Industrie 4.0 – Digitalisierung bei Mercedes-Benz: Die nächste Stufe der industriellen Revolution

Industrie 4.0 – Digitalisierung bei Mercedes-Benz: Die nächste Stufe der industriellen Revolution

Die Automobilbranche steht vor fundamentalen Veränderungen. Neben der Elektrifizierung des Antriebsstrangs, dem autonomen Fahren und der Erschließung neuer Märkte ist vor allem die Digitalisierung Treiber dieses Wandels. Diese Verbindung von physischer und digitaler Welt wird häufig mit dem Schlagwort „Industrie 4.0“ belegt. Die Vernetzung der gesamten Wertschöpfungskette in Echtzeit ist für Mercedes-Benz heute schon mehr als eine Vision. Dabei steht der Mensch als Kunde und Mitarbeiter immer im Mittelpunkt.

„Alle großen Trends in der Automobilindustrie werden heute schon durch Digitalisierung getrieben oder treiben sie selbst voran. Unser Ziel ist es, auch bei digitalen Technologien der führende und innovativste Automobilhersteller der Welt zu sein“, sagt Dr. Dieter Zetsche, Vorsitzender des Vorstands Daimler AG und Leiter Mercedes-Benz Cars.

„Unter dem Begriff ‚Industrie 4.0‘ verstehen wir bei Mercedes-Benz die Digitalisierung der gesamten Wertschöpfungskette von der Konstruktion und Entwicklung über die Produktion, wo der Begriff seinen Ursprung hat, bis hin zu Vertrieb und Service“, erläutert Markus Schäfer, Bereichsvorstand Mercedes-Benz Cars, Produktion und Supply Chain Management, Daimler AG. „Für uns bei Daimler steht außer Frage, dass der digitale Wandel unsere Branche grundlegend verändern wird. Das gilt für die Methoden, nach denen wir unsere Fahrzeuge entwickeln, planen und bauen. Das betrifft die Art, wie wir mit unseren Kunden in Kontakt treten. Und nicht zuletzt wird der digitale Wandel an unseren Produkten selbst erfahrbar.“

Das Potenzial der digitalen Revolution ist groß: Wenn sich Mensch, Maschine und industrielle Prozesse intelligent vernetzen, können schneller individuelle Produkte in hoher Qualität entstehen. Produktions- und Herstellungskosten lassen sich wettbewerbsfähig gestalten. Flexibilität ist ein weiterer Grund, warum Mercedes-Benz den digitalen Wandel aktiv mitgestaltet: Weltweit wächst die Nachfrage nach Pkw, Nutzfahrzeugen und Mobilitätskonzepten. Zugleich werden die Anforderungen der Kunden rund um den Globus immer vielfältiger. Während Mercedes-Benz noch in den 1970er Jahren die meisten Kundenwünsche mit drei Pkw-Grundmodellen abgedeckt hat, sind es heute rund zehnmal so viele. So laufen im Werk in Sindelfingen praktisch nie zwei identische Fahrzeuge der S-Klasse vom Band. Hinzu kommt ein immer breiteres Angebot an Antriebsvarianten – neben Otto- und Dieselmotoren setzen sich Hybrid- und reine Elektroantriebe immer mehr durch.

Und die Innovationszyklen werden immer kürzer. Am Ende steht die Vision, dass sich die Automobilproduktion von der Serienherstellung zur „Losgröße 1“ wandelt – jedes Auto wird ganz nach dem individuellen Kundenwunsch gebaut.

Industrie 4.0 – Digitalisierung bei Mercedes-Benz: Die nächste Stufe der industriellen Revolution. Foto: Durch frühzeitige Verschmelzung realer und virtueller Planung lassen sich die Produktionsprozesse optimieren. So kann die Fertigungsqualität beispielsweise mit AURA (Augmented Reality Apps) auf einem mobilen Endgerät analysiert werden. Dazu erfolgt ein Soll-/Ist-Abgleich und virtuelle Bauteile werden im realen Umfeld bewertet.

Der Wandel ist in vollem Gange: Der Mobilitätsservice car2go ist mit über einer Million Nutzern das größte Carsharing-Unternehmen der Welt. Die App moovel zeigt den Nutzern, wie sich unterschiedlichste Verkehrsmittel kombinieren lassen, um optimal von A nach B zu gelangen – ob per car2go, Mitfahrgelegenheit, Taxi oder mit öffentlichen Verkehrsmitteln. All diese Services hat Mercedes-Benz unter einer Sub-Marke gebündelt: Mercedes me. Hier ist Mercedes-Benz jederzeit erreichbar. Das Spektrum reicht von der Terminvereinbarung für den Kundendienst über die individuelle Vernetzung mit seinem eigenen Fahrzeug bis hin zum Angebot von persönlich abgestimmten Finanzdienstleistungen. Zudem findet der Kunde Angebote, die weit über das Auto an sich hinausgehen, wie Lifestyle-Aktivitäten und Entertainment-Angebote.

Industrie 4.0 – Digitalisierung bei Mercedes-Benz: Die nächste Stufe der industriellen Revolution. Foto: TecFabrik Sindelfingen: Neue Produktionskonzepte und -ideen testet Mercedes-Benz in der TecFabrik. Viele Applikationen haben bereits den Weg von der Idee über das Versuchsstadium in die Serienproduktion geschafft.

„Digital Natives“ heißen Personen, die in der digitalen Welt aufgewachsen sind. Auch die künftige E-Klasse der Baureihe 213 ist ein „Digital Native“: Von der Entwicklung bis zum Vertrieb hat die Digitalisierung die Baureihe in allen Phasen und Bereichen geprägt. Digitale Lösungen wie die Vernetzung der Sicherheits- und Assistenzsysteme tragen dazu bei, dass die E-Klasse die wohl intelligenteste Limousine in ihrem Segment ist. Zahlreiche Innovationen ermöglichen es, beispielsweise auf Autobahnen und Landstraßen teilautomatisiert zu fahren und in engen Parklücken mit einer Smartphone-App ferngesteuert aus- und einzuparken. Car-to-X Kommunikation warnt frühzeitig vor Gefahren weit voraus. Moderne Funktechnik macht das Smartphone zum Fahrzeugschlüssel.

Schon zum Start der Produktion der nächsten E-Klasse kommt eine Vielzahl von Elementen aus dem Baukasten der „Smart Factory“ zur Anwendung. Dazu gehören beispielsweise:

• Augmented Reality (erweiterte Realität): Hierbei wird der reale Ist-Zustand mit dem virtuellen Soll-Zustand auf einem Bildschirm optisch überlagert. Auf einen Blick werden dabei Abweichungen sichtbar. Eingesetzt wird das Verfahren bei der Planung der Fabrik, bei der Montage-Erprobung mit virtuellen Bauteilen und bei der Herstellung der Anlagenkomponenten und Betriebsmittel sowie bei deren Inbetriebnahme
• Virtuelle Montage: Ähnlich wie eine Spielekonsole mit Bewegungssteuerung den Schwung beim Golf und die Schläge beim Tennis nachahmt, werden bei der virtuellen Montage täuschend echt Bauteile in einem Fahrzeug befestigt. Durch das Erproben mit dem Avatar können erfahrene Mitarbeiter einschätzen, wie sich die jeweilige Arbeit am besten bewerkstelligen lässt – oder ob Änderungen an der Konstruktion nötig sind.
• Digitale Prozesskette: Die Herstellbarkeit des Fahrzeugs wird bereits zu einem frühen Zeitpunkt in der Produktentstehung sichergestellt. Dies wird durch den Einsatz digitaler Methoden zur Abbildung einer digitalen Fertigungsprozesskette gewährleistet.
• 360°-Vernetzung (Rohbau): Das komplexe Geflecht von 87 Rohbau-Fertigungsanlagen mit 252 speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), 2.400 Robotern und 42 Technologien (Punktschweißen, Kleben, Laserschweißen, mechanisches Fügen etc.) der BR 213 ist durch ca. 50.000 intelligente Netzwerkteilnehmer (IP-Adressen) vernetzt.
• Mensch-Roboter-Kooperation: Bei der Kalibrierung des Head-up Displays kommt aktuell ein Leichtbauroboter auf einem Fahrwagen zum Einsatz. Er trägt die Vermessungskamera auf einem leichten GFK-Tragarm und kann so über einen einseitigen Zugang Links- und Rechtslenker vermessen. Bislang wurde die Kalibrierung durch zwei festinstallierte Roboter hinter einem Schutzzaun durchgeführt.

Industrie 4.0 – Digitalisierung bei Mercedes-Benz: Die nächste Stufe der industriellen Revolution. Foto: Ähnlich wie eine Spielekonsole mit Bewegungssteuerung den Schwung beim Golf und die Schläge beim Tennis nachahmt, werden bei der virtuellen Montage täuschend echt Bauteile in einem Fahrzeug befestigt. Durch das Erproben mit dem Avatar können erfahrene Mitarbeiter wie Jörg-Christof Schmelzer, Verfahrensentwicklung Prozesssimulation Karosserie und 3D-Absicherung, einschätzen, wie sich die jeweilige Arbeit am besten bewerkstelligen lässt.

Bei der Digitalisierung des ganzen Unternehmens bildet die Smart Factory den Kern. In der Smart Factory sind Produkte, Maschinen und die gesamte Umgebung untereinander und mit dem Internet vernetzt. Durch die Integration der realen Welt in eine funktionale, digitale Welt kann ein so genannter „Digitaler Zwilling“ erzeugt werden, der in Echtzeit eine Abbildung von Prozessen, Systemen und ganzen Fabrikhallen ermöglicht.

„Die Digitalisierung bietet die Chance, unsere Produkte individueller und die Produktion effizienter und flexibler zu gestalten. Die Herausforderung ist, gleichzeitig langfristig zu planen und andererseits kurzfristig auf Kundenwünsche und Marktschwankungen reagieren zu können“, erläutert Markus Schäfer, Bereichsvorstand Mercedes-Benz Cars, Produktion und Supply Chain Management, Daimler AG.

Fünf Hauptziele verfolgt Mercedes-Benz mit der Smart Factory:

• Größere Flexibilität: Die Smart Factory ermöglicht eine noch schnellere Reaktion der Fertigung auf globale Marktschwankungen und veränderte, noch individuellere Nachfrage der Kunden. Die digitale Produktion erleichtert auch die Fertigung immer komplexerer Produkte.
• Erhöhte Effizienz: Effiziente Nutzung von Ressourcen wie Energie, Gebäuden oder Vorräten ist ein entscheidender Wettbewerbsfaktor; eine durchgängig digitale Prozesskette bedeutet auch eine ständige Inventur: Bauteile sind jederzeit und überall identifizierbar. Anlagen sind von überall aus steuerbar.
• Höhere Geschwindigkeit: Flexible Produktionsprozesse, vereinfachte Anpassung bestehender Produktionseinrichtungen sowie die Installation neuer Anlagen ermöglichen einfachere und effizientere Fertigungsabläufe. Dies erlaubt kürzere Innovationszyklen, Produktinnovationen können schneller in mehr Baureihen gebracht werden (time-to-market).
• Attraktives Arbeitsumfeld: Aktive Interaktion von Mensch und Maschine auch über neue Bedienoberflächen verändert die Arbeitswelt in vielen Bereichen wie beispielsweise Qualifizierung und Ergonomie. Unter Berücksichtigung des demografischen Wandels ergeben sich neue Perspektiven bei der Gestaltung zukünftiger Arbeits- und Lebensmodelle.
• Smarte Logistik: von der Fahrzeugkonfiguration und -bestellung des Kunden, über die Teilebedarfsermittlung und Beschaffung hin zur Produktion und bis zur Auslieferung. Visionär formuliert: „Ein bestelltes Fahrzeug sucht sich seine Produktionsstätte und Maschine selbst.“

Industrie 4.0 – Digitalisierung bei Mercedes-Benz: Die nächste Stufe der industriellen Revolution. Foto: Ein Beispiel für Augmented Reality ist die automatische Qualitätskontrolle mit IRIS (Intelligent Reporting and Information System). Dabei werden virtuelle Bilder des konstruktiven Soll-Zustands und reale, von einer Kamera aufgenommene Bilder des Ist-Zustands auf einem Bildschirm zusammengebracht.

Mercedes-Benz ist heute schon in der Lage, den Fertigungsprozess vom Presswerk bis zur Endmontage digital zu simulieren und damit die Komplexität moderner Automobile und deren Fertigung zu beherrschen: Allein bei der Montage werden dafür rund 4.000 einzelne Prozesse untersucht und lange vor Serienanlauf deren technische Machbarkeit geklärt.

Das Konzept der Smart Factory wird Baustein für Baustein im globalen Fertigungsnetzwerk von Mercedes-Benz umgesetzt. Die ersten beiden Schritte sind dabei bereits klar definiert und weitgehend erreicht:

• Mercedes-Benz verfügt heute über globale Komponentenstandards, standardisierte Systemarchitektur und standardisierte Automatisierungs-, Regelungs- und Steuerungstechnik.
• Bei allen Investitionen werden weltweit standardisierte Technologiemodule in Robotik und Fertigungsverfahren eingesetzt.

Die nächsten Schritte auf dem Weg zur Fertigung der Zukunft sind auf Produktmodule abgestimmte weltweit einsetzbare Anlagenmodule und einheitliche Gewerkestrategien. Zusammengeführt wird die konkrete Vision der Smart Factory schließlich noch in diesem Jahrzehnt in einer komplett nach den oben beschriebenen Methoden und Verfahren ausgelegten Referenzfabrik.

Viele Verfahren, die noch vor kurzem wie Science Fiction klangen, sind heute schon im Serieneinsatz – oder stehen kurz davor:

• 3D-Druck/Additives Manufacturing: Einsatz beim Rapid Prototyping (z. B. Sand-Gussformen für die Motorenherstellung), Schutzhauben (z. B. für Werkzeuge in der Mensch-Roboter-Kooperation), Werkzeuge (z. B. Greifelemente)
• Human Augmentation/Mobile Endgeräte in der Produktion: Neuartige Kalibrierung von Head-up Displays (ab Mitte 2016), Einsatz von Tablets zur Ansteuerung von im Fahrzeug tätigen Robotern („InCarRob“) per WLAN (Werker ruft Roboter zur Himmelmontage ab)
• Maschinelles Lernen/Maschinen unterstützen ihre Benutzer: Bei Leichtbaurobotern kann z. B. die Bahn durch „Vormachen“ generiert werden, der Werker führt den Roboter und dabei lernt die Maschine die Bahn
• Production Data Cloud/Weltweite Verfügbarkeit von Produktionsdaten: So können zum Beispiel die deutschen Leadwerke weltweit auf die Produktionsdaten in allen anderen Werken des jeweiligen Netzwerks zugreifen und sogar die dortigen Roboter neu programmieren.

Industrie 4.0 – Digitalisierung bei Mercedes-Benz: Die nächste Stufe der industriellen Revolution. Foto: Lissy Brückner, Verfahrensentwicklung Montagetechnik und Modularisierung, beim Einbau der Batterie in ein Hybridfahrzeug. Durch Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) und den Einsatz eines Fahrerlosen Transportfahrzeugs (FTF) wird die Montage flexibler.

Wissenschaftlich begleitet wird der Weg zur Digitalen Fabrik vom Projekt ARENA 2036 (Active Research Environment for the Next Generation of Automobiles): Ein Forschungscampus in Stuttgart, bei dem Daimler mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft Zukunftsthemen zu Produktion und Leichtbau erforscht. Das Projekt geht bis ins Jahr 2036, in dem das Automobil seinen 150. Geburtstag feiert.

Daimler ist bei innovativen Fertigungstechnologien führend. So hat das Unternehmen beispielsweise als erster Automobilhersteller die Potentiale des sensitiven Leichtbauroboters erkannt und in Pilotanwendungen erfolgreich für die Serienfertigung erprobt. Solche neuen Produktionskonzepte und -ideen testet Mercedes-Benz in der TecFabrik. Viele Applikationen haben bereits den Weg von der Idee über das Versuchsstadium in die Serienproduktion geschafft. Dazu zählen auch neuartige Logistiklösungen mit Fahrerlosen Transportsystemen (FTS).

Industrie 4.0 – Digitalisierung bei Mercedes-Benz: Die nächste Stufe der industriellen Revolution. Foto: Beim so genannten „InCarRob“ sitzt der Roboter im Fahrzeug und übernimmt anstrengende Überkopf-Tätigkeiten, für die der Mensch zudem ein- und aussteigen müsste. Eine weitere Variante der Mensch-Roboter-Kooperation (MRK).

Ein besonderer Teil der TecFabrik ist die Versuchsfabrik. „Hier probieren wir Produktionsverfahren der Zukunft aus“, erläutert Andreas Friedrich, Leiter Technologiefabrik, Mercedes-Benz Cars, Daimler AG. „Im Idealfall schaffen die Applikationen von hier den Sprung in die Serienproduktion. Dann haben wir wieder Platz, um neue Ideen auszuprobieren.“ Die große Halle hat etwas von einer Erfindermesse: An mehreren Stationen tüfteln Ingenieure und Techniker und bedienen kleine und mittelgroße Roboter, die Bauteile greifen und bewegen oder Komponenten wie Karosseriestopfen oder Sonnenblenden montieren.

Auffällig in der Versuchsfabrik: Es gibt keine Schutzzäune, alle Stationen sind frei zugänglich. „‘Fenceless Production‘ und Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) sind die Fachbegriffe“, so Friedrich. „Diese neue, kooperative Form der Zusammenarbeit ohne Schutzzäune ist möglich, weil die Roboter der neuesten Generation sensitiv sind.“ Mit Hilfe ihrer Sensoren können intelligente Roboter ihren Nahbereich erfassen und Widerstand spüren. Zum Beispiel können sie ihren Bewegungsablauf stoppen, falls sich ein Mensch in ihrem Aktionsradius aufhält. Oder sie erkennen Kollisionen mit Werkstücken und können innehalten.

Ein direkter Kontakt zwischen Mensch und Roboter ist manchmal sogar ausdrücklich erwünscht: Auf einen Schubser hin nehmen einige Leichtbauroboter ihre Arbeit auf. Oder sie werden sprichwörtlich an die Hand genommen: Der Mitarbeiter bewegt ihren Gelenkarm an den Startpunkt der jeweiligen Aufgabe und schon legen die Helfer los. Beim so genannten „Robot Farming“ betreut ein Mitarbeiter oft mehrere Roboter.

Industrie 4.0 – Digitalisierung bei Mercedes-Benz: Die nächste Stufe der industriellen Revolution. Foto: Kalibrierung von Head-up Displays (HUD) mit mobilem Endgerät: Auf dem Bildschirm erhält der Mitarbeiter über Pfeile Hinweise, in welche Position er das Tablet bringen muss. Ist diese erreicht, wird automatisch eine Aufnahme über die zweite Kamera ausgelöst und das Bild analysiert. Die abgeleiteten Einstellparameter werden über WLAN via OBD-Schnittstelle an das Steuergerät des HUD gesendet und dieses entsprechend justiert.

Durch den digitalen Wandel entlang der gesamten Wertschöpfungskette verändern sich Arbeitswelt und Produktionsprozesse rasant und durchgreifend. Heute wird ein Montageschritt in der Regel entweder von Mitarbeitern oder von Robotern erledigt. Letztere befinden sich aus Sicherheitsgründen hinter Schutzzäunen und können nur mit großem Aufwand an anderen Stellen in der Produktion eingesetzt werden. Mercedes-Benz geht es um eine echte Kooperation von Roboter und Mensch (MRK) unter Federführung des Menschen. So lässt sich die kognitive Überlegenheit des Menschen optimal mit der Kraft, Ausdauer und Zuverlässigkeit der Roboter verbinden. Damit werden verschiedene Ziele erreicht: Erhöhung der Qualität, Produktivitätssteigerungen, neue Möglichkeiten in Bezug auf ein ergonomisches sowie altersgerechtes Arbeiten. MRK zielt nicht auf eine maximale Technisierung oder gar völlige Automatisierung von Tätigkeiten ab.

Markus Schäfer: „Bei allen Veränderungen steht der Mensch als Kunde und Mitarbeiter immer im Mittelpunkt. Erfahrung, Kreativität und Flexibilität der Menschen bleiben in vielen Bereichen der Automobilproduktion unersetzlich. Die Fabrik der Zukunft wird keineswegs menschenleer sein.“

Michael Brecht, Vorsitzender des Gesamtbetriebsrats, ergänzt: „Die technischen Veränderungen kommen. Zu ihrer Gestaltung ist eine neue Humanisierungspolitik erforderlich. Entscheidend ist, wie das Verhältnis von Autonomie und Kontrolle in Mensch-Maschine-Interaktionen gestaltet wird. Entweder: Die Menschen sagen den Maschinen, was sie tun sollen. Oder: Die Menschen bekommen von den Maschinen gesagt, was sie tun sollen. Der Schlüssel ist, dass wir die Menschen durch Qualifizierung gut darauf vorbereiten.“

Industrie 4.0 – Digitalisierung bei Mercedes-Benz: Die nächste Stufe der industriellen Revolution. Foto: Dank der 360°-Vernetzung kann weltweit auf die Qualitäts- und andere Kennzahlen im Rohbau bis hinunter zur Sensor-Aktor-Ebene in Realzeit zugegriffen werden, hier der Zugriff in Echtzeit auf eine Rohbaustation in Tuscaloosa/USA. Möglich machen dies die durchgängige, weltweite Nutzung der Steuerungssoftware „Integra“ und die Ethernet-basierte Vernetzung aller Automatisierungskomponenten.

Industrie 4.0 beschreibt die durchgängige Digitalisierung aller Prozesse. Industrie 4.0 ist die nächste Stufe der industriellen Revolution. Hier die früheren Umbruchphasen:

• Industrie 1.0/Mechanisierung: Die erste Industrielle Revolution beginnt in Europa in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts und läutet den Übergang von der Agrarwirtschaft in die arbeitsteilige Massenfertigung ein.
• Industrie 2.0/Elektrifizierung: Um 1860 beginnt weltweit die zweite Industrielle Revolution. Elektrische Energie ermöglicht die weitere Rationalisierung der Fertigungsprozesse.
• Industrie 3.0/Automatisierung: In den 1960er- und 1970er-Jahren beginnt die dritte Industrielle Revolution. Computertechnik und Mikroelektronik führen zu einem erneuten Wandel.

Fotos: Daimler AG