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Neu entstehende Technologien und die Fabrik der Zukunft

Professor Peter J. Dobson, OBE

Für die „Fabrik der Zukunft“ besteht laut Dobson ein realer und dringender Ausbildungsbedarf.

2015 Juni 29, 08:00 CEST

In den letzten beiden Jahrzehnten hat sich die Fertigungslandschaft deutlich gewandelt. Die lauten, schmutzigen Fabriken mit ihren veralteten Werkzeugen und Arbeitsverfahren gehören endgültig der Vergangenheit an. Selbst in der Großserienfertigung sind die Arbeitsstätten erheblich sauberer und übersichtlicher geworden. Diese Änderungen wurden zu einem Großteil von Effizienzsteigerungen, einer höheren Produktqualität und Kostensenkungsverfahren vorangetrieben. Heute stellt sich die Frage: Wie werden die neu entstehenden Technologien und die Fortschritte bei den traditionellen Technologien die Form und Organisation der Fabrik der Zukunft prägen? Mit dem weitverbreiteten Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT), der sich in einer unverwechselbaren Mischung aus Technologien und Anwendungen äußert, wandeln sich bereits die Einstellungen zur Fertigung, darunter auch die Entwicklung und Ausbildung der Belegschaft der Zukunft.

Von Professor Peter J. Dobson OBE, The Queen’s College, Oxford and Warwick Manufacturing Group, University of Warwick

 

Göteborg / Schweinfurt, den 29. Juni 2015

 

Der allgegenwärtige Bedeutungszuwachs und die Ausdifferenzierung der IKT können nicht folgenlos bleiben. Prozesse lassen sich überwachen und steuern. Die Vor- und Endprodukte der Fertigung lassen sich nachverfolgen und die dabei gewonnenen Daten können für Effizienzsteigerungen genutzt werden. Der Maschinenzustand in den Fabriken lässt sich kontinuierlich überwachen. Das kann und wird große Auswirkungen auf die Reduzierung der Instandhaltungskosten und der Ausfallzeiten haben und sollte auch die Anfälligkeit für menschliches Versagen reduzieren (Dhillon 2014).

 

Auch der Entwicklungsprozess hat sich verändert. Die Anzahl der in der Entwicklung beschäftigten Mitarbeiter nimmt deutlich ab und die zugehörige Infrastruktur passt sich entsprechend an. Das könnte zu mehr Heimarbeit und spezialisierten Designteams führen oder zu Unternehmen, die mehrere Fertigungseinheiten betreuen. Die Entwicklungsproblematik wird vermehrt im Wortschatz von Ingenieuren auftauchen. Sie wird in weiteren Technikbereichen Einzug halten und zweifellos tiefgreifende Auswirkungen auf die Ausbildung auf allen Ebenen haben.

 

Bei den neu entstehenden Technologien gibt es Erweiterungen der Biotechnologie durch Neuentwicklungen in der Systembiologie und der Synthetischen Biologie. Ähnliche Phänomene gibt es auch in der Nanotechnologie und deren Anwendung bei Werkstoffen, sowie in der Medizin, im Energiesektor und in anderen Sektoren. Mittlerweile zeichnet sich der Bedarf an einer neuen Art von Fabrik ab, die menschliche Zellen erzeugen und manipulieren kann.

 

In vielerlei Hinsicht hat die Biotechnologie bereits einen Platz in der Fabriklandschaft eingenommen, dessen Größe und Umfang jedoch stark variiert. Aus Pflanzen werden bereits im großen Maßstab Non-Food-Produkte und Energie gewonnen, doch daneben gibt es auch kleine, aber hochmoderne Fabriken, die reine Enzyme, Proteine und Biomoleküle für die Medizin und andere Zwecke herstellen. Diese Aktivitäten werden trotz der gentechnischen Bedenken zunehmen. Ein gemeinsamer Faktor dieser Aktivitäten ist die zunehmende Bedeutung interdisziplinärer Tätigkeiten und der wachsende Bedarf an Chemikern und Verfahrenstechnikern.

 

Die Entwicklung von „Fabriken für die Stammzellproduktion“ und später möglicherweise auch von „Organersatzfabriken“ ist sehr wahrscheinlich, auch wenn das Geschäftsmodell solcher Fabriken und ihre interne Organisation noch nicht feststehen. Biotechnologien sind sehr anfällig für Verunreinigungen durch Mikroben-, Viren- und Pilzarten. Reinheit und Reinigung sind von entscheidender Bedeutung. Die meisten Biotechnologiewerke müssen und werden sehr sterile Betriebsumgebungen gewährleisten und strenge Sicherheitsvorschriften für die Abfallströme erfüllen.

 

Wie bei vielen anderen chemischen Prozessen werden diese Werke versuchen, alle „Abfälle“, darunter Wärme und Kohlendioxid, für andere interne Prozesse zu nutzen. Dieses Konzept – abfallfreie Produktion mit maximaler thermischer Effizienz – wird zu einer festen Größe im Denken der Verfahrenstechniker. Ein gutes Beispiel ist die Energiegewinnung aus Abwärme: Flüssigkeitsströmungen oder Schwingungen werden genutzt, um Sensoren, die immer stärker in die Fabrikprozesse integriert sind, mit Strom zu versorgen. Dadurch kann oft zugunsten einer drahtlosen Fernmessung auf Kabel verzichtet werden.

 

Die Nanotechnologie hat das Potenzial, durch einen inkrementellen Ansatz erhebliche Verbesserungen und Veränderungen bei Werkstoffen zu bewirken und einen echten Wandel in Bereichen wie Niedrigenergiebeleuchtung, Energiespeicherung, Energieumwandlung und Nanomedizin herbeizuführen. Es wird einen Bedarf an einem massiven Scale-up geben, damit Nanopartikel und andere Nanostrukturen unter streng kontrollierten Bedingungen in Serienfertigung hergestellt und anschließend in Materialien und Produkte integriert werden können. Diese „Reise“ hat gerade erst begonnen. Wir sind uns bereits der Gefährdungspotenziale von Nanopartikeln bewusst, die versehentlich in die Umwelt gelangen. Ihr Einsatz wird daher streng kontrolliert und allein diese Tatsache wird zu neuen, vorteilhaften Kontrollmöglichkeiten für die Abfallströme in der Fabrik der Zukunft führen. Darüber hinaus werden wir uns mit den wirtschaftlichen Aspekten der Einführung neuer Nanokompositmaterialien auseinandersetzen müssen, selbst wenn wir inkrementelle Verbesserungen anstreben. Die meisten Branchen stehen unter dem Paradigma „Cost is King“ und der Markt wird entscheiden, ob ein geringer Leistungsvorteil eine Steigerung der Fertigungskosten rechtfertigt. Für die Fertigung der Zukunft wird es eine deutlich detailliertere Lebenszyklusanalyse geben. Das zeigt sich bereits bei den Verbundstoffen, aus denen sich nur sehr schwer die ursprünglichen Ausgangsstoffe rückgewinnen lassen. Bei zunehmender Ressourcenknappheit kann dies sogar zu neuen Konzepten für Wiedergewinnungsanlagen führen.


Sektoren, für die neue Fabrikkonzepte benötigt werden

Im pharmazeutischen Sektor wird es wahrscheinlich bald zu radikalen Veränderungen kommen. Viele der herkömmliche Verfahren zur Herstellung neuer Medikamente werden bleiben, aber um die Qualität zu sichern und die Kosten niedrig zu halten, wird der Grad der Automatisierung und Instrumentierung steigen. Vor allem die Einführung von Nanotechnologien zur Synthetisierung neuer Diagnose- und Verabreichungsverfahren wird zu größeren Veränderungen bei der Produktherstellung führen. Das kann stufenweise erfolgen, anfänglich mit einer „Lebensdauerverlängerung“ der aktuellen Rezepturen durch neue Verabreichungsformen mit Hilfe von Nanopartikeln oder Nanokapseln. Das könnte besonders auf Medikamente zutreffen, die inhaliert werden. Die Nanopartikel werden über eine raffinierte Beschichtung zur „Zielerkennung“ verfügen, damit sie die richtige Stelle im Körper erreichen können. Die Herstellungsabläufe reproduzierbar zu machen und so zu gestalten, dass die behördlichen Anforderungen erfüllt werden, wird anspruchsvoll.

 

Für den Energiesektor werden neue Fertigungsverfahren erforderlich. Nanopartikel und viele Aspekte der Biotechnologie werden eine zentrale Rolle bei den neuen Verfahren zur Erzeugung und Speicherung von Energie spielen. Die meisten Fortschritte bei Batterien hängen wesentlich von der Entwicklung neuer Werkstoffe zur Bindung und Freisetzung geladener Ionen ab. Das erfordert die Inte­gration neuer kohlenstoffbasierter Werkstoffe mit großen internen Oberflächen. Der Bedarf dafür beschränkt sich nicht auf Hybrid- und Elektrofahrzeuge, sondern kommt aus allen Bereichen der Energiespeicherung, insbesondere für nur periodisch verfügbare Energien wie die Wind- und Sonnenenergie.

 

Nanopartikel für die Katalyse werden ebenfalls in zunehmend komplexeren Formen benötigt. Es gibt ein großes Potenzial für die Herstellung von Katalysatoren und Reaktoren zur Umwandlung ungenutzter Stromkapazitäten in Gas, entweder mittels Elektrolyse oder Fotoelektrolyse von Wasser in Wasserstoff und möglicherweise auch zur Gewinnung von Methan aus Kohlendioxid und Wasser. Katalysatoren und neue, spezielle Reaktoren werden auch für die Verflüssigung von Gas benötigt, weil Brennstoffe auf Kohlenwasserstoffbasis nolens volens ein sehr effektiver Energieträger sind.

 

Die Transport- und Automobilindustrie wird sehr hohe Anforderungen an die neuen Werkstoffe stellen und verlangen, dass diese trotz hoher Festigkeit und Stabilität möglichst leicht sind. Bei Fahrzeugen wird Stahl schon heute durch das leichtere Aluminium ersetzt – ein allgemeiner Trend, der sich fortsetzen dürfte. Der Einsatz von Verbundstoffen als Alternativen zu Stahl ist aufgrund der bereits beschriebenen Recyclingprobleme besonders komplex. Die Energiegewinnung aus Fahrzeug- und Gebäudeabwärme wird zu neuen Arten von Wärmepumpen und anderen Energiewandlern führen.


Ausbildung

Es besteht ein realer und dringender Ausbildungsbedarf für die Fabrik der Zukunft. In Europa gibt es zahlreiche Initiativen wie „Manufuture“. Die entgegengesetzte Situation in den USA und in Japan wurde von Mavrikios et al (2013) sehr gut beschrieben. Die globalen Trends in diesem Bereich wurden in einem Papier von Secundo et al (2013) zusammengetragen und analysiert. Darin wurden insbesondere das gesellschaftliche Erfordernis zum Schutz knapper Ressourcen, der Klimawandel und der Kampf gegen die Armut thematisiert. Die Autoren gehen auch auf das Manufuture-Programm und das IMS2020-Programm in Europa, Japan, Korea, den USA und der Schweiz ein. Diese beiden Programme berücksichtigen neben den vorstehend genannten Themen auch Fragen wie Standardisierung, Innovationen und den überaus wichtigen Aspekt der Bildung und Ausbildung. 

In Großbritannien gibt es Ausbildungsprogramme auf mehreren Ebenen. Die Kapazitäten für die frühzeitige Aneignung von Fertigkeiten durch Ausbildungsprogramme werden ausgebaut. Zusätzlich zu den Fachoberschulen (Colleges of Further Education) sollen neue Technische Hochschulen (University Technology Colleges) das Ausbildungsangebot erweitern. Auf einem höheren akademischen Niveau gibt es spezielle Forschungszentren für Doktoranden (Centres for Doctoral Training). In Großbritannien und anderen Ländern ist von einer Lücke zwischen dem Postgraduierten-Stadium und berufsspezifischen Aus- und Weiterbildungskursen (Continuing Professional Development) auszugehen. Das ist ein Problem, das auf jeden Fall angegangen werden sollte.

 

Das EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council) hat kürzlich ein fokussiertes Programm zur Verbesserung der Ausbildung und Wissensvermittlung in der Fertigung aufgelegt und 16 Centres for Innovative Manufacturing gegründet. Das Angebot an Forschungs- und Entwicklungsprogrammen für die unteren Technology Readiness Levels 1 bis 3 ergänzt die neuen InnovateUK Catapult-Programme für die höheren TRL-Level. Aktuell gibt es davon landesweit sieben Programme mit einem Volumen von 140 Mio. £ über einen Zeitraum von sechs Jahren.

 

Ein weiterer Aspekt, auf den bislang nicht eingegangen wurde, ist das Problem, wie die Funktionsfähigkeit der Fabrik der Zukunft gewährleistet werden soll. In den letzten Jahren hat die Zustandsüberwachung bzw. die vorbeugende Instandhaltung insbesondere in der Luft- und Raumfahrt und in der Autoindustrie Einzug gehalten. Mit zunehmender Ausdifferenzierung und Automatisierung der Fertigungsprozesse ergibt sich das Erfordernis, Anlagenausfälle und insbesondere mensch­liches Versagen zu verhindern. Diese Thematik wird von Dhillon (2014) in einem kürzlich veröffentlichten Papier gut dargestellt.

 

Welche regionalen und nationalen Richtlinien entwickeln sich zur Förderung der Fabrik der Zukunft? Für die Antwort auf diese Frage gibt es einen breiten Konsens und es scheint sich eine gemeinsame Zielsetzung herauszubilden.

 

Die Europäische Kommission hat eine Studie veröffentlicht, die vom Forschungsverband „European Factories of the Future“ in Auftrag gegeben wurde. Sie heißt „Factories of the Future“ und beschreibt mit dem Programm „Horizont 2020“ einen detaillierten Zeitplan. Die Studie berücksichtigt technische, gesellschaftliche und organisatorische Aspekte und nimmt eine umfassende Perspektive ein.

 

Im Rahmen ihres Foresight-Projekts „The Future of Manufacturing“ hat die britische Regierung die Studie „The Factory of the Future“ (Ridgeway et al, 2013) veröffentlicht. Sie empfiehlt:

 

        Stärkere Integration von Beschaffungsketten

        Engere Zusammenarbeit von Industrie und britischen Universitäten

        Fokus auf organisatorische und technische Innovationen

        Eine systemintegrative Perspektive

        Entwicklung von rekonfigurierbaren Werken und Betriebsabläufen

        Günstige regulative Rahmenbedingungen für neue Fabriken, besonders in den Biowissenschaften

        Eine nationale Vision zur Förderung von Innovationen und Talent-Netzwerken

        Anerkennung der Notwendigkeit einer Kultur der Veränderung


Vieles deutet darauf hin, dass regionale Politikansätze zur Schaffung der Fabrik der Zukunft an Dynamik gewinnen werden. So fördert die EU beispielsweise ein modulares Plug-&-Play-Konzept für die Chemieproduktion bei Bayer Technology Services in Deutschland. Die riesigen BASF-Produktionsanlagen in Ludwigshafen sind ein aktuelles Beispiel für eine vollintegrierte Fertigung mit minimaler Abfallmenge und minimalem Energieeinsatz.

 

Über den Wunsch zur Gründung der Fabrik der Zukunft besteht bereits Einigkeit. Die Umsetzung dieser Mission wird spannend und anspruchsvoll werden.

 

Literatur:

 

Mavrikios D, Papakostas N, Mourtzis, D, and Chryssolouris G. (2013).On industrial learning and training for the factories of the future: a conceptual, cognitive and technology framework. J.Intell. Manuf. 24, 473.

 

Dhillon BS. (2014). Human error in maintenance: An investigative study for factories of the future. Materials Science and Engineering. 65, 012031.

 

Ridgway K, Clegg CW, Williams DJ. (2013). The Factory of the Future. ISBN-13:987-0-9927172-0-9

 

Secundo G, Passiante G, Romano A and Moliterni P (2013).Developing the next generation of engineers for intelligent and sustainable manufacturing: A case study.  International Journal of Engineering Education 29, 248.


Über Peter Dobson:

Professor Peter Dobson OBE, BSc, MA (Oxon), PhD, C Phys, F Inst P, Member of the ACS, FRCS.

 

Peter Dobson ist ein führender Fertigungsexperte für fortschrittliche Werkstoffe und Nanotechnologien. Er ist Principal Fellow der Warwick Manufacturing Group der Universität Warwick, Mitglied mehrerer EPSRC-Panels und -Komitees und berät zahlreiche Unternehmen. Von 2002 bis 2013 leitete er den Begbroke Science Park der Universität Oxford und war an mehreren Ausgründungen beteiligt. 2013 wurde Dobson in Anerkennung seiner Dienste für Forschung und Technik mit dem Order of the British Empire (OBE) geehrt. Im gleichen Jahr emeritierte er von der Universität Oxford, wo er von 2009 bis 2013 für den Britischen Forschungsrat als Strategischer Referent für Nanotechnologie tätig war.


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