Welche Potenziale treiben die Implementierung von Industrie 4.0? - Ein empirischer Vergleich führender deutscher Industriezweige

Julian M. Müller, Daniel Kiel und Kai-Ingo Voigt

Die Potenziale, die zur Umsetzung von Industrie 4.0 führen, sind für viele Industrieunternehmen derzeit noch unklar. Folgerichtig analysiert dieser Beitrag die Potenziale, die das produzierende Gewerbe dazu veranlassen, Industrie 4.0 zu implementieren. Dies geschieht als branchenübergreifender Vergleich in fünf Industriezweigen: Während im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Elektrotechnik für die Umsetzung von Industrie 4.0 strategisch Geschäftsmodell- getriebene, operative sowie ökologische und soziale Vorteile relevant sind, sehen die Chemie- und Stahlindustrie keine strategisch relevanten Chancen. Die Automobilindustrie fokussiert sich vornehmlich auf den operativen Nutzen von Industrie 4.0.

Die Implementierung von Industrie 4.0-Technologien in der industriellen Wertschöpfung ermöglicht eine echtzeitfähige, horizontale und vertikale sowie internetbasierte Vernetzung von Menschen, Maschinen und Objekten sowie Informations- und Kommunikationssystemen zur dynamischen Steuerung komplexer Geschäftsprozesse [1]. Damit wird Industrie 4.0 vielfach als Antwort auf aktuelle unternehmerische Herausforderungen der Industrie verstanden.
Nichtsdestotrotz besteht bei Industrie 4.0 eine nicht unerhebliche Unsicherheit, da widersprüchliche Aussagen zu den damit verbundenen Implikationen vorherrschen. So sollen einerseits zukunftsfähige Geschäftsmodelle, höhere Effizienz und Qualität sowie verbesserte Arbeitsbedingungen erreicht werden. Andererseits birgt Industrie 4.0 u. a. eine zunehmende Wettbewerbsintensität sowie ein herausforderndes Veränderungsmanagement [2]. Derzeit ist eine eher zögerliche und langsame Umsetzung von Industrie 4.0 zu beobachten, welche auf unklare Potenziale des neuartigen Wertschöpfungsparadigmas für etablierte Industrieunternehmen zurückgeführt werden kann [3]. Trotz der stetig wachsenden Anzahl an Publikationen im Bereich Industrie 4.0 wurde den Potenzialen, die für die Umsetzung von Industrie 4.0 als treibende und wesentliche Faktoren gelten, noch wenig Beachtung geschenkt [4]. Insbesondere mangelt es der aktuellen Diskussion an einer branchendifferenzierten Analyse [5]. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener deutscher Industriesektoren werden jedoch Unterschiede in der Wahrnehmung der Chancen von Industrie 4.0 in Bezug auf dessen Implementierung erwartet. Entsprechend adressiert dieser Beitrag folgende Forschungsfrage:
Welche Potenziale von Industrie 4.0 wirken als Treiber für die Umsetzung dieses neuartigen Wertschöpfungsparadigmas in industriellen Unternehmen?

Hypothesenentwicklung

Aus strategischer Perspektive soll Industrie 4.0 weitreichende Auswirkungen auf Geschäftsmodelle, sowohl durch den Umbruch etablierter Geschäftsmodelle als auch durch neu entstehende Geschäftsmodelle, besitzen [6, 7]. Hierzu zählen u. a. datenzentrierte Produkt- und Dienstleistungsangebote, der Übergang von reinen Produktzu Systemangeboten, kundenindividualisierte Wertangebote, intensivierte und partnerschaftliche Kundenbeziehungen, die zunehmende Bedeutung von IT- und Software-Know-how als Schlüsselressourcen sowie die Vernetzung und Zusammenarbeit mit wichtigen Partnern [8].
Dabei wird eine zunehmende Verschmelzung von physischen Produkten und Diensten mit datenorientierten Lösungen erwartet. Diese hybriden Lösungsbündel zeichnen sich durch einen hohen Grad an Individualisierung und eine zielgerichtete Ausrichtung auf Kundenbedürfnisse aus [2], wodurch enorme Chancen für die globale Wettbewerbsfähigkeit produzierender Unternehmen erwartet werden [4, 7].
Entsprechend dieser Erkenntnisse, die eine positive Wirkung wahrgenommener strategischer Vorteile auf die Umsetzung von Industrie 4.0 vermuten lassen, lässt sich folgende Hypothese aufstellen:
H1: Die strategischen Chancen von Industrie 4.0 wirken sich positiv auf dessen Umsetzung aus.
Aus operativer Sicht ermöglicht Industrie 4.0 vielfältige Prozessoptimierungen, z. B. durch die Simulation von Produktions- und Logistikprozessen, deren vertikale und horizontale Vernetzung kürzere Durchlauf- und Markteinführungszeiten ermöglichen [9]. Damit können Industrieunternehmen schneller auf kurzfristige Änderungen von Kundenaufträgen reagieren [10]. Dank erhöhter Flexibilität produzieren Fertigungsbetriebe nur genau das, was der Kunde benötigt. Durch die Verfügbarkeit von Echtzeit-Daten über die gesamte Lieferkette hinweg werden die Materialien zudem bedarfsorientiert koordiniert.
Intelligente Produkte kennen ihren aktuellen Zustand und überwachen kritische Prozessparameter sowie Qualitätsschwankungen selbständig und autonom. Dies führt zu geringeren Prozessfehlerquoten, weniger Ausschuss, zuverlässigeren Produktionssystemen und minimierten Produktionsausfallzeiten. Folglich steigt das gesamte Qualitätsniveau der Fertigung [2]. Darüber hinaus ermöglichen intelligente Produkte die Erfassung und Analyse von Informationen über Produktnutzung und -eigenschaften über den gesamten Produktlebenszyklus. Diese können wiederum genutzt werden, um die Produktqualität kontinuierlich weiterzuentwickeln und zu verbessern [11]. Potenziale in Bezug auf z. B. Effizienz, Zeit, Qualität und Lagerbestände stehen in unmittelbarem Zusammenhang mit weitreichenden Kostensenkungen [9].
Dabei zeigt sich, dass sich die operativen Möglichkeiten neuer Industrie 4.0-Technologien positiv auf deren Implementierung auswirken [12, 13]. Da etablierte Industrieunternehmen kontinuierlich nach operativen Verbesserungen streben, um den Unternehmenserfolg grundlegend zu sichern, lässt sich folgende Hypothese ableiten:
H2: Die operativen Potenziale von Industrie 4.0 wirken sich positiv auf dessen Umsetzung aus.
Aus ökologischer und sozialer Sicht verspricht Industrie 4.0 beispielsweise die Reduktion von Treibhausgasemissionen durch datenbasierte Analysen [14]. Auch sollen auf diese Weise Abfälle sowie Ressourcen- und Energieverbrauch reduziert werden [15]. Beispiele hierfür sind geschlossene Wertschöpfungsnetzwerke, die Wiederverwendung von Ressourcen und Werkzeugen sowie die Nachrüstung von bestehenden Fertigungsanlagen [10]. Darüber hinaus werden aufgrund der bedarfsorientierten Material- und Ressourcenplanung physische Transport- und Logistikprozesse reduziert [16].
Im Hinblick auf soziale Aspekte wird auf die Flexibilität und Verbesserung von Managementprozessen und -entscheidungen im Zusammenhang mit Industrie 4.0 hingewiesen, die durch die Verfügbarkeit von Echtzeitdaten über die gesamte Liefer- und Wertschöpfungskette hinweg ermöglicht werden [17]. Aufgrund der digitalisierten Vernetzung von Unternehmensfunktionen, einschließlich Home-Office- und Telearbeitsansätzen, sollen Arbeitszeitmodelle zudem flexibler, ortsunabhängiger und individualisierbarer werden.
Der Einsatz intelligenter Geräte und Roboter-Assistenzsysteme an ergonomisch ungünstigen und körperlich anspruchsvollen Arbeitsplätzen schont langfristig die Gesundheit und erhöht die Produktivität der Mitarbeiter [18]. Intelligente und autonome Produktionssysteme können monotone Aufgaben übernehmen, sodass eine höhere Mitarbeiterzufriedenheit und -motivation zu erwarten sind. Diese Ansätze eignen sich ebenso für eine altersgerechte Gestaltung des Arbeitsumfelds zur Bewältigung aktueller demografischer Herausforderungen [2].
Aus diesen Erkenntnissen lässt sich folgende Hypothese entwickeln:
H3: Die ökologischen und sozialen Potenziale von Industrie 4.0 wirken sich positiv auf dessen Umsetzung aus.

Methodik

In diesem Beitrag werden die Ergebnisse einer eigens durchgeführten quantitativen Studie verwendet, um den Einfluss von Industrie 4.0-Potenzialen auf dessen Umsetzung zu untersuchen. In deutschen Industrieunternehmen wurden Mitarbeiter des mittleren und höheren Managements im Bereich Industrie 4.0 per E-Mail kontaktiert und gebeten, einen Online-Fragebogen auszufüllen.
Die Daten wurden zwischen Januar und März 2017 erhoben, wobei insgesamt 746 verwertbare Rückläufer aus 746 Unternehmen gewonnen werden konnten. Diese umfassen 220 Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus, 145 Unternehmen aus der Chemieindustrie sowie 139 Elektrotechnik-, 132 Automobil- und 110 Stahlindustrieunternehmen.
Alle Konstrukte wurden mittels 5-Punkt-Likert- Skalen gemessen, die von 1 (= ich stimme nicht zu) bis 5 (= ich stimme voll zu) reichen. Die durch mehrere Fragebogen-Items gebildeten drei Konstrukte erfüllen jeweils ein Cronbachs Alpha von über 0,7. Eine detaillierte Auflistung der Items kann dem Anhang entnommen werden.
Die drei Konstrukte der strategischen, operativen sowie ökologischen und sozialen Potenziale wurden anschließend mittels einer Pearson-Bravais- Korrelation in Bezug auf das Konstrukt der Implementierung analysiert.


Bild 1: Ergebnisse der Korrelationsanalyse zwischen Potenzialen und Implementierung von Industrie 4.0.

Ergebnisse

Bild 1 zeigt die Ergebnisse der Korrelationsanalyse. Es werden dabei lediglich Korrelationskoeffizienten dargestellt, die ein Signifikanzniveau von mindestens p < 0.1 erreichen.
Auffällig ist, dass strategische Potenziale nur bei Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus sowie der Elektrotechnik in signifikantem Maße mit der Relevanz zur Industrie 4.0-Implementierung zusammenhängen. Operative Potenziale hängen hingegen bei allen fünf befragten Branchen in ähnlichem Maße mit der Implementierungsrelevanz zusammen. Hinsichtlich der ökologischen und sozialen Potenziale weisen alle Branchen, bis auf die Automobilindustrie, einen positiven und signifikanten Zusammenhang mit der Umsetzung von Industrie 4.0 auf.
Im Branchenvergleich ergibt sich damit folgendes Bild: Für den Maschinen- und Anlagenbau sowie die Elektrotechnik zeigt sich, dass alle drei Chancen-Dimensionen, d. h. strategische, operative sowie ökologische und soziale Potenziale, eine positiv signifikante Korrelation mit der Relevanz zur Implementierung von Industrie 4.0 zeigen. Für die Automobilindustrie zeigen lediglich operative Potenziale eine positive und signifikante Korrelation mit der Relevanz zur Implementierung von Industrie 4.0. Für die Stahl- und chemische Industrie weisen operative sowie ökologische und soziale Potenziale, jedoch nicht die strategischen Potenziale von Industrie 4.0 einen positiven und signifikanten Zusammenhang mit dessen Relevanz zur Implementierung auf.
Folglich lässt sich festhalten, dass operative Potenziale von Industrie 4.0 in allen befragten Branchen wesentliche Treiber der Industrie 4.0-Implementierung darstellen. Der Maschinen- und Anlagenbau sowie Unternehmen der Elektrotechnik sehen darüber hinaus strategische Potenziale im Bereich neuer Geschäftsmodelle als relevant an. Dies ist darauf zurückzuführen, dass diese beiden Branchen insbesondere als Anbieter Cyber-Physischer Systeme, wie z. B. Produktionsanlagen, intelligenter Werkzeuge sowie deren Sensorik, Steuerung und Vernetzung, dienen. Operative Potenziale sind für diese beiden Branchen dabei zusätzlich als Anwender von Industrie 4.0-Technologien erschließbar. Die Automobilindustrie, Stahlindustrie und die chemische Industrie sind stark prozessorientierte Branchen, die Industrie 4.0 vorwiegend als Mittel zur Prozessund Effizienzoptimierung erachten. Sie repräsentieren hauptsächlich Anwender von Industrie 4.0-Technologien, während ihre Rolle als Anbieter von Industrie 4.0-Technologien und damit die Bedeutung neuer Industrie 4.0-Geschäftsmodelle deutlich geringer ausgeprägt ist. Bemerkenswert ist zudem, dass alle Branchen, außer der Automobilbranche, einen signifikant positiven Zusammenhang zwischen ökologischen und sozialen Potenzialen von Industrie 4.0 und dessen Implementierung sehen. Hier scheint es als sehe sich die Automobilindustrie durch bereits bestehende Konzepte gut aufgestellt, beispielsweise durch Lean Management, umfassendes Supply Chain Management und ergonomische Arbeitsplatzgestaltung. Entsprechend wird Industrie 4.0 bei ökologischen und sozialen Potenzialen eine geringere Relevanz beigemessen.

Managementimplikationen

Wie die Studienerkenntnisse zeigen, spielen die Chancen von Industrie 4.0 eine wesentliche Rolle für dessen Implementierung. Es wird deutlich, dass Industrie 4.0 weitreichende Potenziale birgt, für deren vollständige Nutzung Herausforderungen bewusst wahrgenommen und adressiert werden müssen. Folglich sollten Unternehmen die positiven Wirkungen des Konzepts klar und überzeugend kommunizieren sowie fördern und sich von möglichen Herausforderungen nicht abschrecken lassen. Sicherlich sind Bedenken, wie beispielsweise Datensicherheit, ernst zu nehmen, müssen jedoch auch akzeptiert werden, um Chancen der Offenheit und Zusammenarbeit in (z. B. plattformbasierten) Ökosystemen wahrnehmen zu können, um, ähnlich zum „Open Innovation“ Ansatz, als Treiber zukünftiger Wettbewerbsfähigkeit dienen zu können.
In Hinblick auf die Studienergebnisse strategischer Chancen von Industrie 4.0 empfehlen wir etablierten Industrieunternehmen, ihre Geschäftsmodelle systematisch und aktiv auf den Prüfstand zu stellen und zu innovieren, um im Zeitalter der Digitalisierung und Vernetzung nachhaltig zu bestehen. Eine neuartige und zukunftsweisende Geschäftslogik, die auf Informationen und Daten basiert, z. B. cloudbasierte, dienstleistungsorientierte und plattformbasierte Geschäftsmodelle, bereitet Unternehmen auf dynamische Wettbewerbsveränderungen vor.
Eine weitere Empfehlung liegt in der deutlichen Einbindung des Top Managements. Nur so kann ein ganzheitliches, umfassendes Veränderungsmanagement vorangetrieben werden, um organisationale und produktionsstrukturelle Änderungen auf die Anforderungen von Industrie 4.0 maßzuschneidern. Dabei ist vor allem eine kollaborative, experimentierfreudige und flexible Denkweise von hoher Bedeutung, die es unter der wichtigsten Unternehmensressource zu etablieren gilt: den Mitarbeitern. Führungskräfte sollten Mitarbeiter von den Chancen von Industrie 4.0 überzeugen und Bedenken aktiv ansprechen und nach gemeinsamen Lösungen suchen. In diesem Zusammenhang dient die Personalweiterbildung und -entwicklung als Schlüssel zum Erfolg, um Mitarbeiterqualifikationen auf Industrie 4.0 auszurichten.
Abschließend möchten wir Unternehmensvertreter auf die Bedeutung von Industrie 4.0 für eine nachhaltige industrielle Wertschöpfung hinweisen, da das Konzept die gleichzeitige Erzielung ökonomischer, sozialer und ökologischer Chancen ermöglicht, welche das Dreisäulenmodell (engl. Triple Bottom Line) der unternehmerischen Nachhaltigkeit repräsentieren.

Fazit

Die vorliegende Studie bietet einen branchendifferenzierten Überblick über die Relevanz der Chancen von Industrie 4.0 als Treiber für dessen Realisierung. Zusammenfassend lässt sich erkennen, dass alle untersuchten Branchen operative Potenziale zur Effizienzsteigerung und Prozessoptimierung wahrnehmen und verfolgen. Der Maschinen- und Anlagenbau sowie Unternehmen der Elektrotechnik zielen aufgrund ihrer zentralen Rolle als Anbieter von Industrie 4.0-Technologien zudem auf strategische, meist Geschäftsmodell-bezogene Potenziale ab. Im Gegensatz zu allen anderen untersuchten Branchen sieht lediglich die Automobilindustrie ökologische und soziale Potenziale von Industrie 4.0 als nicht relevant für dessen Implementierung an. Für die industrielle Praxis kann hier die Empfehlung gegeben werden, branchenübergreifende und insbesondere wertschöpfungskettenübergreifende Potenziale der Vernetzung stärker zu betrachten. Diese können sich durch den unternehmensübergreifenden Austausch, die Bereitstellung und Auswertung von Daten für neue Geschäftsmodelle durch Industrie 4.0 auch für die Automobil-, Chemie- und Stahlindustrie ergeben. Ähnliches gilt für ökologische Potenziale in der Automobilindustrie, die über Wertschöpfungsketten und Produktlebenszyklen hinweg erreicht werden können. Insgesamt ist jedoch anzumerken, dass die Korrelationskoeffizienten insgesamt für eher schwache Zusammenhänge zwischen Potenzialen und der Implementierung von Industrie 4.0 sprechen, weshalb die Ergebnisse zu einem späteren Zeitpunkt der breiteren Umsetzung von Industrie 4.0 verifiziert werden sollten.

Anhang: Übersicht der Fragebogen-Items

Strategische Potenziale:

• Industrie 4.0 ermöglicht uns die Schaffung neuer Geschäftsmodelle.
• Industrie 4.0 ermöglicht uns die Schaffung führender Lösungen für unsere Kunden.
• Industrie 4.0 ermöglicht uns die Schaffung von Lösungen, die schwer nachzuahmen sind.
Operative Potenziale:
• Industrie 4.0 ermöglicht Kostensenkungen durch intelligente Vernetzung.
• Industrie 4.0 ermöglicht erhöhte Qualität.
• Industrie 4.0 ermöglicht erhöhte Nachverfolgbarkeit.
• Industrie 4.0 ermöglicht verringerte Anteile nicht wertschöpfender Tätigkeiten.
• Industrie 4.0 ermöglicht verringerte Lagerbestände.
• Industrie 4.0 ermöglicht verringerten Verwaltungsund Kontrollaufwand.
• Industrie 4.0 ermöglicht erhöhte Flexibilität der Produktion.
• Industrie 4.0 ermöglicht erhöhte Geschwindigkeit und Reaktionsfähigkeit.
• Industrie 4.0 ermöglicht verbesserte Auslastung von Fertigungsanlagen.
• Industrie 4.0 ermöglicht eine sinnvolle Nutzung von Maschinendaten.
Ökologische und soziale Potenziale:
• Industrie 4.0 ermöglicht die Schaffung einer altersgerechten Arbeitswelt.
• Industrie 4.0 ermöglicht die Reduzierung monotoner und eintöniger Arbeit.
• Industrie 4.0 ermöglicht die Reduzierung von Abfall und Umweltbelastung.
Implementierung:
• Die Umsetzung von Industrie 4.0 ist für uns relevant.
• Die Umsetzung von Industrie 4.0 ist für unsere Lieferanten relevant.
• Die Umsetzung von Industrie 4.0 ist für unsere Kunden relevant.

Schlüsselwörter:

Industrie 4.0, industrielle Vernetzung, Implementierung, Branchenvergleich, quantitative Studie

Literatur:

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