Produkte, individuell wie handgemacht, aber hochautomatisiert gefertigt – wie geht das?

von Ulrich Eberl

Unsere Vorstellung von der Zukunft, die Vision, knüpft immer an Vertrautes an, sonst bleibt sie für uns unvorstellbar. Die Vorstellungen der Science-Fiction irritieren und faszinieren, weil Materie darin nicht mehr nur Objekt ist, das der vollständigen gestalterischen Kontrolle der Menschen unterliegt, sondern Züge einer autonomen Identität gewinnt. Science-Fiction von heute, im digitalen Zeitalter, entwirft Visionen einer postdigitalen Ästhetik, die in den Bildern des Illustratorenteams Sucuk und Bratwurst mit vertrauten Vorstellungen der Street Culture konvergieren.

Das leise Räuspern hat etwas fast Menschliches. „Wir haben hier einen etwas ungewöhnlichen Einzelauftrag“, sagt Kira, als sie vor den autostereoskopischen OLED-Wänden wie aus dem Nichts auftaucht. Kira – die „Künstliche Intelligenz für Robotik und Automatisierung“ – erscheint als sanft lächelnde, souveräne Businessfrau. Auf ihre Handbewegung erhebt sich in der Mitte des Multifunktionstisches ein transparenter Würfel mit einer Kantenlänge von etwa 120 Zentimetern: ein holografisches Display, in dem man lasergesteuert 3D-Objekte frei im Raum schweben lassen kann.

Im Holo-Würfel bewegt sich ein Fahrzeug im Maßstab 1:5 um seine Achse. Starke Elektromotoren treiben es an. Im Inneren oberflächenveredelter Stahl mit 3D-Texturen, außen Chamäleonlack, der auf Knopfdruck irisierende Farbeffekte zeigt. Dann klappen aus dem Unterboden Flügel aus, mit kippbaren elektrischen Propellern. Scheinbar mühelos startet das Gefährt senkrecht nach oben, die Räder verschwinden unter den Sitzen, die Achsen der Rotoren drehen sich – aus dem Automobil ist ein Flugzeug geworden, das bis zu 100 Kilometer in der Luft zurücklegen kann.

Ein kurzes Rauschen im Display, dann öffnet sich der Blick in die Fertigungshallen: Produktionsinseln und Transportmaschinen tauchen auf, ebenso autonome Roboter und menschliche Firefighter, die Prozesse überwachen und einspringen, wenn es hakt. Mitten im Bild erscheint eine Anlage, in der es immer wieder hell aufblitzt, wenn Laserstrahlen auf feine Metall- und Keramikpulver treffen. Hier entstehen die extrem stabilen Formgedächtnislegierungen, die bei Erhitzung und Abkühlung ihre Kristallstruktur verändern. An kritischen Stellen unterstützt durch elektrisch ansteuerbare Piezokeramiken, erzeugen sie die Kräfte für die komplexen Klapp- und Kippbewegungen des Flugautos – die Simulationen zeigen die Details dieses 4D-Drucks ebenso wie die durchgängige Optimierung der Fertigungsprozesse, die Lieferketten und -termine, die Ferndiagnose und -wartung, ja selbst das Recycling am Ende der Lebensdauer des innovativen Gefährts.

Das Fahrzeug mit Persönlichkeit
Ein Szenario – vielleicht für die 2030er Jahre? Noch sind die Konzepte der Industrie 4.0 nicht durchweg Stand der Technik, da machen sich Zukunftsforscher Gedanken für die Zeit danach. Was kommt nach Industrie 4.0, wohin entwickelt sich die industrielle Produktion? Die Richtung ist klar: eine automatisierte Fertigung von Einzelstücken. Menschen wollen ihre Individualität leben, ihre Persönlichkeit ausdrücken, authentisch sein. Markenhersteller personalisieren ihre Produkte, Sonderausstattungen erzeugen Millionen von Varianten. Mit „Crowd-sourcing“ oder „Co-Creation“ werden Kunden zu Partnern. Übers Internet teilen sie Design-Ideen oder Verbesserungsvorschläge mit und greifen so direkt in Entwicklungs- und Herstellungsprozesse ein. Zudem gibt es immer mehr Antriebsvarianten, ob mit fossilen oder erneuerbaren Energieträgern oder elektrisch. Smart Cars kommunizieren künftig nicht nur untereinander, sondern auch mit der Infrastruktur. Mobilitätskonzepte ändern sich in Richtung einer bedarfsorientierten Nutzung, ob in Sharing-, Leasing- oder Mobility-on-demand-Lösungen.

Autonome Elektrotaxis, herbeigerufen über eine Smartphone-App oder intelligente Lautsprecher, sind ein Modell für die Stadt der Zukunft, gerade im Hinblick auf die älter werdende Bevölkerung. 2050 wird jeder dritte Mitteleuropäer über 65 Jahre alt sein, jeder Achte über 80. Die Zahl der über 100-Jährigen soll sich gegenüber heute verzehnfachen. Eine Rund-um-die-Uhr-Verfügbarkeit autonomer Fahrzeuge könnte die Mobilität sicherstellen und zugleich verkehrsgeplagte Städte entlasten. Dubai weicht schon mit Flugtaxis in die dritte Dimension aus. Bis 2030 will das arabische Emirat ein Viertel seines Verkehrs auf autonomen Transport umgestellt haben: auf den Straßen ebenso wie in der Luft.

Geburt als digitaler Zwilling
Mass Customization, die Verknüpfung von Massenproduktion mit individuellen Produkten nach den Anforderungen der Kunden, ist ein wesentliches Ziel der Industrie 4.0. Aber wie muss sie aussehen, die flexible Fabrik, in der Menschen und Dinge miteinander reden und sich zur Smart Factory vernetzen? Wie lassen sich extrem individualisierte Produkte – im Extremfall Einzelstücke – in kurzer Zeit herstellen, und das auch noch hochgradig automatisiert, energieeffizient und umweltschonend?

Die Fertigung von morgen ähnelt eher einem perfekt organisierten Ameisenstaat mit Schwarmintelligenz als der durchgetakteten Planung der Vergangenheit. Digitalisierung umfasst die gesamte Wertschöpfungskette, auf der Basis von Industrie 4.0, der intelligenten Kombination von Software-, Sensor-, Prozessor- und Kommunikationstechnik zur Verbindung virtueller und realer Welten. In der digitalen Fabrik entstehen die Produkte zuerst als digitale Zwillinge in der virtuellen Welt, am Computer entworfen und mithilfe lernfähiger Algorithmen optimiert. Ihr Betrieb, ihre Wartung und selbst das Recycling werden getestet, bevor nur eine Schraube real existiert. Entwickler spielen Fertigungsprozesse virtuell durch, von den Bewegungsabläufen der Menschen bis zum Zusammenwirken der Maschinen.

Alle für die Planung und Produktion wesentlichen Partner sind via Internet verbunden, nehmen in Echtzeit Änderungen vor und diskutieren miteinander. Dank des digitalen Zwillings stehen Produktionsmitarbeiter auch später, während der realen Fertigung, nicht alleine da: Mit Augmented Reality können sie Detailinformationen, 3D-Daten oder kurze Videos als Montagehilfen direkt in die reale Umgebung einblenden, also beispielsweise auf die Karosserien der Fahrzeuge projizieren und sie über ihre Tablets oder Virtual-Reality-Brillen sehen. Um möglichst flexibel fertigen zu können, bringen autonom agierende Transporteinheiten die Fahrzeuge und die zu montierenden Bauteile zu Produktionsinseln, wo Menschen und Roboter zusammenarbeiten. Ist eine Insel gerade besetzt, sucht sich die Transporteinheit eine andere Insel, die frei ist und wo ein Produktionsschritt vorgezogen werden kann.

Smarte Werkstücke reden miteinander
In der sich selbst optimierenden Produktion ist – Stichwort „Internet der Dinge“ – die Kommunikation von Maschine zu Maschine ebenso wichtig wie die zwischen Menschen und Maschinen. Schon heute soll es mehr Maschinen geben, die übers Internet verbunden sind, als Menschen auf der Erde leben. Und diese Zahl wächst mit rund 40 Prozent pro Jahr. Jeden Tag werden durch Geräte aller Art – Sensoren, Computer, Smartphones – zehnmal mehr Daten produziert, als in allen Büchern der Welt enthalten sind. Auch in den Fabriken werden immer mehr Werkstücke „smart“ und wandeln sich zu sogenannten Cyber-Physical Systems. Beispielsweise dadurch, dass jedes Werkstück mit einem Funkchip ausgerüstet wird, in dem sein individuelles Produktgedächtnis – sozusagen seine eigene Identität – gespeichert ist. Werkstücke können so untereinander und mit der Fabriksteuerung Daten austauschen. Außerdem wissen sie zu jedem Zeitpunkt um den Stand ihrer eigenen Bearbeitung und ihre nächste Aufgabe.

In den Produktionsinseln wiederum werden in Zukunft nicht nur Menschen tätig sein, sondern auch kollaborative Roboter. Sie arbeiten ohne Schutzzäune Hand in Hand mit den Menschen. Kameras mit Objekterkennung und empfindliche Sensoren machen sie extrem sicher: Registrieren sie einen unerwarteten Kontakt, etwa an den Armen oder Greifern, können sie binnen Tausendstelsekunden ihre Aktivität abrupt stoppen. Außerdem lassen sich künftig Daten wie Körpergröße oder individuelle Einschränkungen der Mitarbeiter abspeichern – die Maschinen stellen sich automatisch darauf ein.

Materialien mit Gedächtnis
Hinzu kommen fortgeschrittene Technologien für die Fertigung. Früher wurde geschmiedet, gefräst, gebohrt oder gegossen. Heute kann man via Laser im 3D-Druck Pulvermaterialien Schicht für Schicht verschmelzen und Objekte mit sehr komplexen Geometrien wachsen lassen – ohne Umwege direkt mit den Daten des digitalen Zwillings. Das funktioniert inzwischen nicht nur mit schnell aushärtenden Kunststoffen, sondern auch mit Metallen und Keramiken.

In Zukunft ist auch ein 4D-Druck möglich – das sind Materialien, die über 3D-Druck zusammengefügt werden und sich danach, sozusagen in der vierten Dimension der Zeit, in eine neue Form bringen. Diese Umwandlung kann durch Hitze geschehen, durch Feuchtigkeit oder mithilfe von elektrischem Strom. Besonders gut eignen sich dafür Memory-Metalle, sogenannte Formgedächtnislegierungen, wie etwa Nickel-Titan, die nach Erwärmung eine bestimmte Gestalt annehmen und bei Abkühlung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Selbst künstliche Muskeln lassen sich bauen, etwa aus elektroaktiven Kunststoffen oder verdrillten Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Lernende Maschinen als Schlüssel zu Industrie 5.0
Ob für die stetige Verbesserung von Fertigungsabläufen während des Betriebs, das Anlernen von Robotern, die Einbindung von Zulieferern und Kunden oder die möglichst einfache Bedienung von Maschinen: Ohne breiten Einsatz künstlicher Intelligenz (KI) ist die Smart Factory der Zukunft nicht denkbar. Dies geht noch weit über die Digitalisierungskonzepte der Industrie 4.0 hinaus – so weit, dass man die KI als den wesentlichen Qualitätssprung zu einer Industrie 5.0 bezeichnen könnte. Programmieren gehört mit KI der Vergangenheit an, künftig werden Maschinen aller Art über Dialoge in natürlicher Sprache und über Gesten gesteuert: Die Fabrikmitarbeiter zeigen den Maschinen einfach, was sie tun sollen, und sie sprechen mit ihnen, wie sie es von Smartphones und intelligenten Lautsprechern gewohnt sind.

Außerdem analysiert die künstliche Intelligenz die Daten unzähliger Sensoren und erkennt so sehr frühzeitig, wenn bei Robotern oder den Prozessen in der Fabrik Probleme entstehen – oft deuten sich Abweichungen, Unregelmäßigkeiten oder Qualitätseinbrüche schon an, noch bevor sie tatsächlich passieren. So können die KI-Systeme rechtzeitig Alarm schlagen und Alternativen empfehlen, welche die menschlichen Fachleute dann im Dialog mit der Maschine diskutieren, priorisieren und umsetzen.

In Zukunft wird die künstliche Intelligenz zudem mit den Daten der digitalen Zwillinge und den Informationen aus dem tatsächlichen Produktionsumfeld Vorab-Simulationen durchführen, um auch Problemen auf die Spur zu kommen, die bisher noch gar nicht auftraten, die aber denkbar sind und auf die man vorbereitet sein sollte. Und immer mehr wird auch künstliche Kreativität ins Spiel kommen, das heißt, die smarten Maschinen werden Design-Vorschläge machen, Produktideen und Fertigungsprozesse kombinieren und sie aufgrund der Rückmeldungen, die sie von Menschen erhalten, immer weiter verfeinern und verbessern.

Kein Zweifel: In zehn bis zwanzig Jahren wird eine Smart Factory in erheblichem Ausmaß von eigenständig agierenden und miteinander kommunizierenden Maschinen und Werkstücken „mit eigener Identität“ geprägt sein. Doch ebenso sicher werden auch die Menschen in der Fabrik der Zukunft nach wie vor eine wesentliche Rolle spielen. Nicht nur als „Firefighter“, wenn es Probleme gibt, sondern auch als Lenker und Denker, als Planer und Entscheider, als kreative Problem- und Konfliktlöser, als diejenigen, die Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleisten, und als die entscheidenden Partner, die emotionale und soziale Intelligenz gegenüber ihren Kunden und Zulieferern beweisen müssen. Die Aufgaben des Menschen in der flexiblen Fabrik von morgen werden nicht eintöniger, sondern vielseitiger, abwechslungsreicher und spannender und dem „Individuum Mensch“ sicherlich angemessener, als es klassische Fabriktätigkeiten waren.

Kira jedenfalls ist kein Ersatz für den Menschen. Nur das Mittel zum Zweck.

 

Dr. Ulrich Eberl promovierte an der TU München in Physik und leitete 20 Jahre lang bei Siemens die Kommunikation über Forschung und Innovationen. Eberl war zudem Gründer und 15 Jahre lang Chefredakteur des Zukunftsmagazins Pictures of the Future. Er schrieb mehrere Sachbücher, darunter „Zukunft 2050“ (2011) und „Smarte Maschinen – wie Künstliche Intelligenz unser Leben verändert“ (2016).

Sucuk und Bratwurst ist ein vierköpfiges Design-Studio aus Mainz bestehend aus Alessandro Belliero, David Gönner sowie Lukas und Denis Olgac. Inspiriert vom Internet, von der Geschwindigkeit und allem, was glänzt, starteten sie bereits vor ihrer Karriere als Agentur mit freien Arbeiten, digitalen Collagen und 3D Renderings, die man wohl am ehesten der Post-Internet-Art zuschreiben könnte. Seit 2014 sind sie als Design-Studio für ihre digitalen, dreidimensionalen Werke zwischen Science-Fiction und Tuning bekannt. Ausstellungen in Museen und Galerien sowie Vorträge an Kunst- und Design-Hochschulen in ganz Deutschland gehören neben ihrer Arbeit für internationale Sportmarken, Musiker und Magazine zu ihrem Repertoire.