Digitalisierung in der Automobilindustrie

11 Min
02. Mai 2024
Automobilindustrie

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Elektromobilität, Elektrifizierung, Telematik, autonomes Fahren, Digitalisierung sowie Sustainability zwingen die Automobilindustrie weltweit in einen langfristigen Strukturwandel. Der Bedarf an Prozessautomatisierung, Vernetzung der Fertigungsprozesse und Qualitätssicherung verändert die Produktionsabläufe immens. Dies betrifft auch die Zulieferer der Automobilindustrie. Die Wertschöpfungsketten werden belastbarer. Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg.

1. Status Quo

Die Automobilbranche im Kontext der Digitalisierung

Was genau macht die Komplexität in der Automobilindustrie im Vergleich zu anderen Branchen aus? Entscheidend ist, dass die im Fahrzeug verbauten Elemente einen hohen technischen Ressourcenbedarf haben. Bis auf wenige Ausnahmen erfolgt die Automobilproduktion in einer industriellen Linienfertigung. Diese Linienfertigung zeichnet sich durch einen hohen Automatisierungsgrad aus. Die Automobilhersteller streben das Prinzip der kundenindividuellen Massenfertigung an, um Skaleneffekte zu realisieren. Dieses Prinzip erfordert Fabrikautomation und Modularisierung.

Ziel ist ein strategisch-operativer Ansatz, bei dem die Produktion erst nach dem Kundenauftrag beginnt. Diese Produktionsstrategie wird auch Build-to-Order genannt. Auch aus diesem Grund ist ein hoher Automatisierungsgrad erforderlich. So ist der Einsatz von Robotik, einschließlich Industrierobotern, in der Automobilindustrie am höchsten. Der folgende Text wird gezielt auf das Thema Wireless IoT Technologien und Automatisierung in der Automobilindustrie eingehen.

Fahrzeugentwicklung und Forschung

Die Automobilindustrie investiert erheblich in Forschung und Entwicklung, um neue Fahrzeugtechnologien, Designs und Materialien zu entwickeln. Dies umfasst Bereiche wie alternative Antriebssysteme, autonomes Fahren, Konnektivität, Sicherheitstechnologien und vieles mehr.

Vorserie

Es kann Jahre dauern, bis ein Prototyp serienreif ist. Dieser Prozess wird auch als Vorserienfertigung bezeichnet. Die Fahrzeuge dieser Fertigung werden als Nullserie bezeichnet.

Automobilherstellung

Darunter versteht man die industrielle Fertigung von Fahrzeugen. Dabei werden Fahrzeuge, Aggregate und Teile in zahlreichen Produktionsstätten weltweit gefertigt. Ein hoher Vernetzungsgrad der Werke bedeutet Transparenz und Effizienz und wird daher angestrebt. Die Produktion erfolgt heute standardisiert nach Produktionssystemen. Zur Automobilproduktion gehören Gießereien, Presswerke, Rohbau und Karosseriebau, Lackiererei, Innenausbau, Außenausbau, Getriebebau, Motorenbau, Endmontage, Qualitätssicherung.

Zulieferindustrie

Die Zulieferindustrie besteht aus Unternehmen, die Komponenten, Bauteile und Systeme für Fahrzeuge herstellen und liefern. Dazu gehören beispielsweise Motoren, Kabelbäume, Innenverkleidungen, Batterien und Elektronik. Auch Unternehmen, die Dienstleistungen wie Design, Engineering und Fertigung anbieten gelten als Zulieferer.

Fahrzeugzulieferung

Automobilhersteller werden von Hunderten von Zulieferern beliefert. Produktionsstillstände aufgrund fehlender Komponenten verursachen hohe Ausfallkosten. Die Digitalisierung der Supply Chain in der Automobilindustrie muss daher just-in-time reibungslos und pünktlich funktionieren. IoT-Werkzeuge reduzieren die Kosten für die Lieferung von Pipeline-Beständen und erhöhen die Planungssicherheit.

Distribution und Einzelhandel

Auch wenn die Distribution kein Teil des produzierenden Gewerbes ist, besteht eine starke Abhängigkeit von den produzierenden Unternehmen. Dies betrifft Liefertermine und den After Sales Bereich, sobald Kennzeichnungskomponenten aus der Produktion Einfluss darauf haben. Dies ist beispielsweise bei After-Sales-Aktivitäten im Zusammenhang mit Autoreifen der Fall.

Wartung, Reparatur und Ersatzteillogistik

Die Automobilindustrie umfasst auch Unternehmen, die Wartungs- und Reparaturdienstleistungen für Fahrzeuge anbieten, sei es durch autorisierte Werkstätten, unabhängige Werkstätten oder mobile Serviceanbieter. Dies umfasst regelmäßige Instandhaltung, Reparaturen, permanente Inventur, Inspektionen und Teileaustausch.

Digitalisierung und IoT in der Automobilindustrie

Gerade in Deutschland gilt die Automobilindustrie als industrielle Schlüsselbranche. Die Corona-Krise und die damit verbundenen Unterbrechungen von Materialflüssen und Absatzmärkten haben die Notwendigkeit der Integration von IoT in der Automobilindustrie noch deutlicher gemacht. Themen wie Fachkräftemangel, Re-Globalisierung, New Work, Absatzmärkte in Asien, Preiskampf um das billigste Elektroauto und Anforderungen der Fabrikautomation stehen im Mittelpunkt. Verschiedene Stellschrauben sind notwendig, um den Strukturwandel in der Automobilindustrie zu bewältigen.

Auf dem Weg zu einer erfolgreichen Digitalisierung gilt es, das Metaversum und Manufacturing X in die Strategien und Planungen einzubeziehen. Cloud Computing in der Automobilindustrie gehört genauso wie Künstliche Intelligenz in der Automobilindustrie dazu. Bei der Automatisierung von Fertigungsprozessen stehen in diesem Jahrzehnt nicht mehr nur die reine Kennzeichnung von Bauteilen, das Behältermanagement, die Vernetzung von Internet of Things (IoT)-Geräten und die Interoperabilität von Daten auf der Agenda, sondern auch künstliche Intelligenz, eingebettete Systeme, maschinelles Lernen, Batterie- und Wasserstofftechnologie, Simulation sowie additive Fertigung.

Fest steht, dass drahtlose IoT-Technologien eine wesentliche Säule für das Wachstum der Digitalisierung und die Optimierung der Produktionsprozesse in der Automobilindustrie sein werden. Ergänzend liefert auch Cloud Computing wichtige Erkenntnisse, die neue und flexible Geschäftsmodelle mit Auswirkungen auf die gesamte Wertschöpfungskette ermöglichen.

Welche Wireless IoT Technologien kommen in der Automobilindustrie zum Einsatz?

  • WLAN

    Wireless Local Area Network (WLAN) und der Unterbereich Wireless Fidelity (Wi-Fi) werden sowohl in Fahrzeugen als auch in Produktionsanlagen eingesetzt, um drahtlose Netzwerkverbindungen bereitzustellen. Dadurch können IoT-Geräte oder Fahrzeuginsassen auf das Internet zugreifen, Over-the-Air-Software-Updates durchführen und Daten mit anderen Fahrzeugen oder Geräten austauschen.

  • RFID

    Die Funkfrequenzkennzeichnung (Radio Frequency Identification, RFID) wird in der Automobilproduktion eingesetzt, um eine eindeutige Kennzeichnung von Bauteilen, die Identifizierung und Kontrolle von Bauteilen, eine genaue Bestandsführung und letztlich eine effiziente Wertschöpfungskette zu ermöglichen. RFID spielt als Technologie zur industriellen Kennzeichnung in der Automobiilbranche eine zentrale Rolle.

  • OPC-UA

    Die Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) ist ein Kommunikationsstandard zum Datenaustausch. Der Standard ist plattformunabhängig und hat eine serviceorientierte Architektur. Für was ist OPC UA gut? OPC UA transportiert Daten und bereitet sie semantisch auf. Zusammengefasst ermöglicht OPC UA Konnektivität in der Automobilindustrie.

  • 5G / 6G

    Cellular IoT wie Long Term Evolution (LTE, 3.9G oder 4G+) oder die 5. Generation des Mobilfunks (5G) werden zunehmend in Fahrzeugen eingesetzt, um Anwendungen wie Telematik im Automobil, Fahrzeugdiagnose, Over-the-Air-Updates, Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation (V2I) und Notrufsysteme zu betreiben.

  • Sensorik

    Drahtlose IoT-Sensoren sind Teil von drahtlosen Sensornetzwerken. In Produktionsanlagen erfassen sie Daten wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Vibration und Bewegung. Analysewerkzeuge werten diese Daten für die Condition Monitoring von Maschinen und Anlagen aus. Auch Predictive Maintenance basiert auf drahtlosen IoT-Sensoren.

Produkte für die Automobilindustrie

Diese Zusammenstellung zeigt, dass die Anzahl und Vielfalt von drahtloser IoT-Hardware in der Automobilindustrie immens ist. Als Identifikationstechnologien kommen vor allem RFID-Transponder und Bluetooth LE-Sensoren sowie die dazugehörigen Lese- und Schreibgeräte und Gateways zum Einsatz. Ziel der Kennzeichnung ist die eindeutige Identifikation eines Bauteils oder Gerätes, über Bluetooth LE-Sensoren werden zusätzlich Zustandsdaten erfasst. In Fahrzeugen werden darüber hinaus intelligente Sensoren verbaut, die Abstände, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen oder Umfelddaten messen. Diese Sensoren dienen vor allem als Fahrerassistenzsysteme, zur Umweltüberwachung und ermöglichen letztlich das autonome Fahren.

In Kombination mit der Ultra Wide Band (UWB) Technologie kann auch der genaue Standort einer Komponente oder eines IoT-Gerätes bestimmt werden. Neben RFID- und Bluetooth LE-Systemen werden WLAN-Netze aufgebaut, um die drahtlose Anbindung von Maschinen, Steuerungen und ganzen Anlagen zu ermöglichen. Darüber hinaus werden IoT-Gateways und Edge-Computing-Geräte in Produktionsanlagen eingesetzt, um die Verarbeitung und Analyse von Daten nahe an der Quelle durchzuführen. Dies ermöglicht Echtzeitreaktionen auf Ereignisse, reduziert die Kosten der Datenübertragung, sorgen für Connectivity in der Automobilindustrie und verbessert die Datensicherheit. In der Produktion werden auch fahrerlose Transportsysteme (FTS) und Roboter eingesetzt.

2. In der Praxis

Einsatzbereiche von Wireless IoT in der Automobilindustrie

Insgesamt geht es in der Automobilindustrie wie auch in anderen Industrien um die Optimierung aller Produktionsschritte, um automobiles Predictive Maintenance, die Effizienzsteigerung der Supply Chain und der Ersatzteillogistik in der Automobilindustrie, der Qualitätssicherung, der Schnelligkeit sowie der Kostenreduktion. Alle Prozesse, die sich automatisieren lassen und damit den gesamten Produktionsprozess kontrollierbarer, schneller, transparenter und auch virtueller machen, sind daher wichtige Ziele der Digitalisierung. Vereinfacht lassen sich diese Automatisierungsinitiativen wie folgt zusammenfassen: industriell markieren und kennzeichnen, eindeutig identifizieren, Zustände ermitteln, Daten erfassen, Big Data Lösungen verarbeiten und aufbereiten, Konnektivität ermöglichen, vorausschauend planen und digitalisieren.

Durch den Einsatz drahtloser IoT-Sensoren, die kontinuierlich Daten von Fahrzeugkomponenten wie Motoren, Getrieben und Bremsen sammeln, können Automobilhersteller vorausschauende Wartungsmodelle entwickeln. Diese Modelle prognostizieren potenzielle Ausfälle oder Verschleißerscheinungen, bevor sie auftreten, und ermöglichen es den Fahrzeugbesitzern, proaktive Wartungsmaßnahmen durchzuführen, um kostspielige Ausfallzeiten zu vermeiden.

Big Data-Lösungen in Kombination mit künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen ermöglichen Manufacturing X in der Automobilindustrie. Neben Automatisierungslösungen für die Fahrzeugproduktion kommen auch zahlreiche Lösungen für die Fahrzeugsicherheit zum Einsatz. Dazu gehören die Fahrzeugdiagnose und -wartung ebenso wie Fahrerassistenzsysteme.

Darüber hinaus können Fahrzeuge mit Hilfe von Global Positioning System (GPS) und RFID-Technologie vor Diebstahl geschützt und während des Transports überwacht werden. Diese Technologien erleichtern die logistische Planung und ermöglichen eine schnelle Reaktion, wenn Risiken oder Sicherheitsprobleme auftreten.

Groupe Renault digitalisiert Produktion mit OPC UA

Die Groupe Renault nutzt seit 2017 den Kommunikationsstandard OPC UA der OPC Foundation, um eine durchgängige Datenkommunikation vom Sensor bis in die Cloud und zurück zu ermöglichen. An 29 der 38 Produktionsstandorte der Groupe Renault sind bereits 12.500 OPC UA-fähige Geräte im Einsatz. Die Produktion wurde auf Basis von OPC UA und OPC UA-basierten Companion-Spezifikationen digitalisiert. Um eine einheitliche Datenstruktur zwischen allen Systemen zu gewährleisten, wurden Adapter und Gateways eingesetzt.

Die Vernetzung von Sensordaten (Publication Topics) und Sensorkonfiguration (Command Topics) in OPC UA erfolgt über MQTT. Dies ermöglicht nicht nur die Übertragung von Sensordaten in die Cloud, sondern auch die Steuerung von Maschinen mit Sensordaten aus der Cloud. Für die Datenerfassung wird die Google Cloud Platform genutzt.

„Ich verfüge über 35 Jahre Erfahrung in der Automobilbranche und habe meine berufliche Laufbahn in der Instandhaltung einer Automobilproduktion begonnen. Diese ersten Erfahrungen führten mich zur Konstruktion von Industrieanlagen und zur Programmierung von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Industriecomputern (PC). Ich habe zahlreiche Projekte im Bereich der industriellen Automatisierung und Robotik auf der ganzen Welt geleitet. Im Jahr 2016 verlagerte sich mein Interesse auf die digitale Transformation und das Konzept der intelligenten Fabrik. Ich bin davon überzeugt, dass Standardisierung der Schlüssel zum Erfolg von Transformationsprojekten und ihrer Skalierbarkeit ist.“

Thierry Daneau

Expert Leader Industry 4.0, Groupe Renault

Logo Renault

Reifenhersteller setzt auf die Digitalisierung der Reifenindustrie mit UHF-RFID

Als Innovationsführer treibt Michelin die Umgestaltung und Einführung des Marktes voran. Michelin-Lkw-Reifen sind bereits mit RFID ausgestattet, und bis Anfang 2025 wird Michelin die Kapazität haben, 100 Prozent der Pkw- und Leicht-Lkw-Reifen mit RFID zu produzieren. Diese Tags werden von Beontag, Hana RFID und Murata geliefert und sind in die Seitenwand der Reifen eingebettet. So kann jeder Reifen über die gesamte Lieferkette bis zum Ende seines Lebenszyklus verfolgt werden. Die Tags sind mit dem GS1-Standard SGTIN-96 kodiert. Diese Nummer ist für jeden Reifen eindeutig.

Ein Handlesegerät oder ein stationäres Gerät mit einer Industrieantenne wird zur Erfassung der Tag-Daten verwendet. Die Tags ermöglichen einen standardisierten Zugriff auf Reifendaten. Im Jahr 2022 wurde die Global Data Serve Organization for Tires and Automotive Components (GDSO) mit dem Ziel gegründet, Reifendaten zu standardisieren und den Dienst zum Abruf von Daten verschiedener Reifenhersteller auf der Grundlage eines eindeutigen Artikelidentifikators (SGTIN-96) zu verwalten. Auf diese Weise haben wichtige Akteure wie Automobilhersteller, Händler und Partner sicheren Zugang zu Reifendaten.

Think WIOT Days Livestream 01/2024. Michelin
Vernetzte Reifen mit RFID

„RFID optimiert die durchgängige Rückverfolgbarkeit und Qualität und wird für eine effiziente Bestandsverwaltung, optimierte Logistik und die genaue Zuordnung von Reifen zu Felgen eingesetzt. RFID kann auch das Qualitäts- und Compliance-Management in der Wertschöpfungskette unterstützen. Die Identifikationsnummern der mit RFID gekennzeichneten Reifen sind zum Beispiel mit der Fahrzeugidentifikationsnummer verknüpft. Und nicht zuletzt ist RFID das Mittel der Wahl, um den künftigen digitalen Produktpass (DDP) für Reifen in Europa zu unterstützen und das End-of-Life-Management zu verbessern.”

Christophe Duc

RFID Initiative and Service Model Leader, Car Manufacturers & Distribution, Michelin

Logo Michelin

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3. Panorama

Verläuft die Digitalisierung in der Automobilindustrie schleppend?

Fahrzeuge sind in unserer heutigen Welt unverzichtbar, um mobil zu sein, komfortabel zu reisen, die Versorgung mit Gütern sicherzustellen und Waren zu transportieren. Die Erwartungen an eine komfortable und individuelle Mobilität sind in den letzten Jahren stetig gestiegen. Durch gesellschaftlich getriebene Aktivitäten zur Förderung der Nachhaltigkeit in Unternehmen sind neue Mobilitätskonzepte auf den Markt gekommen, die ein verändertes Umweltbewusstsein widerspiegeln. In diesem Zuge sieht sich die Automobilindustrie mit zahlreichen technologischen Neuerungen und Fortschritten konfrontiert.

Technologische Neuerungen sind beispielsweise Elektrofahrzeuge, drahtlose Sensorik für autonomes Fahren, Konnektivität und IoT-Plattformen, Assistenzsysteme im Fahrzeug, Diagnosesysteme und neuartige Mobilitätsangebote. Im Bereich der Produktion wird die Automobilindustrie in Zukunft verstärkt von neuen technologischen Entwicklungen profitieren. Dazu gehören künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen, Robotik, Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR), fahrerlose Transportsysteme, neue Antriebslösungen, gedruckte Elektronik, Datenkommunikationsstandards wie OPC UA und Omlox. Aus diesen Gründen investieren die Automobilhersteller massiv in Forschung und Entwicklung, um selbst innovative Lösungen zu entwickeln und Wettbewerbsvorteile zu erzielen.

Aus den genannten Gründen lässt sich festhalten, dass die Digitalisierung für Unternehmen in der Automobilindustrie eher schnell als langsam voranschreitet, auch wenn diese Entwicklung aufgrund der Komplexität der Branche insgesamt vor Herausforderungen steht. Einen weitreichenden Einfluss auf die Digitalisierungskonzepte in der Automobilindustrie haben jedoch nicht nur technologische Neuerungen und deren Einflüsse auf die Produktion, sondern auch gesellschaftliche Veränderungen. Das Kundenverhalten hat sich verändert. Fahrzeugnutzer wünschen sich zunehmend digitale Erlebnisse und Konnektivität im Fahrzeug. Die Automobilindustrie ist daher bestrebt, Fahrzeuge zu entwickeln, die ein hohes Maß an Digitalisierung, Vernetzung und Autonomie ermöglichen, gleichzeitig wünschen sich die Fahrzeugnutzer einen geringeren Kraftstoffverbrauch und damit einen reduzierten CO2-Fußabdruck. Neben den gesellschaftlichen Veränderungen ist es aber auch der Druck des Marktes selbst, der die Digitalisierung beschleunigt. Neue Marktteilnehmer wie Tesla, Google oder Apple drängen auf den Markt. Ein weiteres Signal aus dem Markt selbst ist Kostendruck und Effizienzsteigerung. Produktionsprozesse müssen immer weiter optimiert werden, um Kosten zu senken, Digitalisierung und Automatisierung ermöglichen Effizienzsteigerungen und Qualitätssicherung in der Automobilindustrie.

Spezialisierte Partner in der Automobilbranche

Industrie 4.0 in der Automobilproduktion

Hinsichtlich der Perspektiven für die Automobilindustrie wurden im vorangegangenen Abschnitt bereits zahlreiche Schlagworte des technologischen Fortschritts in der Automobilbranche genannt. Neben künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen sind es vor allem die Ziele der Digitalisierung und Automatisierung, die perspektivisch den größten Einfluss auf die Entwicklung der Automobilindustrie haben. Im Zuge der Automatisierung und der Integration von Wireless IoT-Technologien werden millionenfach Daten und Datensätze in IoT-Plattformen eingespeist, um Analysetools mit Big Data zu füttern. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen ermöglichen auf Basis von Big Data zahlreiche Produktionsoptimierungen und technologische Innovationen.

Fortschritte bei Technologien wie künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen, Simulation, digitaler Zwilling, Industrie 4.0, vernetzte und additive Fertigung, Internet der Dinge (IoT), Big Data Analytics, Cloud Computing, 5G-Konnektivität und Blockchain schaffen neue Möglichkeiten für digitale Anwendungen in der Automobilindustrie. Diese Technologien ermöglichen es Automobilherstellern, vernetzte Fahrzeuge, intelligente Produktionssysteme, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme und vieles mehr zu entwickeln.Diese Beispiele zeigen, wie die digitale Transformation die Automobilindustrie verändern wird. Sicherheit, Effizienz, Nachhaltigkeit, Nutzererlebnis gepaart mit neuen Mobilitätskonzepten sowie neue Geschäftsmodelle gehören dazu.

Herausforderungen bei der Datenkommunikation

Trotz der zahlreichen Potenziale und technologischen Innovationen in der Automobilindustrie steht die Automatisierung und Digitalisierung der Fahrzeugproduktion auch vor großen Herausforderungen. Wie jede Transformation und Disruption bedeuten technologische Innovationen auch, dass alle bisherigen und traditionellen Produktionsprozesse überprüft und angepasst werden müssen, Investitionen in Wireless IoT Technologie z.B. sind notwendig, um Big Data zu generieren und semantisch zu nutzen, z.B. muss OPC UA eingeführt werden.

Neben dem Thema Datenkommunikation muss sich die Automobilindustrie auch mit Themen wie Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation (V2V), Fahrzeug-zu-Infrastruktur Kommunikation (V2I) und Fahrzeug-zu-alles Kommunikation (V2X) auseinandersetzen. Hier kommt das Thema Datenschutz und Cybersicherheit auf die Agenda, denn mit der zunehmenden Vernetzung und Digitalisierung der Fahrzeuge steigt auch das Risiko von Angriffen. Zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen müssen die Fahrzeuge vor Hackerangriffen schützen.

Während sich die Automobilindustrie in einem massiven Strukturwandel befindet, hat die Corona-Krise gleichzeitig gezeigt, dass Materialflusssysteme sensibel sind oder ganz zusammenbrechen können. Da die Automobilindustrie auf eine komplexe Lieferkette mit Hunderten von Zulieferern angewiesen ist, liegt es nahe, auch die Zulieferer in alle Digitalisierungsinitiativen einzubeziehen. Auch dies ist eine Herausforderung für die Automobilindustrie.

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