Herausforderungen

Herausforderungen, die für Industrie 4.0 zu adressieren sind

Die Produktionsprozesse im Rahmen von Industrie 4.0 fordern in den Technologiefeldern Embedded Systems, Smart Factory und IT-Security eindeutig identifizierbare Werkstücke, die für hochentwickelte Produkte/Produktionslinien auch mit sensorischen oder anderen Funktionalitäten ausgestattet sein müssen.

Solche Werkstücke können bereits während der Herstellung in der Prozesskette eine aktive Rolle übernehmen und ihrerseits Einfluss auf den Verarbeitungsprozess nehmen (»autonomes« Werkstück). Bei der Sensorik geht es je nach Anwendungsfall um intelligent vernetzte und sicher auslesbare Sensorik vorrangig für Temperatur, Druck, Beschleunigung, Vibrationszustand, Feuchte etc. Hier wird auch die flexible Elektronik (z. B. gedruckte OFET-Schaltungen oder flexible Si-Elektronik) eine wichtige Rolle spielen. In jedem Fall wird die Entwicklung entsprechender Funktionswerkstoffe mit für den jeweiligen Produktionsprozess maßgeschneiderten Eigenschaften erforderlich sein.

Bei Funktionswerkstoffen, insbesondere bei Elektronikanwendungen, ist die Dichte an Wertstoffen, z. B. seltenen Erden und anderen kritischen Rohstoffen, besonders hoch. Deshalb spielt hier design for recycling eine sehr wirksame Rolle. Der Ausbau von Zukunftstechnologien hängt auch davon ab, ob ausreichende Mengen der begehrten Rohstoffe vorhanden sind. Deutschland als Vorreiter in der Industrie 4.0 muss bereits jetzt mögliche Ressourcenknappheit berücksichtigen, um seine Stellung für die Zukunft zu sichern. Aufgrund der Vielzahl der in der Material- und Werkstoffherstellung verwendeten chemischen Elemente und Verbindungen ist es schwierig und aufwändig, die Chancen und Risiken der Verfügbarkeit aller verwendeten chemischen Elemente im Auge zu behalten. Aber gerade mit der Digitalisierung, Durchgängigkeit, Vernetzung und den Interaktionen von Produkten sowie Material- und Werkstoffkenndaten, die Industrie 4.0 bietet, kann ein nachhaltiger Umgang mit knappen Ressourcen entscheidend gesichert werden. Im Materials Data Space® entsprechende Daten zu integrieren, liefert deshalb die  Chance, hier zukunftssicher zu agieren.

Zukunftstechnologien stellen mit ihrer zunehmenden Funktionalisierung auch über den eigentlichen Produktionsprozess weit hinaus gehende Möglichkeiten zur Steigerung des Kundennutzens und zur Kontrolle und Optimierung des Produktlebenszyklus bereit. Die Herausforderungen betreffen dabei neben den herzustellenden Produkten auch die hochgradig vernetzten  Produktionseinrichtungen selbst (z. B. Sensorik für Produktionsmaschinen) sowie ebenfalls angrenzende Bereiche von Industrie 4.0, in denen auf Basis neuer Geschäftsmodelle zusätzliche Services während der Produktlebensdauer abrufbar werden.

  • ƒƒDie Gesamtheit der vom Kunden/Nutzer und von der Industrie 4.0 geforderten neuen Funktionalitäten erzeugt die Notwendigkeit, die wachsende Zahl von oft sehr unterschiedlichen, zum Teil miteinander interagierenden Funktionalitäten  effizient, zuverlässig und eindeutig adressierbar in Werkstücken und Produkten zu integrieren.
  • ƒƒFür die Integration von Funktionalitäten in die formgebenden Strukturwerkstoffe der Werkstücke müssen spezifische Industrie 4.0-Prozesse entwickelt werden, die material- bzw. werkstoffseitig und datenseitig die Anforderungsprofile erfüllen.
  • ƒƒFür den Zusatznutzen, den integrierte Funktionalitäten in der Nutzungsphase des Produkts dem Kunden bringen sollen, werden sich ständig neue Geschäftsmodelle und damit Anforderungen entwickeln, die eine Flexibilität der integrierten Funktionalitäten erforderlich machen werden.
  • ƒƒFür die Vielzahl der in der Material- und Werkstoffherstellung verwendeten chemischen Elemente und Verbindungen müssen die Stoff- und Energieströme von der »Wiege bis zur Bahre« für ein umfassendes life cycle assessment ermittelt werden.
  • ƒƒUm Chancen und Risiken der Verfügbarkeit aller verwendeten chemischen Elemente einzuschätzen, müssen allgemeine und unternehmensspezifische Kritikalitätsanalysen bereitgestellt werden.
  • ƒƒMaterial-, Werkstoffentwicklung und Substitution müssen in Hinblick auf Kritikalitäten und unter strategischen Aspekten miteinander verknüpft werden.
  • ƒƒEs ist ein »intelligentes« Re-Use für die strategischen Stoffe zu entwickeln.
  • ƒƒMit Hilfe von Modellierung und Simulation systemoptimierter Prozessabläufe müssen neue Verfahren der Fertigungstechnik in Hinblick auf Re-Use entwickelt werden.