• Production Level 4 automatisiert und optimiert die Produktionsplanung
  • Production Level 4 erhöht die Resilienz in der Fertigung
  • Production Level 4 stellt den Menschen als Entscheider in den Mittelpunkt
  • Production Level 4 meint transparente Mensch-Maschine-Interaktion
  • Production Level 4 ermöglicht maximale Flexibilität und spart Umrüstzeiten
  • Production Level 4 arbeitet mit autonom agierenden Softwareagente
  • Production Level 4 verwischt die Grenzen zwischen OT und IT

Warum Production Level 4?

Seit der Beschreibung der Idee Industrie 4.0 im Jahr 2011 hat sich viel verändert. Technologische Weiterentwicklungen bei den Methoden der Künstlichen Intelligenz, Cloudsystemen oder Rechnerleistungen machten eine Neubetrachtung von Industrie 4.0 (I40) notwendig. Unser Netzwerk greift auf jahrelange praktische Erfahrungen mit I40-Implementierungen zurück, die ebenfalls in das Update einflossen. Wir nennen es Production Level 4.

In unseren Betrachtungen stellten wir fest:

  • Viele Unternehmen interpretieren Industrie 4.0 in Richtung reflexartiger Automatisierung. Es wird weniger die Frage gestellt, ob Automatisierung sinnvoll, sondern ob sie machbar ist. Der Mensch wird aus dem Shopfloor verbannt, ohne seine wichtige Rolle zu erkennen. Diesen Weg halten wir nicht für zielführend und nicht im Sinne von Industrie 4.0.
  • Industrie 4.0 wird in der Öffentlichkeit mit Digitalisierung gleichgesetzt, egal wo und wie. So entstanden Irrungen wie Rechtsberatung 4.0 oder Urlaub 4.0. Industrie 4.0 meint aber mehr.

Der Begriff Production Level 4 (PL4) ist das Ergebnis dieser Diskussion und insofern ein Update von Industrie 4.0.

Was ist Production Level 4?

Production Level 4 (PL4) beschreibt das 4. Level der autonomen Produktion, das wir als erstrebenswert ansehen. Der Mensch steht bei PL4 als Entscheider und Verantwortlicher im Mittelpunkt. Ihm kommt die besondere Rolle zu, Strukturen neu zu denken, Abläufe zu optimieren, Fehler zu erkennen und zu beheben usw. Der Mensch ist einer Maschine in bestimmten Bereichen überlegen. Schon Toyota wies darauf hin, dass sich eine Produktionshalle ohne menschlichen Input nie weiterentwickeln kann.

Level 4 beschreibt maximale Automatisierung, benötigt oder erlaubt aber immer noch eine Eingriffsmöglichkeit des Menschen. Dieser bleibt damit in der Fabrik der Souverän. 

Der Mensch ist die flexibelste Komponente in der Produktion. Seine einmaligen Fähigkeiten sollten im Shopfloor unbedingt berücksichtigt werden. In unseren Überlegungen steht die optimale Produktion im Fokus.

Automatisierung und Handarbeitsplätze gehören zusammen, sowie Menschen und Maschinen als Team interagieren sollen. Wir stellen grundsätzlich die Frage: Wo ist es sinnvoll zu automatisieren und wo nicht?

Der Begriff Production Level 4 soll außerdem ausdrücken, dass wir uns mit diesem Update in der Ära von Industrie 4.0 sehen. PL4 steht für eine Shared Production. Darunter verstehen wir die vernetzte Produktion, die es ermöglicht, in einem Netzwerk auf alle dort angebotenen Maschinenfähigkeiten (Skills) zuzugreifen.

So können sich die Unternehmen im Netzwerk individuelle Produktionslinien flexibel und nach Auftrag konfigurieren. Vorteil für alle Beteiligten: Ungenutzte Maschinen sind besser ausgelastet, Aufträge außerhalb des eigenen Maschinenparks können angenommen werden. In Kaiserslautern entsteht derzeit eine Shared Production.

Das Production Level 4-Ökosystem in Kaiserslautern

In Kaiserslautern begannen wir 2021 mit dem ersten Schritt einer Shared Production an drei Standorten und vier Produktionsinseln. Wir nennen es Production Level 4-Ökosystem. Dort fertigen wir einen individuell konfigurierbaren Modell-LKW.

Das Production Level 4-Ökosystem zeigt, wie in unabhängigen Produktionsinseln an verschiedenen Standorten produziert werden kann, ohne das die Hersteller eine Rolle spielen. In dem Netzwerk existieren lediglich Skills (Maschinenfertigkeiten), die zur Produktion in Anspruch genommen werden. Diese könnten jederzeit ausgetauscht und ersetzt werden. Dabei spielt der Ort ebenfalls keine Rolle. Ziel ist eine extrem flexible Produktionsarchitektur, die für jedes Produkt individuell zusammengestellt werden kann. Dabei können zukünftig Kriterien wie Energieverbrauch, Geschwindigkeit, Ressourceneffizienz oder Genauigkeit der Maschinen eine entscheidende Rolle spielen.

Im SmartFactoryKL Labor steht der erste Production Level 4–Demonstrator. Hier werden maßgebliche Erweiterungen vorgenommen, damit neben dem USB-Stick in Noppensteinform zusätzlich Teile für die LKW produziert werden können.

Das Besondere: in die komplexe Produktionsanlage sind auch zwei Handarbeitsplätze integriert, einer davon – PAUL – ist ebenfalls Ergebnis eines Forschungsprojektes. Die flexiblen Anforderungen an die Produktion zeigen, dass die Implementierung von Handarbeit sinnvoll ist.

Im Labor des Forschungsbereiches Innovative Fabriksysteme des DFKI steht die Produktionsinsel_KUBA mit dem Transportsystem Acopostrak. Angedockt sind verschiedene Module zum Ein- und Ausschleusen der LKW-Teile, zur Qualitätskontrolle und ein Handarbeitsplatz. Kommuniziert wird teilweise mit 5G.

Hier ist außerdem eine herausfordernde Zusatzaufgabe formuliert, die im Rahmen des Forschungsprojektes DIMOFAC umgesetzt wird, ein modulares Modul. Dieses soll über mehrere Maschinenfähigkeiten (Skills) verfügen: 3D-Druck, Recycling von Fehldrucken und überflüssigem Material, sowie Montage und Demontage. Der 3D-Drucker soll bspw. Sonderwünsche von Anhängeraufbauten für den LKW umsetzen. Mehrere Skills in einem Modul erhöhen die Flexibilität dieser Produktionsinsel erheblich.

Im 500m entfernten Labor am Lehrstuhl Werkzeugmaschinen und Steuerungen (WSKL) der TU Kaiserslautern arbeitet _MILOS skillbasiert. Im Zentrum steht ein Roboter, der in der Rolle einer Auftragsfertigung, die Anhängeraufbauten fräst oder bohrt.

In Zukunft handeln Skills als autonome Agenten (Multiagentensystem) und stimmen sich untereinander darüber ab, wer das Produkt anhand der Kundenanforderungen optimal fertigen kann.

Die Shared Production soll einmal die Vision von Production Level 4 darstellen, in der sich auf einem Online-Marktplatz (wie bspw. Gaia-X) Maschinenfähigkeiten (Skills) individuell zusammengestellt werden können.

Unser Film gibt einen ganz guten Überblick über die Shared Production am Standort Kaiserslautern.

Der erste Production Level 4-Demonstrator der Welt

2020 stellten wir diesen Demonstrator erstmals vor. Er ist der erste Schritt zur technischen Umsetzung unserer Vision Production Level 4. Er produziert einen frei konfigurierbaren USB-Stick in Noppensteinform, der mit Daten nach Wunsch betankt werden kann. Das Produkt steht stellvertretend für irgendein denkbares Produkt, unser Fokus liegt auf der Produktion selbst, nicht auf dem Produkt.

Berücksichtigt und realisiert wurden relevante Elemente für die Produktion der Zukunft wie Systemarchitektur, Gaia-X Anbindung, Modultausch, automatisierte Freigabe der Anlage, KI-Methoden oder ein multifunktioneller Steckverbinder (SmeEC). Unser Film gibt einen Einblick in die neu entwickelte Technik und Use Cases. Beteiligt am Bau waren elf Unternehmen (Empolis, Huawai, German Edge Cloud, IBM, ePlan, MiniTec Smart Solutions, Harting, PILZ, proALPHA, TÜV SÜD und B&R Automation), sowie drei Forschungseinrichtungen (TU Kaiserslautern (WSKL), DFKI (IFS) und die SmartFactoryKL).

In der nächsten Ausbaustufe wurde der Demonstrator Teil einer Shared Production.