Künstliche Intelligenz treibt die digitale Fabrik voran

„Wer nicht digitalisiert, verliert“ - dieser Satz klingt nicht nur wie ein Slogan, sondern wird für viele Industrieunternehmen zur bitteren Realität. Das Jahr 2025 markiert einen Wendepunkt:

Die Integration von Künstlicher Intelligenz in Produktionsprozesse hat ein neues Level erreicht - in Geschwindigkeit, Qualität und Breite des Einsatzes, dazu Dr. Jochen Müller, Manager Drivetrain Assembly, John Deere GmbH & Co. KG, John Deere Werk Mannheim: „Die Digitalisierung ist meiner Meinung nach ein entscheidender Faktor für den Erfolg der modernen Industrie. Unternehmen, die nicht digitalisieren, riskieren, in Bezug auf Effizienz, Flexibilität und Innovationsfähigkeit zurückzufallen. Die digitale Transformation ermöglicht es, Produktionsprozesse zu optimieren, Daten besser zu nutzen und schneller auf Marktveränderungen reagieren zu können. Daher ist die Aussage „Wer nicht digitalisiert, der verliert“ treffend.

Dem kann sich Dr.-Ing. Alexander König, Digitalization Production Preparation and Product Owner BIM & HLS, Volkswagen AG, nur anschließen: „Unternehmen, die sich dem Thema Digitalisierung verschließen, laufen Gefahr, den Anschluss zu verlieren. Das Tempo, in dem sich Dinge auf diesem Gebiet verändern, ist rasant. Interessant wird es sein, was davon es dann in welcher Branche zur Serienreife schafft und zur nachhaltigen Effizienzsteigerung führt.“

Zentralen Elemente sind digitale Modelle und Simulationen

Doch was macht eine digitale Fabrik überhaupt aus? Markus Herhoffer, CTO EXP Software GmbH, gibt dazu Auskunft: „Aus meiner Sicht ist die wichtigste Eigenschaft einer digitalen Fabrik, dass es zu ihr einen oder mehrere Digitale Zwillinge gibt. Gibt es den nicht, hat man maximal digitalisierte Komponenten, aber sicher keine digitale Fabrik. Aber ja, dazu muss es überall passen: Bei der Planung müssen Tools mit korrekter Datenmodellierung verwendet werden, die Fabrik selbst muss moderne IoT-Standards wie MQTT oder OPC-UA unterstützen. Und das bringt alles nichts, wenn die digitale Infrastruktur dafür nicht ausgelegt oder vorhanden ist. Man muss an allen Bereichen angreifen, um den Change zu meistern.“

Eine digitale Fabrik besteht also aus mehreren eng vernetzten Komponenten, die gemeinsam die Grundlage für effiziente und flexible Produktionsprozesse schaffen. Zu den zentralen Elementen zählen digitale Modelle und Simulationen. Virtuelle Planungstools ermöglichen es, Entwicklungs- und Produktionsprozesse bereits im Vorfeld zu optimieren. Dadurch wird eine hohe Produktreife schon in frühen Phasen der Produktentwicklung erreicht, was Zeit und Kosten spart. Im Kontext des IoT (Internet of Things) erfassen zudem Sensoren und vernetzte Geräte kontinuierlich Daten aus der Produktion. Diese Echtzeit-Daten bilden die Basis für Analysen, Optimierungen und automatisierte Steuerungen.

Jochen Müller ergänzt: „Um unsere digitalen Modelle umsetzen zu können sind Fachkräfte mit Kenntnissen in IT, Datenanalyse und Produktionsmanagement unabdingbar. Vor allem die Integration von IT- und Betriebstechnologie (OT) sowie die Nutzung eines einheitlichen Datenmanagements und eine nahtlose Verbindung zwischen Maschinen, Software und Daten wie wir es heute schon machen ist ohne sie nicht umsetzbar.“

Digitale Fabrik mit deutlich höherer Flexibilität

Zu den größten Unterschieden zwischen einer digitalen und einer gewöhnlichen Fabrik zählt für Markus Herhoffer die Tatsache, „dass in einer digitalen Fabrik alle Erkenntnisse digital gewonnen werden – und zwar bereichsübergreifend. Probleme lassen sich erkennen, noch bevor die erste Komponente bestellt wird. Prozessabläufe werden vorab simuliert, ohne dass ein physischer Aufbau nötig ist. Mithilfe von KI können Störungen und Ausfälle präventiv verhindert werden. Besonders wichtig ist: Bei komplexen Produkten wie Fahrzeugen ist der Digitale Zwilling der Fabrik direkt mit dem des Produktes verbunden. Dadurch reagiert die Fabrik optimal auf Variantenvielfalt und Fertigungskomplexität.“

Digitale Fabriken zeichnen sich durch eine deutlich höhere Flexibilität aus und können sich dadurch schneller an veränderte Markt- und Kundenanforderungen anpassen. Ermöglicht wird dies vor allem durch eine datenbasierte Entscheidungsfindung, durch den Einsatz neuer Technologien wie Künstliche Intelligenz, IoT und digitale Zwillinge sowie durch Automatisierung und Vernetzung sowie modulare Produktionssysteme.

Dazu Dr. Jochen Müller von John Deere: „In unserem Fall integrieren und analysieren wir fortwährend eine sich über den Lebenszyklus des Produktes anreichernde Datenmenge, um unsere Entwicklungs- und Produktionsprozesse zu optimieren und fundierte Entscheidungen frühzeitig treffen zu können. Hierfür nutzen wir vor allem digitale Zwillinge und unterschiedliche Simulationstools. Neben dem Einsatz neuer Technologien erfordert eine digitale Fabrik allerdings auch das entsprechende Personal mit den entsprechenden Fachkenntnissen. So werden neben den traditionellen Fertigungskenntnissen in einer digitalen Fabrik vor allem Fachkräfte mit Kenntnissen in IT, Datenanalyse und modernen Produktionstechnologien benötigt.“

Datensicherheit pragmatisch handhaben

Bei der Frage nach den Technologien steht neben KI sicherlich der Digitale Zwilling im Fokus des Geschehens. Dabei ist der Digitale Zwilling weniger eine einzelne Technologie, sondern vielmehr ein umfassendes Konzept, das die virtuelle und physische Welt miteinander verbindet. Es basiert auf der Integration verschiedener Technologien und hat das Ziel, Produktionsprozesse zu optimieren und kontinuierliche Verbesserungen zu ermöglichen.

„Es ist eine Kombination verschiedener Technologien erforderlich“, so der studierte Informatiker Markus Herhoffer. Der Digitale Zwilling als Konzept setzen wir mit EXP und unserer Explore Plattform um. Dafür braucht man eine funktionierende Cloud – entweder klassisch bei AWS oder Azure oder mit Kubernetes On-Premise, einer Open-Source-Plattform zur Automatisierung. Für die Verarbeitung von IoT-Events ist ein Kafka-Cluster unerlässlich.“

Ohne KI aber verschenke man das größte Potenzial. „Neben der eigentlichen technischen Umsetzung ist es wichtig, offen an die Sache heranzugehen und die Datensicherheit pragmatisch zu handhaben. Moderne Plattformen bieten bereits integrierte LLM-basierte Funktionen“, so Herhoffer. Das spare nicht nur Zeit, sondern ermögliche auch Anwendern ohne tiefgehendes IT-Wissen, komplexe Erkenntnisse aus dem Digitalen Zwilling zu gewinnen.

Beim Land- und Baumaschinenhersteller John Deere etwa kommen verschiedene Technologien zum Zuge. Der Einsatz unterschiedlicher digitaler Zwillinge findet dort in verschiedenen Unternehmensbereichen bereits heute statt, dazu Dr. Jochen Müller: „Der Clou ist, die über den Lebenszyklus anfallenden einzelnen Datenpunkte über den kleinsten gemeinsamen Nenner zu Informationen zu kombinieren und sie über mehrere Zwillinge hinweg einzusetzen. Bei den Analysen und Simulationen haben wir es oftmals mit einer Vielzahl an Varianten zu tun. Hierbei fallen enorme Datenmengen an. Um diese gleichzeitig analysieren und die Ergebnisse skalieren zu können benötigen wir eine hohe Rechenleistung.“

Gleichzeitig setzt man bei John Deere Analyse KI-Tools ein, um Muster zu erkennen und Entscheidungen zu beschleunigen.

Digitale Fabrik: Das ist die größte Herausforderung

Was die Vorreiterrolle bei der Implementierung digitaler Fabriken betrifft, gilt nach Expertensicht die Automobilbranche als führend. Die Automobilindustrie treibt also die Entwicklung der digitalen Fabrik voran, gefolgt vom Maschinenbau, der Elektronikindustrie und zunehmend auch dem Mittelstand. Diese Branchen setzen die Standards für Flexibilität, Effizienz und Innovation durch den Einsatz moderner Technologien wie Simulation, KI, IoT und automatisierten Systemen.

Wie aber können ‚Old School‘-Fabriken in digitale Fabriken überführt werden, dazu Alexander König, VW: „In der Theorie ist es grundsätzlich kein Problem, eine bestehende Fabrik in die digitale Welt zu überführen. Die größte Herausforderung ist es, analoge Prozesse mit digitalen Lösungen zu verknüpfen. Das ist zuweilen sehr zeitintensiv.“ Die Transformation einer bestehenden Fabrik in eine digitale Fabrik erfordert demnach eine durchdachte Strategie, die sowohl technologische als auch organisatorische Aspekte berücksichtigt. Ziel ist es, bestehende Maschinen und Anlagen zu modernisieren, digitale Technologien zu integrieren und das Personal entsprechend zu schulen.

„Parallel muss mit der Weiterbildung der Belegschaft im Umgang mit den neu vernetzten Maschinen und der Analyse der gewonnenen Daten begonnen werden“, sagt John Deere-Manager Jochen Müller. „So können dann Produktionsprozess optimiert und Maschinen in Echtzeit überwacht werden. Hürden bei einer Transformation ist vor allem die Tatsache, dass bestehende Maschinen und Anlagen nicht immer kurzfristig vernetzt werden können, da diese oftmals den neuen Anforderungen gegenüber angepasst oder sogar komplett ersetzt werden müssen.“

Auch Markus Herhoffer sieht die Chancen für eine Transformation: „Ich glaube nicht, dass ein Greenfield-Approach immer sinnvoll ist. John Gall hat geschrieben: ‚Ein komplexes System, das funktioniert, ist aus einem einfachen System hervorgegangen, das funktioniert hat.‘ Am besten ist es, mutig mit einem Proof of Conecpt direkt im Brownfield zu starten. Die Old School-Fabriken funktionieren ja schließlich. Mit agilen Methoden kommt man oft in kurzer Zeit und mit überschaubarem Aufwand weiter, als wenn man auf dem Reißbrett versucht, den perfekten Ponyhof zu bauen.“

Standards statt notdürftige Brückenlösungen

Die größten Herausforderungen sind für Herhoffer „heterogene Daten und Legacy-Systeme – und das seit Jahrzehnten. Standards setzen sich in der Branche nur schwer durch, hauptsächlich weil große Systemanbieter diese nicht immer einhalten wollen oder können. Als Folge entstehen notdürftige Brückenlösungen: unstrukturierte Daten in Excel, überkomplexe Jira-Projekte und mangelhafte Low-Code-Provisorien.“

Nach Ansicht von VW-Mann König ist eine große Hürde „die Pflege von Digitalen Zwillingen selbst, die aktuell noch sehr aufwendig ist.“ Die Strukturen und Datenformate der einzelnen Digitalen Zwillinge seien oftmals noch nicht aufeinander abgestimmt, um sie miteinander vernetzen und Informationen austauschen zu können.

„Hier sind Standards erforderlich, an denen bereits in einigen Verbänden und Konsortien gearbeitet wird, wie etwa der Industrial Digital Twin Association (IDTA). Dann werden wir auch besser in der Lage sein, die einzelnen Systeme, in denen die Digitalen Zwillinge entstehen, miteinander zu verbinden und die Daten interdisziplinär aktuell zu halten oder Informationen von den Zwillingen an weiterverarbeitende Systeme und Prozesse abzugeben.“ Dabei spiele die Cloud eine bedeutende Rolle; mit dem Industrial Metaverse habe man einen wichtigen Schritt in diese Richtung getan.“

Die Umwandlung bestehender Fabriken in digitale Fabriken bringt heute noch erhebliche Hürden mit sich, auch bei der Vernetzung der Maschinen und der Suche nach qualifizierten Fachkräften, dazu Jochen Müller: „Bei der der Vernetzung der Maschinen ist man oftmals auf Sonderlösungen angewiesen, da die Maschinen von unterschiedlichen Herstellern kommen und mit unterschiedlichen Schnittstellen ausgestattet sind. Diese sind kostenintensiv und stellen viele Firmen vor finanzielle Herausforderungen. Der Austausch der Daten zwischen den Maschinen erfolgt auch aufgrund von Systembrüchen oft nicht zufriedenstellend und kann oftmals nicht einheitlich genutzt werden.“

Auf wertschöpfende Tätigkeiten konzentrieren, um wettbewerbsfähig zu bleiben

Können die aktuellen Herausforderungen des Maschinen- und Anlagenbaus und verwandter Branchen wie Fachkräftemangel und Energiekosten dennoch mit digitalen Fabriken besser bewältigt werden? „Leider nur bedingt“, sagt EXP Software CTO. „Die Digitalisierung führt nicht automatisch zu Energieeinsparungen. Allerdings ermöglichen die gewonnenen Daten und Erkenntnisse eine gezielte Energieoptimierung – dies erfordert jedoch weiterhin die Expertise von Fachkräften. Diese Experten sind nach wie vor schwer zu finden. Die Möglichkeiten generativer KI beschleunigen jedoch die Lernprozesse erheblich. Was früher komplexes Meta-Wissen über Zugänge, Zugriffe und Datenstrukturen erforderte, kann heute von KI unterstützt werden. So können sich die Fachkräfte auf das konzentrieren, was sie am besten können und wofür sie ausgebildet wurden: ihre fachliche Expertise statt Datenmanagement.“

Dr.-Ing. Alexander König sieht im Einsatz von digitalen Zwillingen eine verbesserte Effizienz in vielen Prozessen, insbesondere bezüglich der Transparenz von Datenverfügbarkeit und -qualität. „Digitale Zwillinge ermöglichen einerseits Einsparungen von Ressourcen durch Prozessoptimierungen und helfen andererseits dabei, die Verfügbarkeit von Anlagen zu erhöhen. Der Einsatz von Digitalen Zwillingen bietet Potenzial in der gesamten Prozesskette, so können wir die Anzahl an Vorserienfahrzeugen und Versuchsträgern reduzieren, außerdem sparen wir Zeit im Fahrzeuganlauf, weil wir mit Hilfe von digitalen Zwillingen deutlich früher einen abgesicherten Anlagenzustand haben.“

Auch Jochen Müller sieht in digitalen Fabriken erhebliches Potential zur Bewältigung der anstehenden und kommenden Herausforderungen: „Auf jeden Fall. Da Deutschland ein Hochlohn-Land ist, müssen wir uns auf komplexere und wertschöpfende Tätigkeiten konzentrieren, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Durch die Optimierung und Beschleunigung von Entwicklungs- und Produktionsprozessen können viele manuelle und repetitive Aufgaben übernommen werden. Dies ermöglicht wiederum Freiräume für Schulungs- und Weiterbildungsmaßnahmen der Belegschaft, um sich den sich ändernden Rahmenbedingungen anzupassen.“ Die Digitalisierung und Vernetzung von Maschinen und Anlagen in einer digitalen Fabrik ermöglicht zudem eine kontinuierliche Auswertung von Echtzeit-Daten. Dies führt nicht nur zu einer Beschleunigung und Optimierung der Produktionsprozesse, sondern auch zu einer effizienteren Nutzung von Ressourcen.

Digitale Fabrik ist dazu da, dem Menschen zu dienen

Aber auch in der Ära der Digitalisierung und Automatisierung bleibt der Mensch ein unverzichtbarer Bestandteil der Produktion. In der digitalen Fabrik übernimmt der Mensch neue Aufgaben, die von Kreativität, Entscheidungsfindung und situativer Anpassung geprägt sind. „Natürlich brauchen wir weiterhin unsere Fachkräfte“, sagt Jochen Müller.

„Eine digitale Fabrik zeichnet sich dadurch aus, dass Menschen und Maschinen zunehmend zusammenarbeiten. Es geht vor allem darum Entscheidungen schneller und fundierter treffen zu können. Entsprechend erfordert die Zusammenarbeit auch Kommunikation und Koordination. Selbst wenn alle Maschinen miteinander vernetzt sind, so ist weiterhin die Expertise und Erfahrung der Fachkräfte entscheidend für die Optimierung und Anpassung der jeweiligen Prozesse. Unsere Fachkräfte kommen hierbei nach Auswertung der Daten und Muster mit innovativen Ideen und kreativen Lösungen. Außerdem muss immer sichergestellt sein, dass die Systeme funktionieren und bei Störungen der Anlagen eingegriffen werden.“

Markus Herhoffer wird noch deutlicher. „Die digitale Fabrik ist dazu da, dem Menschen zu dienen und die frustrierenden Aufgaben zu minimieren. Nur wenn einem der Mensch wichtig ist, digitalisiert man.“

Mit Blick in die Zukunft sagt Herhoffer: „In 50 Jahren werden Produkte vermutlich komplett digital entwickelt und in Smart Factories produziert. Die physische Fertigung wird dabei nur noch der letzte Schritt in einer langen digitalen Kette sein, bei der KI-Systeme nicht nur die Entwicklung optimieren, sondern auch die gesamte Produktionsplanung unterstützen. Im Bestfall wird es gelungen sein, alles vorab digital zu validieren, bevor auch nur eine einzige physische Anlage gebaut ist.“