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Industrie 4.0
Die erste industrielle Revolution bestand in der Mechanisierung mittels Wasser- und Dampfkraft; darauf folgte · die zweite industrielle Revolution, geprägt durch …
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Grundidee und Einordnung
Industrie 4.0 bezeichnet Projekte zur umfassenden Digitalisierung der industriellen Produktion. Das Konzept geht auf die Forschungsunion der deutschen Bundesregierung und ein gleichnamiges Projekt in der Hightech-Strategie der Bundesregierung zurück. Es soll Produktionstechnologien mit Informationstechnik verbinden, damit Maschinen, Anlagen, Produkte und Menschen digital vernetzt arbeiten können.
Der Ausdruck soll eine „vierte industrielle Revolution“ bezeichnen. Die erste industrielle Revolution beruhte auf Mechanisierung mit Wasser- und Dampfkraft, die zweite auf Massenfertigung mit Fließbändern und elektrischer Energie, die dritte auf Elektronik und IT zur Automatisierung der Produktion, vor allem durch speicherprogrammierbare Steuerungen und CNC-Maschinen. Die Schreibweise „4.0“ nimmt Bezug auf Versionsnummern bei Software.
Die Bezeichnung ist umstritten. Kritiker bemängeln, dass der Begriff eine Revolution behaupte, bevor ein entsprechender technologischer und gesellschaftlicher Wandel stattgefunden habe. Da die technologische Grundlage weiterhin die Mikroelektronik ist, sprechen Henning Kagermann, Wolfgang Wahlster und Hartmut Hirsch-Kreinsen eher von einer „zweiten Phase der Digitalisierung“.
Gestaltungsprinzipien
Industrie 4.0 wird als Organisationsgestaltungskonzept beschrieben. Es beruht auf vier grundlegenden Prinzipien:
- Vernetzung: Maschinen, Geräte, Sensoren und Menschen sollen über das Internet der Dinge oder das Internet der Menschen miteinander verbunden werden.
- Informationstransparenz: Sensordaten sollen digitale Fabrikmodelle erweitern. Dadurch entsteht ein virtuelles Abbild der realen Welt.
- Technische Assistenz: Assistenzsysteme sollen Menschen durch aggregierte, visualisierte und verständliche Informationen unterstützen. So sollen Entscheidungen fundierter getroffen und Probleme schneller gelöst werden.
- Dezentrale Entscheidungen: Cyberphysische Systeme, also verbundene Systeme aus Software, Sensorik und physischen Maschinen, sollen möglichst selbstständig Entscheidungen treffen und Aufgaben autonom erledigen. Nur bei Störungen oder Zielkonflikten sollen sie Aufgaben an eine höhere Instanz weitergeben. Der passende Grad an Autonomie hängt von verschiedenen Faktoren ab.
Zentrale Technologien
Künstliche Intelligenz, kurz KI, gilt als ein zentraler Enabler von Industrie 4.0. Sie verarbeitet Daten aus vernetzten Produktionsanlagen, automatisiert Entscheidungen, optimiert Prozesse und ermöglicht neue Formen der Mensch-Maschine-Interaktion. Typische Anwendungen sind vorausschauende Instandhaltung, Qualitätsprüfung mit Bildverarbeitung und Computer Vision, Produktionsplanung und -steuerung, digitale Zwillinge sowie die Zusammenarbeit zwischen Menschen, kollaborativen Robotern und Assistenzsystemen. KI-basierte Verfahren können Effizienz- und Qualitätsgewinne, höhere Anlagenauslastung und geringere Durchlaufzeiten ermöglichen. Herausforderungen bestehen bei Datengovernance, Interoperabilität, Erklärbarkeit und dem Übergang von Pilotprojekten in den Serienbetrieb.
Immersive Medien werden unter dem Sammelbegriff Extended Reality, kurz XR, zusammengefasst. Dazu gehören Virtual Reality, Augmented Reality und Mixed Reality. Sie verbinden physische und digitale Produktionssysteme und unterstützen Interaktion, Visualisierung und Schulung. In Deutschland wurde 2023 der Ausbildungsberuf zum Gestalter für immersive Medien eingeführt. Anwendungen sind Produktentwicklung und Prototyping, Montage, Wartung, Logistik, Schulung, Monitoring mit digitalen Zwillingen, das Industrial Metaverse und die Verbindung mit KI. Studien nennen Effizienzsteigerungen, Qualitätsverbesserungen, mehr Sicherheit sowie Zeit- und Kostenreduktionen. Hürden sind unter anderem Latenz, Standardisierung, hohe Investitionskosten, Datenschutz, Interoperabilität und die Akzeptanz schwerer oder klobiger Brillen.
Entwicklung und Akteure
Der Begriff Industrie 4.0 wurde von Henning Kagermann, Wolf-Dieter Lukas und Wolfgang Wahlster geprägt und 2011 auf der Hannovermesse öffentlich gemacht. Im Oktober 2012 wurden der Bundesregierung Umsetzungsempfehlungen übergeben. Am 14. April 2013 erschien auf der Hannover-Messe der Abschlussbericht „Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0“ des Arbeitskreises Industrie 4.0. Vorsitzende waren Siegfried Dais von der Robert Bosch GmbH und Henning Kagermann von acatech.
Die Plattform Industrie 4.0 wurde als Zusammenschluss der Branchenverbände Bitkom, VDMA und ZVEI weiter ausgebaut. Später stand sie unter Leitung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie sowie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Ihr Ziel ist es, Inhalte zu Industrie 4.0 im Dialog mit Gewerkschaften, Wirtschaftsverbänden, Unternehmen, Wissenschaft und Politik weiterzuentwickeln.
Eine Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung untersuchte zwischen 2015 und 2018 die Digitalisierung von 1.256 Unternehmen. Bewertet wurden digitales Managementsystem, drahtlose Mensch-Maschine-Interaktion und CPS-nahe Prozesse. Vor allem Betriebe, die sich bereits 2015 für Industrie 4.0 interessierten, entwickelten sich weiter. Die Zahl der „Nicht-Nutzer“ sank jedoch ebenfalls um 8 Prozentpunkte von 23 auf 15 %. Großunternehmen lagen schon 2015 vorn, doch mittelständische Unternehmen verringerten den Abstand; bei Kleinbetrieben wurde weiter Nachholbedarf gesehen.
Auch im Ausland entstanden ähnliche Initiativen. In den USA wurde im März 2014 das Industrial Internet Consortium von AT&T, Cisco, General Electric, IBM und Intel gegründet. Es wuchs bis Anfang 2016 auf über 200 Mitglieder und ist nicht nur auf Industrie beschränkt. Weitere Beispiele sind die japanische Industrial Value-Chain Initiative, chinesische Initiativen im Fünfjahresplan von 2015 im Zusammenhang mit Made in China 2025, südkoreanische Investitionen in smart factories und französische Aktivitäten unter dem Namen „Industrie du futur“.
Herausforderungen und Kritik
Industrie 4.0 bringt technische, rechtliche, soziale und ökologische Herausforderungen mit sich. Damit Mensch-Maschine- und Maschine-Maschine-Kommunikation funktioniert, müssen Standards und Normen entwickelt werden. Daten gelten bei vielen Autoren als „neuer Rohstoff“. Deshalb haben Datensicherheit und Eigentum an Daten hohe Priorität. Gleichzeitig bleiben viele rechtliche Fragen ungeklärt.
Für die Umsetzung braucht es Verständnis in der Fachwelt und gesellschaftliche Akzeptanz. Auch Aus- und Weiterbildung sind wichtige Themen. Weltweit entstehen Lernfabriken, in denen Schulungen zu Industrie 4.0 praxisnah stattfinden. Für Beschäftigte verändern sich Anforderungen, weil Echtzeitsteuerung neue Formen der Arbeitsorganisation verlangt. Betriebs- und Angriffssicherheit gewinnen ebenfalls an Bedeutung: Produktionsanlagen und Produkte dürfen keine Gefahr für Mitarbeitende und Umwelt darstellen.
Kritik richtet sich unter anderem gegen eine einseitige Konzentration auf die Smart Factory, während Veränderungen in Wertschöpfungsstrukturen weniger beachtet würden. Andreas Syska und Philippe Lièvre kritisieren die Vorstellung, eine Fabrik als nicht lineares und soziales System könne mit Algorithmen steuerbar sein. Reinhard Clemens von T-Systems meinte 2015, die Ziele der Plattform Industrie 4.0 seien wegen fehlender konkreter Ergebnisse und mangelnder Koordination verfehlt worden.
Beim Thema Nachhaltigkeit ist die Wirkung nicht eindeutig. Einerseits werden Ressourceneffizienz und Einsparpotenziale diskutiert. Andererseits befürchten Kritiker höhere Verbräuche durch große Datenmengen und kürzere Innovationszyklen. Erste wissenschaftliche Studien sehen keine prinzipiellen Auswirkungen der Industrie 4.0 auf die Gesamtenergieeffizienz des Sektors. Auch zum Klimaschutz gibt es Skepsis: Vernetzte Produktion könne Überproduktion theoretisch verhindern, dies sei aber vermutlich nur durch politische Steuerung erreichbar.
Ausblick Industrie 5.0
In der Fachliteratur wird zunehmend „Industry 5.0“ diskutiert. Dieses Konzept baut auf Industrie 4.0 auf, stellt aber menschliche Zentrierung, Nachhaltigkeit und Resilienz stärker in den Vordergrund. Künstliche Intelligenz und immersive Medien im Bereich XR gelten dabei als Schlüsseltechnologien.
KI soll Analyse-, Entscheidungs- und Optimierungsprozesse in der Produktion weitgehend automatisieren. Immersive Medien gestalten die Schnittstelle zum Menschen, zum Beispiel durch visuelle Simulationen, Schulungsumgebungen oder kollaborative Planung im Industrial Metaverse. Zusammen können sie sogenannte cyber-physische-soziale Systeme bilden, in denen Menschen, Maschinen, humanoide Roboter und digitale Zwillinge in Echtzeit zusammenarbeiten.
Erste Studien zeigen mögliche Vorteile für Effizienz, Flexibilität, Partizipation, Kreativität und Kompetenzentwicklung in industriellen Lernumgebungen. Gleichzeitig bleiben Anforderungen an Rechenleistung, Interoperabilität, Erklärbarkeit von KI-Systemen, Datenschutz und die Akzeptanz immersiver Technologien im Arbeitsalltag wichtige Herausforderungen.
