26.07.2017 | Organisations- und Prozessberatung

Industrie 4.0 - Die Zukunft der digitalen Transformation Teil 3

-- Teil 13 von 14 der Artikelserie von Torsten Zimmermann zum Thema Industrie 4.0 --

Intelligente Werkstoffe sind der Schlüssel zum eigentlichen I4.0-Potential (2020-2030)

Ich möchte mich auf die Werkstoffe fokussieren. Ist es hier nicht verwunderlich, dass es vergleichsweise wenige neue Technologien in diesem Bereich gibt? Bei mir entsteht in diesem Zusammenhang der Eindruck, als ob man die I4.0-Entwicklungen um das zentrale Thema herum realisiert hätte. Es sollte aber klar sein, dass die Weiterentwicklung der Werkstofftechnologien der eigentliche Schlüssel zur digitalen Transformation ist. Hierzu eine kleine Motivation. Was wäre, wenn man den Aufbau eines Atoms steuern könnte? In meinem Schaubild sieht man ein Wasserstoff-Atom. Durch eine Apparatur, einem Controller, wäre man in der Lage, ein positives und negatives Potential zu erzeugen, wodurch letztlich ein Elektron und ein Positron erzeugt würde. Das Elektron wandert auf die 2. Elektronenbahn und das Positron in den Atomkern. Ein Helium-Atom ist entstanden. Klingt das zu fantastisch? In der Tat kann man diesen Vorgang mit heutigen Technologien unmöglich umsetzen. Beim Versuch, ein weiteres Proton dem Atomkern zu spendieren, würden die vorhandenen Protononen im Kern dieses abstoßen. Schön wäre der Gedanke aber schon: Vielleicht gelänge dann endlich das Kunststück, Blei in Gold zu verwandeln?

Fotolia 13999710 => Industrie 4.0, Digitalisierung
Bildquelle: © Fotolia.com/bounlow-pic

Wir erinnern uns: Forscher des Leipziger Max-Planck-Instituts konnten nachweisen, dass in einer DNA Daten mehrere 100.000 Jahre aufbewahrt werden können, indem sie eine 300.000 Jahre alte Bären-DNA sequenzierten. Dies brachte Wissenschaftler an der ETH Zürich, Schweiz, auf die Idee, Daten in einer DNA zu speichern. Dies gelang ihnen im Jahre 2015. Damit ist es auf Molekülebene prinzipiell möglich, Daten zu verwalten. Und man kann Molekülstrukturen kontrollieren.

Hierauf setzen die aktuellen Forschungen an der Carnegie Mellon University, USA, auf: Unter dem Begriffe „programmierbare Materie“ werden hier DNA-Stränge künstlich verkettet und deren Eigenschaften verändert. Im Labor ist dies bereits gelungen. Es lassen hierbei beliebig viele DNA-Stränge verbinden und formen. So könnten winzigste Bauteile im Nanobereich wie beispielsweise mikroskopisch kleine Zahnräder entstehen (sehe Bild). Nach diesem Erfolg wagt man sich nun an das eigentliche Ziel: die Beherrschung der Technologie um programmierbare Atome, welche oft auch Catome oder Conatome genannt werden.

Ähnlich meiner anfangs beschriebenen Motivation, bekommt hierbei jedes Atom einen Controller. Über den Controller kann das betreffende Atom gesteuert werden. Das heißt die Eigenschaften des Atoms können durch den Menschen verändert werden. Dies ist bereits im Labor mit einem Atom gelungen. In den nächsten Jahren wird nun versucht, eine Reihe von Catomen zu bilden. Dabei wird das erste Atom programmiert, wobei seine Nachbar-Catome die Informationen der Reihe nach übernehmen. Dieser Prozess erinnert an die Vererbung von Eigenschaften aus der objektorientierten Programmierung. Damit wäre es bereits möglich, einen Werkstoff bezüglich seiner Beschaffenheit, seinem Aussehen und seinen Eigenschaften zu steuern. Die betreffende Anordnung wäre jedoch zu ineffizient. Ziel ist es deshalb, ein Hexagon-Gitter aus Catomen zu bilden. Damit könnte man ohne Verwendung der sonst üblichen Werkzeuge aus einem Würfel eine Säule zu programmieren (siehe Bild). Oder wie wäre es mit einem Ventil, Motor, Hydraulikanlage oder ein Flugzeug? Die Umwandlung würde aufgrund der Vererbung einige Zeit dauern, da es hierzu mehrerer Iterationen für die Metamorphose benötigt. Im Prinzip ließe sich mit diesem Verfahren jedes Objekt generieren. Und an jedem Ort. Heute müssen Produkte oft an den eigens dafür errichteten Produktionsstandorten erschaffen werden.
Ähnlich wie bei 3D-Druck wäre es auch hier vorstellbar, dass diese Regel zukünftig nicht mehr gelten wird. Denn der Bedarf an Spezial-Werkzeuge, besonderen Produktionsanlagen und Infrastrukturen zur Produktrealisierung wird zurückgehen. Produkte könnten am Ort der Nutzung entstehen. Es würde einfach die notwendige Software und die produktbezogenen Daten übermittelt. Und wenn das Produkt nicht mehr benötigt wird, so wird es umprogrammiert. Das Recycle-Thema hätte man mit diesem Verfahren also auch im Griff. So interessant die Werkstoffeigenschaften in der Produktion sind, so umwälzend wären auch die Anwendungsmöglichkeiten im Alltag. Die Werkstoffe hätten eine Art Intelligenz, welche sich ihre einprogrammierten Eigenschaften merken. So wäre es möglich das Material mit seinen Händen zu verformen. Wenn man es wieder sich selbst überlässt, so würde es sich zu seiner ursprünglich festgelegten Form zurückverwandeln. Man stelle sich vor: endlich keine Dellen mehr am geliebten Auto nach einem Rempler beim Einparken.

Diese intelligenten Stoffe könnten Eigenschaften annehmen, welche heute kaum oder gar nicht in Kombination zu realisieren sind und damit den Einsatzbereich von Produkten deutlich erweitern:
• besonders leicht und dünn aber gleichzeitig extrem stabil und in bestimmten Situationen flexibel,
• je nach Situation durchlässig, semipermeable oder absolut dicht,
• sowie die situationsabhängige Anpassung der Produktform.

Ich rechne damit, dass Anfang bis Mitte der 2020er Jahre detaillierte Erkenntnisse und stabile Verfahren aus der Wissenschaft beziehungsweise Labors zum Thema der Catome soweit vorhanden sind, dass diese innovative Technologie Einzug in die moderne Fabrik finden wird.

Können Sie sich noch an meine Frage in Bezug auf die Bewertung der 3D-Druck-Technologie erinnern? Vielleicht waren auch Sie der Meinung, dass dem 3D-Druck eine goldene Zukunft sicher sei. Mit Blick auf die programmierbaren Atome könnte es jedoch für die Technologie ab 2022 eng werden. Eine disruptive Technologie wird von einer anderen gefressen, kommt mir dazu in den Sinn. Damit können wir den bereits bekannten Eigenschaften eine weitere hinzufügen: disruptive Geschäftsprozesse und -technologien weisen kannibalische Neigungen auf.


Torsten Zimmermann arbeitet an verschiedenen I 4.0 Arbeitskreisen der Industrie mit. In loser Reihenfolge beschreibt Torsten Zimmermann die Hintergründe, Entstehungsgeschichte und Lösungsansätze zu Industrie 4.0.

Der Begriff Industrie 4.0 wurde in der Forschungsunion der deutschen Bundesregierung sowie in einem gleichnamigen Projekt aus der Hightech-Strategie der Bundesregierung geboren. Er soll die Verzahnung der industriellen Produktion „mit modernster Informations- und Kommunikationstechnik“ bezeichnen. Zentraler Erfolgsfaktor und wesentlicher Unterschied zu Computer Integrated Manufacturing (demzufolge Industrie 3.0 genannt) soll die Anwendung der Internettechnologien zur Kommunikation zwischen Menschen, Maschinen und Produkten sein. Cyber-physische Systeme (cyber physical systems) und das „Internet der Dinge“ (IoT – Internet of Things) bilden hierbei die technologische Basis. Die Ziele sind im Wesentlichen klassische Ziele der produzierenden Industrie wie Qualität, Kosten- und Zeiteffizienz, aber auch Ressourceneffizienz, Flexibilität, Wandlungsfähigkeit sowie Robustheit (oder Resilienz) in volatilen Märkten. Industrie 4.0 zählt zu den Kernthemen der Digitalen Agenda der Bundesregierung.

#Industrie 4.0#digitale transformation
Jetzt teilen auf:
Torsten Zimmermann
Autor
Torsten Zimmermann
NUCIDA GmbH
Profil anzeigen ›
Vorheriger ArtikelNächster Artikel