Die Smart Factory und die Sustainability - das braucht es dazu

Die «Smart Factory» ist das angestrebte Ziel der heutigen und zukünftigen Industrie. Doch welche Komponenten sind in der «Smart Factory» ausschlaggebend und wie verhält es sich mit der Nachhaltigkeit? Grosse Fragen, die in diesen Kurzartikeln mit Expertenmeinungen beantwortet werden.

2. Relevanz des Themas: Was ist der Nutzen für Anwender?

• Flexibilität: 3D-Druck ermöglicht die Fertigung komplexer Geometrien, die mit traditionellen Methoden kaum realisierbar wären, und erleichtert die Anpassung an individuelle Kundenwünsche.
• Material- und Abfallreduktion: Im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung, bei der Material entfernt wird, verwendet der 3D-Druck nur das notwendige Material – ein klarer Vorteil für die Nachhaltigkeit.
• Dezentralisierte Produktion: Bauteile können direkt vor Ort hergestellt werden, was Transportwege reduziert und die CO₂-Bilanz verbessert.
• Kostensenkung: Für Kleinserien oder Prototypenfertigung sind keine teuren Werkzeuge oder Formen nötig, was die Produktionskosten senkt.
  Beispiel: Ein führender Luftfahrtkonzern nutzt 3D-Druck, um komplexe Leichtbauteile für Triebwerke herzustellen. Durch die additiven Prozesse konnte der Materialverbrauch um bis zu 30 % reduziert werden, während die Bauteile gleichzeitig leichter und stabiler wurden.

3. Herausforderungen: Was steht dem entgegen?

• Materialvielfalt: Noch ist die Auswahl an Materialien für den 3D-Druck begrenzt, besonders wenn es um hochfeste oder speziell zertifizierte Werkstoffe geht.
• Geschwindigkeit: Der 3D-Druck ist für Massenproduktion aktuell oft zu langsam und daher besser für Kleinserien oder individuelle Teile geeignet.
• Kosten der Maschinen: Hochwertige 3D-Drucker sind teuer in der Anschaffung, was eine hohe Investition für Unternehmen bedeutet.
• Know-how: Die erfolgreiche Integration des 3D-Drucks in bestehende Produktionsprozesse erfordert spezielles Fachwissen und eine Umstellung der Workflows.
• Nachhaltigkeitsaspekte: Laut einer Studie von Jeremy Faludi* und seinem internationalen Forscherteam ist der 3D-Druck nicht per se nachhaltig. Insbesondere bei Verfahren wie der Polymer Powder Bed Fusion und dem Polymerharzdruck entstehen durch die Verwendung von Stützstrukturen mehr Abfälle. Zudem erschwert der Einsatz von Multimaterial-3D-Druckern das Recycling von Polymeren, da diese oft miteinander vermischt und kontaminiert werden.

4. Zukunftspotenzial: Was bringt die Zukunft?

Die Zukunft des 3D-Drucks liegt in der Massenproduktion und der Integration in vollständig vernetzte Smart Factories. Mit fortschreitenden Entwicklungen in der Materialforschung werden immer mehr Werkstoffe verfügbar, darunter recycelbare und biobasierte Materialien.

Ein weiterer Trend ist die Kombination von 3D-Druck mit KI, um Produktionsprozesse in Echtzeit zu überwachen und zu optimieren. Additive Fertigung könnte so eine Schlüsselrolle in der Kreislaufwirtschaft spielen, indem alte Bauteile recycelt und wiederverwendet werden.

Forscher betonen, dass 3D-Druckprozesse, Maschinen und Materialien neu gestaltet werden müssen, um die Umweltbelastung zu reduzieren. So könnte das Schmelzen von Kunststoffen beim 3D-Druck durch Direktintenschreiben mit Biokompositpasten ersetzt werden, da diese die Umwelt nur halb so stark belasten. Jedoch müssen die mechanischen Eigenschaften dieser Pasten noch verbessert werden.

5. Expertenmeinung: Die Perspektive eines Unternehmens

Frage an den Experten: «Wie schätzen Sie die Rolle des 3D-Drucks in der Smart Factory ein? Welche Chancen und Herausforderungen sehen Sie speziell in Bezug auf Nachhaltigkeit?»

Antwort von Martin Affolter, CEO SGSolution AG:

Die Additive Fertigung bietet die Möglichkeit die Produktion «on demand» zu steuern von Losgrösse 1 bis hin zur Serienfertigung - ohne teure Werkzeuge. Dies ermöglicht eine ressourcenschonende sowie bedarfsgerechte Fertigung, ohne Lagerhaltung, Abfall und gebundenem Kapital.

Gerade in Zeiten von gewaltigen Umbrüchen, bietet die 3D-Druck-Technologie die nötige Flexibilität sowie Agilität, um auf Marktveränderungen und Kundenbedürfnisse schnell zu reagieren – Stichwort «Time to Market», was am Ende über Niederlage und Erfolg entscheiden kann.

SGSolutions AG auf der Innoteq: Halle 2.0, Stand D01 (Stand Josef Binkert AG)

6. Fazit: Zusammenfassung und Bewertung

3D-Druck revolutioniert die Produktion in der Smart Factory durch Flexibilität, Ressourceneffizienz und die Möglichkeit zur dezentralisierten Fertigung. Die Technologie hat das Potenzial, die Nachhaltigkeit in der Industrie signifikant zu verbessern, steht jedoch noch vor Herausforderungen wie der begrenzten Materialvielfalt und hohen Investitionskosten.

Zudem ist der 3D-Druck nicht von Natur aus nachhaltig. Um eine Kreislaufwirtschaft zu fördern, müssen nachhaltigkeitsoptimierte Designs in bestehende Designprinzipien integriert und die Branche an globalen Nachhaltigkeitsinitiativen wie den Entwicklungszielen der Vereinten Nationen und dem europäischen Green Deal ausgerichtet werden.

Smart: ★★★★☆ | Der 3D-Druck ist hochinnovativ und flexibel, jedoch noch nicht für die Massenproduktion optimiert.

Sustainable: ★★★☆☆ | Obwohl der Materialeinsatz ressourcenschonend sein kann, bestehen noch Herausforderungen hinsichtlich der Energieeffizienz und Recyclingfähigkeit der Druckprozesse.

Quellen:

• https://www.3dnatives.com/de/forscher-skizzieren-neue-zukunftsperspekt
• https://www.nature.com/articles/s41893-024-01313-x

2. Relevanz des Themas: Was ist der Nutzen für Anwender?

• Energieoptimierung: KI-Algorithmen analysieren den Energieverbrauch in Echtzeit und passen die Maschinenleistung dynamisch an, um Spitzenlasten zu vermeiden und Energie effizienter zu nutzen.
• Minimierung von Ausschuss: Mithilfe der Künstlichen Intelligenz können Fehler in Produktionsprozessen frühzeitig erkannt und behoben werden, was Materialverluste erheblich reduziert.
• Vorausschauende Wartung: Predictive Maintenance, eine der häufigsten Anwendungen von KI, prognostiziert Maschinenausfälle und sorgt für gezielte Wartungsarbeiten – das verlängert die Lebensdauer von Maschinen und spart Ressourcen.
• Flexibilität und Anpassung: KI ermöglicht die Produktion von kundenspezifischen Produkten ohne Effizienzverluste, indem sie Produktionslinien automatisch umkonfiguriert.

Beispiel: Ein Hersteller von Elektronikgeräten nutzt KI, um in Echtzeit Produktionsdaten zu analysieren. Dadurch konnte er den Energieverbrauch um 20 % senken und gleichzeitig die Produktionsqualität steigern.

3. Herausforderungen: Was steht dem entgegen?

• Datengrundlage: KI benötigt grosse Mengen qualitativ hochwertiger Daten. Wenn diese nicht verfügbar sind, können die Algorithmen nicht effizient arbeiten.
• Komplexität der Implementierung: Die Integration von KI in bestehende Produktionsumgebungen ist oft komplex und erfordert spezielle Fachkenntnisse.
• Energieverbrauch der KI-Systeme: Paradoxerweise benötigt die Verarbeitung grosser Datenmengen durch KI-Modelle selbst erhebliche Mengen an Energie. Besonders die Trainingsphasen von KI-Systemen sind ressourcenintensiv.
• Akzeptanz und Vertrauen: Unternehmen und Mitarbeitende stehen der KI oft skeptisch gegenüber, insbesondere wenn es um Entscheidungsprozesse geht, die bislang menschliche Expertise erforderten.

4. Zukunftspotenzial: Was bringt die Zukunft?

In Zukunft wird KI noch stärker mit anderen Technologien wie dem Internet der Dinge (IoT), digitalen Zwillingen und 5G-Netzwerken verknüpft werden. Diese Kombination wird es ermöglichen, Produktionsprozesse in Echtzeit zu überwachen, anzupassen und zu optimieren.

Ein weiterer Trend ist die Entwicklung energieeffizienter KI-Systeme. Forschungsprojekte arbeiten daran, den Energiebedarf von KI-Algorithmen zu senken, indem effizientere Hardware und optimierte Modelle zum Einsatz kommen.

Zudem könnte KI eine zentrale Rolle in der Kreislaufwirtschaft spielen, indem sie den gesamten Produktlebenszyklus – von der Materialbeschaffung bis zum Recycling – überwacht und optimiert.

5. Expertenmeinung: Die Perspektive eines Unternehmens

Frage an den Experten: «Wie schätzen Sie die Rolle von Künstlicher Intelligenz in der Smart Factory ein? Welche Chancen und Herausforderungen sehen Sie speziell in Bezug auf Nachhaltigkeit?»

Antwort von Alain van de Velde, Imnoo AG:

Künstliche Intelligenz spielt eine Schlüsselrolle in der Smart Factory, indem sie Produktionsprozesse automatisiert, optimiert und flexibler gestaltet. Durch KI-gestützte Analysen lassen sich Ressourcen effizienter nutzen, Ausschuss reduzieren und Einsparungen realisieren – ein bedeutender Beitrag zur Nachhaltigkeit.

Die Herausforderung liegt darin, KI-Systeme intelligent in bestehende Strukturen zu integrieren und dabei Transparenz sowie Datenethik sicherzustellen. Schnittstellen zwischen Softwarelösungen spielen dabei eine Zentrale Rolle.

Seit 2017 unterstützt die Imnoo AG Fertigungsunternehmen dabei, ihre Effizienz zu steigern, indem sie die Bearbeitungszeit für Kalkulationen- und Angebote für CNC Dreh- und Frästeile um bis zu 80% reduziert und somit Zeit für andere Aktivitäten schafft. Unternehmen, die KI gezielt einsetzen, können nicht nur wirtschaftlich profitieren, sondern auch aktiv zu einer nachhaltigeren Industrie beitragen.

Hier sind zwei Praxisbeispiele, wie die KI von Imnoo Firmen im Alltag unterstützt:

• https://www.imnoo.com/de/imnoo-fallstudien/heron-und-imnoo-knowhow-sicherung-und-effizienzsteigerung-0-0
• https://www.imnoo.com/de/imnoo-fallstudien/feramic-ag-wettbewerbsvorsprung-dank-schneller-angebotskalkulation-mit-imnoo?utm_source=chatgpt.com

Imnoo AG auf der Innoteq: Halle 2.2, Stand A03

6. Fazit: Zusammenfassung und Bewertung

Künstliche Intelligenz ist ein Schlüsselfaktor für die Smart Factory und bietet enormes Potenzial, um industrielle Prozesse smarter und nachhaltiger zu machen. Von der Energieoptimierung bis zur Abfallreduktion trägt KI dazu bei, sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Ziele zu erreichen. Allerdings sind Herausforderungen wie der hohe Energiebedarf der KI-Systeme und die komplexe Implementierung nicht zu unterschätzen.

Smart: ★★★★★ | KI ist der Inbegriff von «smart» und ermöglicht hochautomatisierte und adaptive Produktionsprozesse.

Sustainable: ★★★☆☆ | KI trägt erheblich zur Nachhaltigkeit bei, muss aber selbst energieeffizienter werden, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen.

Quellen:

• https://www.weforum.org/stories/2024/06/how-manufacturing-with-ai-can-drive-a-sustainable-future/#:~:text=AI-driven%20insights%20can%20help,both%20commercially%20viable%20and%20disruptive.
• https://www.researchgate.net/publication/370927881_Integration_of_Artificial_Intelligence_in_Sustainable_Manufacturing_Current_Status_and_Future_Opportunities
• https://www.youtube.com/watch?v=dGzwS9aTJEg
• https://aim-net.eu/wp-content/uploads/2024/01/AIM-NET-Artificial-Intelligence-in-Manufacturing-white-paper.pdf

2. Relevanz des Themas: Was ist der Nutzen für Anwender?

• Optimierte Maschinenleistung: Smarte Sensoren messen den Energieverbrauch von Maschinen in Echtzeit und helfen dabei, die Effizienz zu maximieren, indem sie Leistungsspitzen glätten und ungenutzte Kapazitäten vermeiden.
• Lastmanagement: Durch intelligente Steuerungssysteme kann der Energieverbrauch an die Strompreise oder an die Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen angepasst werden.
• Abfallreduktion: Energieeffizienz geht oft Hand in Hand mit der Minimierung von Produktionsabfällen, da ineffiziente Prozesse direkt identifiziert und angepasst werden können.
• Kostensenkung: Unternehmen profitieren von geringeren Energiekosten, was ihre Wettbewerbsfähigkeit steigert.

Beispiel: Ein Automobilhersteller implementierte ein energieeffizientes System in seiner Lackiererei, das mithilfe von KI den Energieverbrauch um 25 % reduzierte, indem es die Temperatur und Belüftung dynamisch an den Bedarf anpasste.

3. Herausforderungen: Was steht dem entgegen?

• Investitionskosten: Die Umstellung auf energieeffiziente Technologien erfordert oft hohe Anfangsinvestitionen, die für viele Unternehmen eine Hürde darstellen.
• Datenintegration: Die Effizienz von Energiemanagementsystemen hängt von der Verfügbarkeit und Integration der richtigen Daten ab, was gerade bei älteren Anlagen schwierig ist.
• Komplexität: Smarte Energiesysteme sind oft komplex und erfordern eine enge Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, IT-Spezialisten und Energieexperten.
• Energiebedarf neuer Technologien: Ironischerweise können smarte Systeme selbst zusätzliche Energie benötigen, beispielsweise für die Verarbeitung grosser Datenmengen.

4. Zukunftspotenzial: Was bringt die Zukunft?

In Zukunft werden Smart Factories noch stärker auf erneuerbare Energien und dynamische Laststeuerung setzen. KI wird eine zentrale Rolle dabei spielen, nicht nur Energieverbräuche zu optimieren, sondern auch die Produktion an externe Faktoren wie Energiepreise oder Wetterbedingungen anzupassen.

Ein weiterer Trend ist die Entwicklung von maschineninternen Energiemanagementsystemen, die autonom Energieverbräuche reduzieren. Darüber hinaus könnten digitale Zwillinge genutzt werden, um den Energiebedarf ganzer Fabriken in Simulationen zu optimieren, bevor reale Änderungen umgesetzt werden.

5. Expertenmeinung: Die Perspektive eines Unternehmens

Frage an den Experten: «Wie schätzen Sie die Bedeutung von Energieeffizienz in der Smart Factory ein? Welche Technologien sehen Sie als besonders vielversprechend? Und warum liegt der Firma Berhalter die Energieeffizienz am Herzen?»

Antwort von Dalibor Schuman, Managing Director Berhalter AG:

Der Firma Berhalter und mir persönlich liegt Energieeffizienz sehr am Herzen, da sie für nachhaltige Innovation steht und Verantwortung gegenüber Umwelt und Kunden übernimmt. Dies stärkt nicht nur die Wettbewerbsfähigkeit, sondern auch das Vertrauen in unsere Produkte.

Energieeffizienz ist aber auch entscheidend für eine nachhaltige und kosteneffiziente Produktion. Technologien wie IoT-basierte Managementsysteme, KI-unterstützte Service-Plattformen und intelligente Sensorik ermöglichen eine Optimierung des Energieverbrauchs und reduzieren Kosten. Meiner Meinung nach verbindet Energieeffizienz auf ideale Weise Nachhaltigkeit mit Wirtschaftlichkeit.

Berhalter AG auf der Innoteq: Halle 2.2, Stand C01-G

6. Fazit: Zusammenfassung und Bewertung

Energieeffizienz ist ein zentraler Baustein der Smart Factory und entscheidend für die Reduktion von Kosten und CO₂-Emissionen. Smarte Technologien wie KI, IoT und Energiemanagementsysteme ermöglichen eine dynamische Optimierung von Energieverbräuchen. Dennoch stehen Unternehmen vor Herausforderungen wie hohen Investitionskosten und der Komplexität smarter Energiesysteme.

Smart: ★★★★☆ | Energieeffizienz profitiert enorm von smarten Technologien, die Produktionsprozesse automatisiert und optimiert steuern.

Sustainable: ★★★★★ | Die Reduktion von Energieverbrauch und CO₂-Emissionen ist ein klarer Beitrag zur Nachhaltigkeit.

Quellen:

• BFE Gesamtenergiestatistik
• BFS Statistik Energieverbrauch
• Strom.ch Stromverbrauch

2. Relevanz des Themas: Was ist der Nutzen für Anwender?

• Effizientere Produktion: Maschinen und Systeme, die miteinander kommunizieren, ermöglichen schnellere und flexiblere Produktionsprozesse.
• Nachhaltige Ressourcennutzung: Durchgängige Datenflüsse helfen dabei, Rohstoffe und Energie gezielter einzusetzen.
• Weniger Ausschuss: Echtzeit-Daten ermöglichen die frühzeitige Erkennung von Fehlern, bevor sie zu Materialverschwendung führen.
• Höhere Flexibilität: Unternehmen können neue Technologien einfacher integrieren, ohne bestehende Systeme ersetzen zu müssen.

Beispiel: In einer Fabrik mit durchgängiger Interoperabilität tauschen Sensoren, Maschinen und ein ERP-System in Echtzeit Daten aus. Dadurch konnten Produktionsstillstände um 40 % reduziert und der Materialverbrauch um 15 % gesenkt werden.

3. Herausforderungen: Was steht dem entgegen?

• Unterschiedliche Kommunikationsprotokolle: Viele Maschinenhersteller verwenden eigene Standards, die nicht kompatibel sind.
• Hoher Integrationsaufwand: Die Umstellung auf interoperable Systeme erfordert Investitionen in Software und Schnittstellen.
• Datensicherheit: Eine vernetzte Fabrik erfordert durchdachte Sicherheitskonzepte, um Cyberangriffe zu vermeiden.
• Alte Maschinenparks: In vielen Unternehmen gibt es noch veraltete Anlagen, die schwer in moderne IoT-Systeme integriert werden können.

4. Zukunftspotenzial: Was bringt die Zukunft?

Die Industrie arbeitet intensiv an offenen Standards, um Interoperabilität zu verbessern. OPC UA, MQTT und Edge Computing sind wichtige Technologien, die Maschinen unterschiedlicher Hersteller vernetzen.

Ein weiterer Trend ist der verstärkte Einsatz von Künstlicher Intelligenz, die aus den gesammelten Daten automatisierte Entscheidungen ableiten kann.
Auch das Industrial Metaverse könnte in Zukunft eine Rolle spielen, indem es digitale Zwillinge von Produktionsanlagen mit realen Fabriken verbindet.

5. Expertenmeinung: Die Perspektive eines Unternehmens

Frage an den Experten: «Wie wichtig ist Interoperabilität in der Smart Factory? Welche Lösungen sind besonders vielversprechend?»

Antwort von Topsolid:

In der Smart Factory zählt jeder Prozessschritt. Interoperabilität ist der Schlüssel zu einer nahtlosen Produktion – Systeme müssen reibungslos miteinander kommunizieren, um Effizienz und Flexibilität zu gewährleisten. Ohne sie entstehen Datenbrüche, ineffiziente Abläufe und Fehler. Ein durchgängiger Datenfluss optimiert die Prozesse, senkt Kosten und steigert die Qualität. Wir bei TopSolid wissen um diese Herausforderungen und bieten daher mit unseren integrierten CAD-, CAM-, PDM- und ShopFloor-Lösungen eine durchgängige digitale Kette, die Daten verlustfrei von der Konstruktion bis zur Fertigung überträgt.

«Unsere Kunden profitieren von einer vollständig vernetzten Produktionsumgebung, in der alle Systeme perfekt zusammenspielen und einem Ansprechpartner für alle Anliegen – das ist der Schlüssel zur Smart Factory.»

Luca Ruggiero, Leiter Verkauf & Marketing / Mitglied der Geschäftsleitung, TOPSOLID Switzerland AG

Topsolid auf der Innoteq: Halle 2.0, Stand C03

Lösungen von Topsolid zu sehen auf der Innoteq 2025 in Bern

• TopSolid’CAD – Parametrische 3D-Konstruktion mit integrierter PDM-Lösung
• TopSolid’CAM – Programmierung und Simulation von komplexen CNC-Bearbeitungsmaschinen
• TopSolid’PDM – Intelligente Versionskontrolle und nahtlose Nachverfolgbarkeit
• TopSolid’ShopFloor – Echtzeit-Datenmanagement für maximale Transparenz und Effizienz

6. Fazit: Zusammenfassung und Bewertung

Interoperabilität ist ein entscheidender Faktor für die Smart Factory. Sie ermöglicht effizientere Prozesse, reduziert Materialverschwendung und steigert die Flexibilität. Trotzdem stehen Unternehmen vor Herausforderungen wie proprietären Systemen und hohen Integrationskosten. Doch die Zukunft gehört offenen Standards und intelligenten Datenplattformen, die eine nachhaltige und vernetzte Produktion ermöglichen.
Sternebewertung:

Smart: ★★★★★ | Ohne Interoperabilität kann eine Smart Factory nicht funktionieren.
Sustainable: ★★★★☆ | Durch optimierte Prozesse lassen sich Ressourcen und Energie einsparen, doch es braucht Investitionen.

Quellen:

• Laut McKinsey können interoperable Systeme 30 % der Maschinenstillstände verhindern. (mckinsey.com)
• Der Markt für Industrie-4.0-Softwarelösungen wächst jährlich um 17 %, da Unternehmen zunehmend in interoperable Systeme investieren. (grandviewresearch.com)
• OPC UA wird bereits von über 850 Unternehmen weltweit genutzt und gilt als führender Standard für Maschinenkommunikation. (opcconnect.com)