Digitalisierung der Wertschöpfungskette – Chance für den Produktionsstandort Schweiz

Mit fortschreitender Digitalisierung verlagern sich Geschäftsprozesse ins Internet und kundenindividuelle Produktkonfigurationen sollen möglichst hochautomatisiert produziert werden. Solche Mass Customization Szenarien erfordern durchgängig digitalisierte Engineering- und Produktionsprozesse, womit die digitale Maturität zum zentralen Wettbewerbsfaktor wird.

Seit Beginn der industriellen Revolution wurde die Herstellung von Produkten stetig weiterentwickelt, um über Technologieinnovationen oder neue Management Strategien die Produktivität zu steigern. Die Spezialisierung des Taylorismus und die arbeitsteilige Zusammenarbeit in Unternehmen stellen bis heute ein grundlegendes Arbeitsprinzip dar, deren Koordination über IT-gestützte Methoden immer weiter optimiert wird.  Mit Lean Production-Strategien wurde die Spezialisierung auf Zulieferer übertragen, um mittels Outsourcing die Fertigungstiefe im Unternehmen zu verringern. Im nächsten Schritt wurden OEM-Supplier Prozessketten globalisiert, um über Offshoring lohnintensive Tätigkeiten in Niedriglohnländer (sog. LCC’s, Low Cost Countries) zu verlagern, um die Produktkosten weiter zu senken. Im Zuge der Globalisierung hat sich eine zunehmende internationale Verflechtung entwickelt, indem zunächst etablierte Unternehmen in den USA, Europa und Japan mit dem Export in neue Märkte begonnen haben. In der Folge wurde dies auch umgekehrt praktiziert, was zu einem zunehmenden Wettbewerbsdruck geführt hat. Aufgrund spezifischer Randbedingungen und unterschiedlicher regulativer Gesetzmässigkeiten in den Ländern haben die Unternehmen globale Innovationsnetzwerke etabliert, um Produktplattformen zu entwickeln, die spezifische lokale Varianten ermöglichen. Hierbei wird die Kompetenz zum grundlegenden Technologieprozess (z.B. „Erhitzen“ bei einem Herd oder „Befördern“ bei einem Auto) immer weiter optimiert, um die Innovationsfähigkeit zu steigern für lokale Produktvarianten zu spezifischen Bedürfnissen (z.B. Induktions- bzw. Elektroherd in Europa versus Gas in Asien oder Pick-Up‘s in USA versus Kleinwagen in Asien). Hieraus folgt eine steigende Variabilität und Modellvielfalt bei gleichzeitig sich verringernden Produktlebenszyklen. Zielsetzung von digitalen Produkten und Prozessen mit Industrie 4.0 ist daher, mit Hilfe von Automatisierung und Flexibilisierung individuelle Kundenprodukte zum Preis von Standardprodukten anbieten zu können.

Von der industriellen Revolution zur Digitalisierung mit Industrie 4.0

Hoffnungsträger Digitalisierung

Mit dem Einzug des Internet hat sich unsere Geschäftswelt massgeblich verändert. Kunden werden künftig in einem Sales Configurator Produkte konfigurieren, die bisher noch nicht bestellt wurden, aber möglichst hochautomatisiert und effizient in entfernten Fabriken produziert werden sollen. Das Internet bringt somit Mass Customization in die Fabriken, die immer weniger auf Lager produzieren können, sondern auf ein Build-to-Order Prinzip auszurichten sind, um individuelle Kundenprodukte mit kurzen Lieferzeiten zu produzieren.

Der grosse Hoffnungsträger für diese Anforderungen ist die Digitalisierung. In der Produktentwicklung werden leistungsfähige CAx-Technologien eingesetzt, die nicht nur die Produktgeometrie abbilden, sondern auch das mechatronische Verhalten. Der Anteil von Software und Elektronik an der Produktdefinition nimmt stetig zu und liegt branchenübergreifend bereits über 50%. Zur Handhabung der zunehmenden Produktkomplexität werden PLM-Plattformen eingesetzt, welche die technischen Prozesse entlang der Wertschöpfungskette integrativ unterstützen. Hierzu zählen bei cyber-physischen Systemen neben den physischen Komponenten aus der Mechanik und Elektronik auch intelligente Komponenten mit Software (Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren, Analytik) sowie die Datenverbindung (Connectivity, z.B. in eine Cloud). Hauptfokus von Digitalisierungsstrategien ist die Prozessintegration über sämtliche Ingenieursdisziplinen (Mechanik, Elektrik/Elektronik, Software, etc.) und Lebenslaufphasen (von der Idee bis zum Service) zum Aufbau eines vollständigen digitalen Produktabbildes. Häufig wird nicht nur ein „Digitaler Master“ benötigt, um Produkte IT-gestützt zu produzieren, sondern ein sogenannter „Digitaler Zwilling“ als digitale Repräsentation für eine reale Produktinstanz. Veränderungen am realen Produkt können am digitalen Zwilling sichtbar gemacht oder auch über diesen getriggert werden und für Analysen und Simulationen kann der digitale Zwilling unterschiedliche Zustände annehmen. Unternehmen mit hoher digitaler Maturität in diesem Bereich können leistungsfähigere digitale Produkteigenschaften entwickeln.

Infolge der grösseren Produktvariabilität bei gleichzeitig kürzeren Lebenszyklen und dem starken Einfluss des Produktions-Engineering‘s auf die Lieferzeiten bei Build-to-Order Szenarien kommt dem Übergang zwischen Entwicklung und Produktion eine besondere Bedeutung zu. In der Regel ist die Digitalisierung im Produktions-Engineering jedoch erheblich niedriger als in Entwicklung und Produktion. Zielsetzung muss daher sein, bestehende Altlösungen mit leistungsfähigen Digital Manufacturing-Technologien (DM) zu ersetzen, die im Datenmodell neben den üblichen Produktaspekten auch die Bereiche Fertigungsprozess (Process), Fabrik (Plant) und Fertigungsressourcen (Resources) unterstützen. Mit einem „Digitalen Zwilling“ der realen Produktion lassen sich darüber hinaus Fertigungsprozesse, Produktionsabläufe und Umbauszenarien effizient und realitätsnah entwickeln sowie über Simulationen verifizieren, ohne die laufende Produktion zu beeinträchtigen.

Von zentraler Bedeutung ist eine durchgängige Prozessunterstützung, wozu insbesondere die Integration von technischer und betriebswirtschaftlicher IT zählt. Build-to-Order Prozesse mit grosser Variantenvielfalt und der Trend zur Losgrösse 1 erfordern zwingend Systemschnittstellen anstelle manueller Datentransfers, insbesondere zwischen PLM und ERP. Grundsätzlich sollten IT-Bebauungen überprüft werden, ob Applikationsbereiche mit neuen Technologien optimiert oder zusammengefasst werden können. Wichtige Fragestellungen sind beispielsweise, ob die bestehenden Applikationen noch ausreichend sind oder ob z.B. der AVOR-Bereich in die PLM-Plattform integriert werden soll, um das flexible Konfigurationsmanagement gleichermassen auf Produktstrukturen und Arbeitspläne anzuwenden. Basis für die Digitalisierung im Kontext von Industrie 4.0 sind somit das Digitale Produkt und die Digitale Fabrik in den Backbone-Systemen (PLM, ERP, MES), um die vielfältigen Prozesse und Disziplinen effizient zu unterstützen.

Die Digitalisierung verändert unsere Geschäftswelt

Nutzenpotentiale der Digitalisierung

Die Nutzenpotentiale der Digitalisierung mit Industrie 4.0 liegen auf der Hand, Unternehmen können damit primär Ihre Flexibilität erhöhen, die Durchlaufzeiten verkürzen sowie Ihre Effizienz und Qualität verbessern. Aber wo ist dieser Nutzen am grössten bzw. wie kann man einen möglichst grossen Nutzen daraus ziehen?

Grundsätzlich bietet die Digitalisierung vielerorts Vorteile, der grösste Handlungsbedarf liegt jedoch bei Unternehmen mit grosser Variabilität und kundenindividuellen Produkten, die zuerst über eine Bestellung spezifiziert werden, bevor kundenauftragsbezogene Prozessanteile initiiert werden können. Je früher im Wertschöpfungsprozess der Kundeneinfluss zugelassen wird, d.h. je früher der Übergang von Prognose-getriebenen zu Auftrags-getriebenen Prozessanteilen erfolgt, desto grösser ist der Bedarf an Digitalisierung. Folglich besteht das grösste Nutzenpotential bei einer Configure-to-Order (CTO) oder Engineer-to-Order (ETO) Prozesscharakteristik.

Resümee

Mit entsprechender Digitalisierung lässt sich auch bei grösserer Produktvariabilität eine höhere Automatisierung erreichen, was die Kostenstrukturen deutlich verbessert. Eine höhere Digitalisierung und Automatisierung wirken somit dem Druck zum Offshoring in Niedriglohnländer entgegen und bieten gleichzeitig Vorteile bei der Qualität. Im Online-Handel und bei den Paketfabriken kommt hinzu, dass die Erwartungshaltung der Käuferschaft stetig zunimmt und der Trend zu immer kürzeren Lieferzeiten geht. In diversen Ballungszentren der USA wird anstelle des geläufigen „heute bestellt, morgen geliefert“ bereits ein „same day delivery“ angeboten und mancherorts zielen Dienstleister schon auf eine Lieferung innert 90 Minuten ab. Infolgedessen ist die Digitalisierung eine grosse Chance für den Produktionsstandort Schweiz, die Wettbewerbsfähigkeit zu steigern und ggf. ausgelagerte Produktionsbereiche wieder zurückzuholen.

Autor: Dr. Robert Montau
Dozent für Smart Engineering & Process Management im Studiengang MAS Industrie 4.0 an der Fernfachhochschule Schweiz (FFHS)

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