Revolutionen waren technologische Innovationen als auslösendes Moment: 1) die Mechanisierung durch Ersatz von Muskelkraft durch Wasserkraft und Dampf, 2) die Automatisierung durch Einsatz elektrischer Energie und Arbeitsteilung und 3) die Digitalisierung durch Einsatz programmierbarer Maschinensteuerungen zur weitgehenden Automatisierung und Standardisierung weiter Bereiche der Fertigung, aber auch vieler administrativer Prozesse mit Hilfe von IT. Den Kern der nunmehr ausgerufenen vierten industriellen Revolution stellt nach den bisherigen Stufen Mechanisierung, Automatisierung und Digitalisierung nun 4) die Vernetzung von industrieller Infrastruktur (Maschinen, Werkstücke, Produkte und Menschen) im Bereich der industriellen Produktion mittels sog. Cyber-Physischer Systeme (CPS) dar.

Der Terminus Industrie 4.0 (I4.0) ist aus einer Arbeitsgruppe der Forschungsunion zur Erarbeitung der Vision einer zukünftigen Industriegesellschaft unter Einfluss des Internets hervorgegangen. Insbesondere ist er von den Leitern dieser Gruppe Prof. Dr. Henning Kagermann, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Wolfgang Wahlster sowie Prof. Dr. Wolf-Dieter Lukas geprägt worden.

Die anstehende vierte industrielle Revolution, auch „Industrie 4.0“ genannt, wird unser Leben und Wirtschaften nachhaltig verändern. Nach den ersten drei industriellen Revolutionen, deren jeweilige Kernelemente die Automatisierung, die Elektrifizierung, beziehungsweise die Nutzung von Informationstechnologie waren, stehen wir nun vor einem erneuten Umbruch.

Der Einsatz cyberphysischer Systeme in der Fertigungsindustrie und Logistik wirft neben vielfältigen technischen und organisatorischen Problemen auch neuartige Rechtsfragen für die beteiligten Unternehmen, ihre Mitarbeiter und Kunden auf. Diese berühren so unterschiedliche Bereiche wie das Vertrags-, Haftungs-, Datenschutz-, Arbeits- und IT-Sicherheitsrecht und sind bislang nur in Ansätzen erforscht. Der Beitrag plädiert dafür, die rechtlichen Probleme bei der Konzeption, Erforschung und Implementierung der Industrie 4.0 von Beginn an zu berücksichtigen und in die Gestaltung dieser technisch-sozialen Innovation einfließen zu lassen.

Ziel digitaler Transformation ist die Schaffung spezifischer organisatorischer Fähigkeiten mit dem Potential, das Wettbewerbsumfeld eines Unternehmens umzugestalten. Unternehmen müssen wissen, welche Fähigkeiten das sind, wie diese aufgebaut werden und wie sie sich gegenüber anderen Unternehmen hinsichtlich dieser Fähigkeiten positionieren können. Der Beitrag untersucht den theoretischen Hintergrund solcher Fähigkeiten und stellt eine erste Fähigkeitensammlung vor. Auf Basis dieser Sammlung werden Umfrageergebnisse zum Stand der digitalen Transformation vorgestellt.

Unternehmen jeder Größenordnung sind im 21. Jahrhundert einer verstärkten Marktkomplexität und Dominanz des Käufermarktes ausgesetzt. Zunehmende Tendenzen der Globalisierung und Internationalisierung haben in den letzten Jahren für Unternehmen neue Wettbewerbssituationen entstehen lassen. Konkurrenzsituationen sind nicht mehr nur regional fragmentiert vorzufinden, Unternehmen befinden sich vielmehr in einem globalen Wettstreit um Marktpositionen, Marktanteile und Marktvolumina. In der jüngeren Vergangenheit hat sich die Erzielung und Steigerung der Wertschöpfung durch das Auftreten neuer Informations- und Kommunikationstechnologien verändert. Die Sicherung der Wertschöpfung wird in den kommenden Jahren zunehmend durch technologische und digitale Entwicklungen beeinflusst werden. Seit einigen Jahren kommt eine Entwicklung hinzu, die Unternehmen vor neue und zudem vermutlich große Herausforderungen stellt – Industrie 4.0. Dieser Begriff, der nicht nur im technologischen Kontext, sondern auch in der betriebswirtschaftlichen Forschung und Praxis viel diskutiert wird, ist bis dato nicht einheitlich definiert. Auch die Frage, ob eine Gleichsetzung mit der vierten industriellen Revolution haltbar ist, lässt sich offenbar noch nicht abschließend beantworten.

„Industrie 4.0“ – propagiert als vierte industrielle Revolution – verspricht auf Basis von Cyber-Physical Systems (CPS) als neues Produktionsparadigma eine fundamentale Änderung bestehender Produktionskonzeptionen mit enormen Produktivitäts- und Kostengewinnen. Ausgelöst durch staatliche Impulse, Innovationen auf dem Informations- und Kommunikationstechnologie (ITK)-Sektor und sinkende Preise für Sensorik werden echtzeitfähige Vernetzungen von Menschen, Maschinen, Objekten und ITK-Systemen realisierbar. Dabei geht es nicht nur um eine reine technisch-funktionale Verknüpfung, sondern um „intelligente“ Verknüpfungsansätze.

Die Umsetzung von Industrie 4.0 macht ein durchgängiges Qualitätsmanagementsystem bei allen Produktionsunternehmen erforderlich. Die Nachfrage nach möglichst individuellen Produkten, zu geringen Kosten und trotzdem mit hoher Qualität bei kurzer Lieferzeit, setzt die nahtlose Kommunikation der Produktionsanlagen mit Systemen zur Produktionssteuerung (MES) voraus. Insbesondere bei Anlagenumrüstungen (retro-fit) oder beim Anlaufen neuer Anlagen, zur flexiblen Kapazitätssteuerung, wird die Zeit, aber auch die unmittelbar erzielte Produktqualität, ein entscheidender Erfolgsfaktor werden.

Industrie 4.0 zielt auf eine dezentrale, vernetzte Steuerung von Produktions­netzwerken ab. Es wird erwartet, dass autonome Einheiten, implementiert als Softwareagenten, für Produktions­planung und -steuerung in derartigen Produktionsnetzen verantwortlich sind. Dem Konzept der Digitalen Fabrik kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, da die autonomen Anwendungssysteme durch verschiedene Simulationsparadigmen mit Ent­schei­dungs­­funk­tionalität ausgestattet werden. In der Arbeit wird über Er­fahrungen beim Aufbau von diskreten Si­mu­lations­modellen für Lieferketten der Halbleiter­industrie berichtet. Eine extreme Größe, lange Durchlaufzeiten, starke stochastische Einflüsse sowie nichtlineare Fertigungsprozesse sind typisch für solche Lieferketten. Diskrete Simulation für einzelne Halbleiterfabriken im Sinne der Digitalen Fabrik stellt seit ca. 1995 eine Me­thode dar, die eine gewisse Reife erlangt hat. Im Gegensatz dazu sind relativ wenige Ansätze vorhanden, um Lieferketten der Halbleiterindustrie zu simulieren. In der Arbeit werden Reduktions­ansätze vorgestellt, die auf der detaillierten Modellierung von Eng­passmaschinengruppen basieren. Wir stellen Simulations­ergebnisse auf Basis von Referenz­modellen vor. Vergleiche der reduzierten Modelle mit de­tail­lierten Simulationsmodellen belegen die Güte der vorgeschlagenen Modellierungs­ansätze. Wir skiz­zieren Herausforderungen, die sich aus dem nichtlinearen Verhalten der Durchlaufzeiten in Situationen mit einer hohen Nachfrage ergeben. Weitere visionäre und langfristige Ziele ergeben sich aus der Etablierung einer vollständig virtuellen Lieferkette.

Die Datenverarbeitung in der Industrie 4.0 erreicht bisher nicht gekannte Dimensionen – und zwar sowohl hinsichtlich personenbezogenen als auch hinsichtlich unternehmensbezogenen Daten. Mit der schieren Menge der Daten ergeben sich neue Möglichkeiten, diese Daten miteinander zu verknüpfen und aus ihnen Erkenntnisse zu gewinnen, die sie in ihrem ursprünglichen Kontext nicht aufgewiesen haben. Damit steigt nicht nur die Menge der Daten, sondern auch die potentielle Aussagekraft jedes einzelnen Datums. Dieses Problem wird zusätzlich durch die Entwicklung verschärft, dass Daten in ganzen Wertschöpfungsnetzwerken über die Grenzen des Unternehmens hinaus verarbeitet und genutzt werden.

Unter dem Stichwort „Industrie 4.0“ wird derzeit in Deutschland nicht weniger als die vierte Industrielle Revolution ausgerufen. Nach der Mechanisierung, der Automatisierung und der Digitalisierung stehe nun das Zeitalter der Vernetzung vor der Tür. Zwar war eine Vernetzung industrieller Infrastruktur schon in den 1990er Jahren mit dem Konzept des Computer-Integrated Manufacturing (CIM) angedacht. Dabei wurde eine Integration von betriebswirtschaftlichen Planungs- und Steuerungsaufgaben mit den primär technisch orientierten Aufgaben der Produktion angestrebt.

Betriebliche Informationssysteme sollen Führungskräfte auf allen hierarchischen Ebenen durch entscheidungsorientierte Informationen für das strategische und operative Management unterstützen. Wir bezeichnen betriebliche Informationssysteme als adaptive Assistenzsysteme, wenn sie den Entscheidungsträgern umfassende Informationen über bestimmte definierte Entscheidungssachverhalte liefern, indem sie an vielfältige Entscheidungssituationen schnell anpassbar und für komplexe Entscheidungsprobleme gut nutzbar sind.

Ein erklärtes Ziel von Industrie 4.0 ist es, die Produktion mit Hilfe von Cyber-physischen Systemen (CPS) zu flexibilisieren, um dadurch eine große Bandbreite individueller Produkte fertigen zu können. Dabei durchlaufen die zu fertigenden Produkte keine statischen, in Arbeitsplänen fest vorgeplanten, Produktionsprozesse mehr, sondern steuern sich selbst. Dies bedeutet, dass ein sogenanntes „Smart Product“ direkt mit den Fertigungseinheiten kommuniziert und mit diesen die einzelnen Bearbeitungsschritte vereinbart. Diese Entwicklung geht mit einem technologischen Fortschritt einher, der zu einer zunehmenden Variabilität von Fertigungseinheiten (bspw. Mehrspindelmaschinen mit Werkzeugbatterien) führt. Durch die dargestellten Veränderungen entstehen autonome und agile Fertigungsumgebungen, die wirtschaftlich kleine Losgrößen ad-hoc fertigen können.

Diese Entwicklung stellt insbesondere für die Angebotskalkulation individualisierter Produkte zunehmend ein Problem dar. Zum einen steigt der Aufwand im Kontext der Kalkulation stark an, da durch die Verkleinerung der Losgrößen die Menge der zu kalkulierenden Produkte drastisch zunimmt. Zum anderen fallen bei CPS Arbeitspläne als Kalkulationsgrundlage weg. Da die Ressourcenallokation spontan erfolgt, sind im Voraus weder die einzusetzenden Fertigungsressourcen noch die Bearbeitungs- und Durchlaufzeiten determiniert. Eine Kalkulation kann damit ex-ante nur als grobe Abschätzung erfolgen.

Dies stellt insbesondere den Vertrieb im Kontext der Angebotserstellung vor neue Herausforderungen. Ein möglicher Lösungsansatz besteht darin, auf Basis von historischen technischen Daten ähnliche Produkte automatisiert zu identifizieren sowie deren technische Eigenschaften (Merkmale) ex-post anhand einer automatisierten Nachkalkulation zu bepreisen. Für neue Produkte kann damit eine ex-ante Kalkulation als Summe der Kosten der im Produkt enthaltenen technischen Merkmale erfolgen. Der vorliegende Beitrag stellt hierfür ein Konzept auf Basis etablierter Business-Intelligence-Infrastrukturen vor.

Im Zuge der stetigen Weiterentwicklung industrieller Produktionsverfahren von der Maschinenkraft über die Massenfertigung mit Hilfe von Fließbändern und den Einsatz von Digitalcomputern bis hin zur digital vernetzten Fabrik („Smart Factory“), die derzeit unter dem Schlagwort „Industrie 4.0“ diskutiert wird, nimmt auch die Komplexität in der Fertigung ständig zu, ganz ähnlich der Entropie in einem geschlossenen System.

Industrie 4.0, die auf das Internet und auf autonom agierende Betriebstechnik basierende Fertigung, nimmt immer konkretere Züge an. Sowohl die Praxis als auch die Betriebswirtschaft widmen sich verstärkt der Frage, wie Unternehmen das Potenzial von Industrie 4.0 bestmöglich ausschöpfen können. Dabei werden vor allem die unmittelbar von Industrie 4.0 betroffenen Sachfunktionen wie Produktion, Logistik und Informationstechnik (IT) fokussiert. Jüngst wurde jedoch darauf hingewiesen, dass sich die Auswirkungen von Industrie 4.0 nicht auf diese Bereiche beschränken werden.

Gegenwärtige Trends in der Produktion sowie technische Entwicklungen wirken als wesentliche Wandlungstreiber auf die Rahmenbedingungen in der Fertigungsindustrie. Die sich damit ändernden Anforderungen an die Mitarbeiter bezüglich des Umgangs mit neuen Technologien (im Speziellen die Produktionsmitarbeiter) sowie deren Qualifikations- und Kompetenzprofile können eine wesentliche Hürde für den erfolgreichen Transformationsprozess darstellen. Aus diesem Grund sind Integration, Motivation und Partizipation der Mitarbeiter in diesem Wandlungsprozess von enormer Bedeutung.

Dieser Beitrag diskutiert den Akzeptanzprozess während und nach der Einführung neuer Technologien, Aufgaben und Prozesse im Zuge des Transformationsprozesses gegenwärtiger Fabriken zu Fabriken der Zukunft. Zur Beschreibung dieser Transformation werden zu Anfang die Begriffe Akzeptanz, unternehmerische Innovation und Wandel definiert sowie deren theoretische Beziehung dargestellt, um einen spezifischen Rahmen für den Transformationsprozess zu generieren. Den Kern dieses Beitrags bilden erste theoretische Ergebnisse zur Mitarbeiterakzeptanz in Form eines Vorgehensmodells zur Begleitung des Wandels und zur Messung der Mitarbeiterakzeptanz im Paradigma der Industrie 4.0-Fabrik.

Industrie 4.0 ist häufig durch Schlagworte wie „Internet der Dinge“, „Smart Factory“ oder „selbstdenkende Produktion“ (etwa Köhler 2014 oder Obermaier 2015) charakterisiert worden. Dadurch wird umrissen, worin die Revolution bestehen soll: Automatisierung und Vernetzung soll hier noch einen Schritt weitergehen, Bauteile sollen sich selbst zusammensetzen, Materialien sollen intelligent werden und sich selbst ihre produktivste Verwendung suchen – mit anderen Worten: Die Dinge sollen beginnen selbst miteinander zu kommunizieren.