White Paper »RESYST« Resiliente Wertschöpfung in der produzierenden Industrie – innovativ, erfolgreich, krisenfest

Inhalt Vorwort 2 1 Resilienzmanagement 4 1.1 Externe Störfälle als Krisenauslöser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 Resilienzphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Aktuelle Herausforderungen für die deutsche Wirtschaft 6 2.1 Extreme Nachfrageschwankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Ungeahnte kritische Prozesse und Infrastrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3 Gleichzeitigkeit hochdynamischer Ereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.4 Extremer Innovationsdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.5 Liquidität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.6 Lieferengpässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.7 Gesamtwirtschaftliche Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.8 Was wird gefordert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 Rahmenmodell für Resiliente Wertschöpfung 14 3.1 Was – Eigenschaften resilienter Wertschöpfungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2 Wie – Optimierungsziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.3 Wo – Interventionsebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4 Womit – Lösungsbausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4 Die RESYST-Lösungsbausteine 18 5 Case Studies: Was man heute schon von den Besten lernen kann 28 6 Forschungsbedarf 32 7 Handlungsempfehlungen 36 8 Zusammenfassung 40 Impressum 42 3

Auge zu behalten. Darüber hinaus spielen die Fähigkeit zur Fehlererkennung und das Lernen aus Fehlern eine wichtige Rolle, um mögliche Gefahren und deren Auswirkungen früh- zeitig zu erkennen. Resilienz im unternehmerischen Kontext ist eine Kombination der Eigenschaften Antizipation, Agilität, Flexibilität, Adaptivität, Robustheit sowie Regenerations- und Lernfähigkeit (siehe Kapitel 3: Rahmenmodell für Resiliente Wertschöpfung). 11 Externe Störfälle als Krisenauslöser Externe Störungen, die Resilienz verlangen, können vielfältig sein. Im Einzelfall genügt schon ein spontanes Ereignis wie ein festsitzendes Containerschiff im Sueskanal, um internationale Lieferketten zu unterbrechen und auch deutsche Unternehmen in Bedrängnis zu bringen. Zumeist basieren solche Störungen auf kurz- oder mittelfristigen Entwicklungen. Um solche Ent- wicklungen zu antizipieren, genügt es nicht, nur den nationalen Raum zu beobachten. Eine Vielzahl der Krisen, die das Wirt- schaftssystem und Unternehmen in Deutschland in jüngster Zeit herausgefordert haben, hatten ihren Ursprung nicht unmit- telbar in Deutschland bzw. Europa. Die Auswirkungen jedoch sind tiefgreifend und es ist davon auszugehen, dass in den nächsten zehn Jahren auch in Deutschland aufgrund externer Störungen weitere Krisen entstehen. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: Entwicklungen im globalen Finanzsystem, mögliche Handelskonflikte, Energie- oder Versorgungsengpässe, Klima- veränderungen, soziale Ungleichheiten und demographische Entwicklungen oder auch die drohende Überbevölkerung. Durch die Digitalisierung und globale Vernetzung steigen die Komplexität und die Abhängigkeit der Subsysteme untereinan- der. Hier drohen gefährliche Kaskadeneffekte. Aber auch eine Vielzahl weniger einschneidender Entwicklungen erfordern unternehmerische Resilienz und müssen aufmerksam verfolgt und analysiert werden. 12 Auswirkungen Die Auswirkungen externer Störfälle betreffen zumeist nicht nur einzelne Unternehmen oder Branchen, sondern ganze Wertschöpfungsketten. Temporäre Störungen können dabei nachhaltige Veränderungen in Wirtschafts- und Gesellschafts- systemen auslösen. Lieferschwierigkeiten, Liquiditätsengpässe oder Zahlungsunfähigkeit bis hin zum Konkurs von Unter- nehmen können die Folge sein. Das Ziel muss sein, Störungen nicht nur zu überstehen, sondern gestärkt aus ihnen hervorzu- gehen. Dies gilt es durch flexible, leistungsfähige und robuste Wertschöpfungsnetzwerke sowie durch Veränderungsfähigkeit sicherzustellen. Resilienz wird zunehmend zum strategischen Wettbewerbsfaktor – und damit auch zur strategischen Auf- gabe für die Unternehmensführung. 1 Resilienzmanagment 13 Resilienzphasen Im Resilience Engineering, der Berücksichtigung alternativer Konzepte zur Absicherung technischer Systeme, werden Maß- nahmen und Methoden entwickelt, um vor, während und nach einer Krise die besten Entscheidungen zu fällen. Ein Schadens- ereignis wird dabei in fünf Phasen eingeteilt. Zuerst gilt es, sich bestmöglich vorzubereiten (Prepare) und vorbeugende Maß- nahmen (Prevent) zu treffen. Tritt die Katastrophe ein, geht es darum, sich zu schützen (Protect), Konsequenzen abzudämp- fen und kritische Versorgungsfunktionen aufrechtzuerhalten (Respond). Nach der Krise müssen alle Geschäftsprozesse wieder stabilisiert (Recover) und durch systematisches Lernen Lehren aus der Krise gezogen werden. Wird die Leistung eines Unternehmens über einen Zeitverlauf betrachtet, wird deutlich, wie gut es auf externe Störungen oder Krisen reagiert und in welcher Phase noch Verbesserungs- bedarf besteht. Die fünf Phasen der Resilienz LEISTUNG Prevent Prepare Leistungsabfall Protect Respond Recover Minimale Leistung ZEIT 5

21 Extreme Nachfrageschwankungen Dr. Christian Neuner, Geschäftsführer des schwäbischen Profigeräteherstellers Flex GmbH, demonstrierte die extrem hohe Schwankungsbreite bei der Nachfrage mit Zahlen: »Wir hatten im Vergleich zu 2019 im März und April 40–50 Prozent weniger Nachfrage, verzeichneten im Juni 2019 jedoch ein Plus von 10 Prozent Auftragseingang.« Einerseits funktioniert die Vorproduktion in dem individualisierten Geschäft nur sehr eingeschränkt. Andererseits würden hohe Bestände die Kosten treiben, die in dem hoch preissensitiven Markt Wettbewerbs- vorteile schmelzen lassen. Der vergleichsweise starke Anstieg im Juni zeigt Nachholeffekte auf, die typischerweise um Krisen herum auftreten. Hier sind Unternehmen mit einer hohen Mengenflexibilität im Vorteil. Wichtig dabei ist die gleichzeitige Adaptivität bei den Kosten. Einer der weltweit größten Automobilzulieferer gibt bereits heute in seinem global gültigen ganzheitlichen Produktions- system den Werken folgende Kriterien für die Kostenflexibilität vor: Für ein optimal ausgerichtetes Werk müssen die operati- ven Kosten in dem Maße zurückgehen, wie der Umsatz sinkt, während bei einer Umsatzsteigerung die Kosten nur zur Hälfte im Vergleich zum Umsatz steigen dürfen. Wie schwierig das in der Umsetzung ist, zeigt das Beispiel Volkswagen, wo die Pro- duktion kurz nach ihrem Wiederanlaufen im April 2020 im Mai aufgrund der zu geringen Nachfrage wieder heruntergefahren werden musste.1 Wieder andere Unternehmen, die viel stärker prozessorientiert sind, kämpfen mit den großen Marktschwan- kungen und den damit verbundenen Effizienzproblemen. 22 Ungeahnte kritische Prozesse und Infrastrukturen Übergreifende Krisen wie die gegenwärtige zeigen auch, dass die Absicherung sogenannter kritischer Prozesse allein nicht mehr ausreicht. So rückte während der Pandemie beispielsweise die soziale Situation der Mitarbeiter in den Fokus. Durch die ver- schiedentlichen Schließungen von Schulen und Kindertagesstät- ten wurden plötzlich die jeweiligen häuslichen Gegebenheiten relevant für die Leistungsfähigkeit der Belegschaften. Ähnliches gilt für Prozesse zur Klärung der Zahlungsfähigkeit von Kunden. Noch viel schwerwiegender waren Prozesse, die in der direkten Wertschöpfungskette vom Rohmaterial bis zum Kundennutzen eingebunden sind. So waren Hersteller von Geräten für den Anlagenbau bei der Schließung von Verkaufs- und Servicestellen von heute auf morgen von ihren Kunden abgeschnitten. 1 Gregor Hebermehl: »VW drosselt Produktion schon wieder«, in: auto motor sport, 13. Mai 2020. Online unter: www.auto-motor-und-sport.de/suv/vw-drosselt-produktion-2020/ (zuletzt abgerufen am 13.10.2021). 7

2 Aktuelle Herausforderdungen für die deutsche Wirtschaft 27 Gesamtwirtschaftliche Effekte Die Auswirkungen externer Schocks wie die COVID-19-Pande- mie oder das katastrophale Hochwasser im Sommer 2021 auf Unternehmen und die gesamte Volkswirtschaft machen deut- lich, dass ein professionelles Resilienzmanagement auch oder sogar gerade für produzierende Unternehmen unerlässlich ist. Kurzfristig verursachen derartige Schocks konjunkturelle Effek- te wie Nachfrageeinbrüche oder unterbrochene Lieferketten. Langfristig sind negative Auswirkungen durch ausbleibende oder zurückgestellte Investitionen zu erwarten. Das wiederum schadet der Wettbewerbsfähigkeit von produzierenden Unter- nehmen und dem volkswirtschaftlichen Produktionspotenzial. Dies gilt insbesondere angesichts einer weiterhin stark wach- senden internationalen Konkurrenz im produzierenden Sektor. Bei krisenbedingten Insolvenzen in der Industrie ist darüber hinaus zu befürchten, dass Teile der Kapazitäten zukünftig durch ausländische Konkurrenz ersetzt werden. Daher ist es sehr wichtig, die Erholungsphase der Industrie effektiv zu unterstützen und möglichst kurz zu halten. Insbesondere die Auswirkungen eines stärkeren Abschwungs der Wirtschaft in der Krise »multiplizieren« sich langfristig durch eine verlänger- te Erholungsphase (in der Eurozone sank das Bruttoinlandspro- dukt 2020 um ca. 7 Prozent, in Deutschland um ca. 5 Prozent, weltweit um ca. 3,5 Prozent)1. 28 Was wird gefordert Generische Verfahren decken eine Vielzahl von Krisen ab Die COVID-19-Pandemie hat die Wertschöpfung von Unter- nehmen stark beeinträchtigt. Zudem kommen 2021 und 2022 auf einige Unternehmen Lieferengpässe bei Halbleitern zu.2 Für kleine und mittelständische Unternehmen sind der Aufbau sowie die regelmäßige Aktualisierung von Verfahren und das Training der Mitarbeiter für die Bekämpfung einer Viel- zahl unterschiedlicher Disruptionen mit besonders großem Aufwand verbunden. Firmen wie die Flex GmbH benötigen Resilienzmanagementsysteme, die mit möglichst wenigen Methoden und Prozessen die wichtigsten Disruptionen so abdecken, dass sie auch außerhalb von Krisenphasen ange- wendet werden können. Dadurch wird der Managementauf- wand handhabbar und Vorbereitungsmaßnahmen sowie das Training im Rahmen des Standardgeschäfts umsetzbar. So wie eine Feuerschutzübung gleichzeitig sowohl für das Auftreten von Bränden als auch für die Evakuierung bei einer Explosions- gefahr beispielsweise trainiert, muss die Unternehmensleitung generische Verfahren auch für eine Reihe anderer Disruptionen »Wir erwarten auch in naher Zukunft tiefgreifende Ereignisse. Ich würde insbesondere von möglichst generischen Methoden und Verfahren profitieren, die unabhängig vom Anlass funktionieren und einfach trainiert werden können.« Dr. Christian Neuner Flex GmbH anwenden. Dieser Engineering-Ansatz hilft auch bei den sogenannten Black Swan Events, also bei Ereignissen, die nicht vorausgesehen werden können. Mit diesem Ansatz können bereits bestehende Lösungen ein auftretendes Problem mit geringem Adaptionsaufwand besser bekämpfen, als es bei Spezialverfahren der Fall wäre. Datenverfügbarkeit und Datenverlässlichkeit Richtig verstandene Resilienz zielt auf die flexible oder gar antizipative Umgestaltung unternehmerischer Strukturen oder auch ganzer Wertschöpfungsnetze ab. Entscheidende Voraus- setzung für die erfolgreiche Umsetzung ist ein tiefgehendes Verständnis des eigenen Systems. Dazu gehören die Geschäfts- prozesse, die kritische Rolle einzelner Komponenten inner- halb des Systems sowie deren wechselseitige Abhängigkeiten gegenüber externen Stakeholdern und anderen Faktoren. Damit Unternehmen auf dieser Basis nachhaltig sinnvolle Entscheidungen treffen können, benötigen sie frühzeitig ver- lässliche Daten. Dementsprechend erfordert die Realisierung resilienter Systeme hohe Datenverfügbarkeit und anforde- rungsgerechte Datenqualität. Die zur Verfügung stehenden Daten müssen korrekt, vollständig, konsistent, aktuell und jederzeit verfügbar sein. Gefordert werden daher Strukturen und Technologien, die diese Anforderungen erfüllen. Es sind 1 Sachverständigenrat zur Begutachtung der gesamtwirtschaftlichen Entwicklung – Statistisches Bundesamt, »Konjunkturprognose 2021 und 2020«, Wiesbaden 2021. Auch online verfügbar unter: www.sachverstaendigenrat-wirtschaft.de/fileadmin/dateiablage/Konjunkturprognosen/2021/KJ2021_Gesamtausgabe.pdf 2 Richard Barnett: »Lieferengpässe in der Halbleiterindustrie«, 22. Februar 2021. Online unter: https://beschaffung-aktuell.industrie.de/news/halbleiter- lieferengpaesse-in-der-automobilindustrie/ (zuletzt abgerufen am 13.10.2021). 9

2 Aktuelle Herausforderdungen für die deutsche Wirtschaft Zudem steigt auch die Bedeutung eines schnellen und flexi- blen Rüstens der Produktionsanlagen (Zellen), also das Ein- richten von Betriebsmitteln für bestimmte Arbeitsvorgänge. Für beide Zielsetzungen – der hochflexiblen Zuordnung von Produkten zu Fertigungseinrichtungen und der Sicherstellung einer instandhaltungsfreien Produktion – ist eine permanen- te Abstimmung zwischen Produktion und Instandhaltung erforderlich. Nachhaltige Sicherung von Produktionssystemen durch Integration von Resilienzfaktoren in die Zielsysteme Die Zielsysteme und die damit verbundenen Kennzahlen heuti- ger Produktionssysteme sind in der Regel multikriteriell aufge- baut. Die Schwerpunkte liegen dabei oft auf Kundenzufrieden- heit und Ressourceneffizienz, etwa mithilfe der Kennzahl für Anlageneffizienz. Faktoren zur Steuerung der Resilienz werden meistens nur unzureichend berücksichtigt. Notwendig ist daher eine ganzheitliche Betrachtung und Synchronisierung dieser zumeist divergierenden Ziele. Dabei müssen die bestehenden Zielsysteme mit den Resilienzzielen ausbalanciert werden. Außerdem muss der erreichte Zustand nachhaltig stabilisiert werden. Dieses ganzheitliche Optimierungsparadigma zwi- schen Resilienzfähigkeit, Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit muss sich sowohl auf der strategischen Ebene im Rahmen der Unternehmensziele als auch auf der operativen Ebene – bei- spielsweise bei der Planung und Steuerung des Produktions- systems – widerspiegeln. Instandhaltungsfreie Fabrik Die Zukunftsvision der Arbeit in einer instandhaltungsfreien Fabrik bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Dabei verändert sich auch das Berufsbild der Instandhaltung. Es ent- wickelt sich hin zu »Resilienz-Experten oder -Managern«. In der instandhaltungsfreien Fabrik sind sämtliche Instandhal- tungsprozesse, Instandhaltungskompetenzen und die Arbeits- organisation so ausgerichtet, dass unproduktive und nicht geplante Wartungs- und Instandhaltungsaufgaben annähernd auf null sinken. Damit verändert auch die Arbeit ihr Gesicht. Neue Wissensbestände und Kompetenzen verbinden sich mit- einander. Die Instandhaltungsarbeit gewinnt dabei zunehmend den Charakter von Wissens- und Informationsarbeit. Einen entscheidenden Beitrag dazu müssen Berufsschulen, Fachhochschulen und Universitäten leisten. Heute können Stu- dierende die notwendigen Kompetenzen nur unvollständig an öffentlichen Bildungseinrichtungen erwerben. Deshalb müssen neue Qualifikationswege geschaffen werden. Dazu gehören Berufsabschlüsse wie Service-Techniker/-in, Instandhaltungs- Ingenieur/-in, Instandhaltungs-Techniker/-in oder Instandhal- tungs- oder Service-Techniker/-in sowie Resilienz-Manager/-in. Dabei ist es wichtig, diese Ausbildungen entsprechend ihrer Bedeutung und Vielseitigkeit so zu bewerben, dass das Berufs- bild Instandhalter an Attraktivität gewinnt und damit auch einen größeren Kreis von Auszubildenden und Studierenden anspricht. Aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung müssen Mit- arbeiterinnen und Mitarbeiter sich kontinuierlich mit neuen Technologien vertraut machen. Während produzierende Unternehmen und Instandhaltungs-Dienstleister häufig mit »klassischen« Formen der Qualifizierung ihr Personal ent- wickeln, gilt es hierbei, künftig das gesamte Ökosystem der Instandhaltung in den Blick zu nehmen. Das bezieht auch angrenzende Bereiche und Funktionen, beispielsweise Perso- nalentwicklung, aber auch Bildungsträger, Gewerkschaften und Sozialpartner, mit ein. Das Ziel muss darüber hinaus sein, Lernorte zu etablieren und zu fördern. Unternehmen müssen die Bedeutung der Rolle der Resilienz-Experten/-Expertinnen vermitteln und zeigen, wie diese die Wettbewerbsfähigkeit stärken können. Routine in der Ausnahme Für eine möglichst hohe Flexibilität bei gleichbleibender Pro- duktivität dürfen Störungen die Planung und Steuerung der Produktion nicht beeinträchtigen. Unternehmen müssen durch einen hohen Grad an Transparenz und Wandlungsfähigkeit in der Lage sein, auch auf außer- und innerbetriebliche Änderun- gen schnell und effektiv zu reagieren. So müssen etwa Ersatz- technologien sowohl intern als auch extern einsatzbereit sein. Auf diese Weise werden die Konsequenzen für die Wertschöp- fung im Sinne der Resilienz möglichst gering gehalten. Reversibilität Für Unternehmen ist die Fähigkeit essenziell, schnell zu handeln. So galt es bereits im März 2020, viele unterschiedliche Auf- gaben wie Sicherung der Wertschöpfungskette zum Kunden, Aufstellen und Umsetzen von Hygienekonzepten und Sicher- stellung der Liquidität – bei gleichzeitigem, zum Teil schockarti- gem Nachfrageschwund – zügig anzugehen und zu bewälti- gen. Im Juni 2020 erfolgten zumeist bereits Nachholeffekte beim Kunden und ab November 2020 die Umsetzung erneuter Lockdown-Bestimmungen. Ein Neuaufbau von Wertschöp- fungsstrukturen wäre zu aufwendig, zu langwierig und zu risi- koreich. Das bedeutet, dass eine schnelle und aufwandsarme Umkehrbarkeit bei der Umgestaltung zu gewährleisten ist. Mobilität der Fertigung ermöglichen Eine Matrixproduktion führt durch ihre Wandlungsfähig- keit zu mehr Flexibilität und Mobilität in der Fertigung. Ein Produktionssystem wird dadurch skalierbar und die Prozesse werden flexibel anpassbar, indem einzelne Fertigungs- und 11

» An vielen Stellen der Produktion stoßen wir mit herkömmlichen Methoden, Technologien und Prozessen an die Grenzen unserer Erkenntnis Je besser wir jedoch unsere komplexen Prozesse und ihre Randbedingungen kennen, desto fun- dierter und schneller können wir bei Störungen reagieren« Prof Dr-Ing Thomas Bergs MBA Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT 13

Die technologisch zu gestaltenden Eigen- schaften von Wertschöpfungssystemen werden hinsichtlich ihrer Anwendung den Resilienzphasen Prepare, Prevent, Protect, Respond und Recover zugeordnet. Für die Pre- pare-Phase (Vorbereiten) ist dies insbesondere die Antizipationsfähigkeit, wobei der Zeit- vorteil zur Umsetzung einer Neugestaltung, zu Änderungen oder Anpassungen genutzt wird. Die Phasen Prevent (Verhindern) und Respond (Reagieren) sind jeweils reziprok hinsichtlich des Aufbaus und des Abbaus von Leistungs- fähigkeiten. Deshalb stehen hier Agilität, Adaptivität und Flexibilität im Vordergrund. In der Protect-Phase (Schützen), der Phase mit dem höchsten Geschwindigkeitsgradienten der Veränderung, schützt vor allem Robust- heit vor Schäden und dem damit zumeist einhergehenden Leistungsabfall. Im Bereich des Recover (Wiederherstellen) sind die schnelle Regeneration und die Verbesserung der eigenen Fähigkeiten sowie das Lernen für die Bewältigung und zum Teil sogar zur Verhinderung kommender Krisen maßgeblich. Der Aufbau aller beschriebenen Fähigkeiten erfolgt jedoch vorrangig in den Phasen von Prepare und Recover. Somit stehen die Fähig- keiten und Phasen in einer Wechselbeziehung zueinander. 32 Wie – Optimierungsziele für Resiliente Wertschöpfung Optimierungsziele adressieren die Aufrecht- erhaltung der Handlungsfähigkeit entlang aller Resilienzphasen. Handlungsfähigkeiten in vernetzten Wertschöpfungssystemen sind auf die Bereiche der Rechtsfähigkeit, des »Dürfens«, der Prozessfähigkeit, des »Kön- nens« sowie auf das ausreichende Vorhanden- sein von Material- und Finanzmitteln, vom Eingangs- bis zum Ausgangspunkt, verteilt. Es gilt sowohl im Normalmodus als auch im Krisenmodus, die Liquidität entlang der Ende- zu-Ende-Wertschöpfungsketten aufrechtzu- erhalten. Die Zielsetzungen zur Optimierung kombinieren daher grundsätzliche Gestal- tungsziele mit Aufwands- und Zeitkompo- nenten. So verknüpft die Optimierung der Voraussetzungen für Resilienz Antizipation Events und Aus- wirkungen erkennen, bevor sie auftreten Adaptivität Sich stets doppelt so schnell an die Frequenz der Änder- ung anpassen Robustheit Ereignisse möglichst ohne Redundanz kompensieren Regenerations- fähigkeit Schnelle und reversible Transformation vorhersehen Antizipationsfähigkeiten im Normalfall in der Prepare-Phase den Zeitpunkt der Erkennung mit dem Aufwand, der routi- nemäßig betrieben darauf verwendet wird. Für die Agilität gilt sowohl in der Prevent- als auch in der Respond-Phase die Anpassungsgeschwindigkeit als wesentlich. Diese ist jedoch gerade wegen ihres Bezugs zum resultierenden Aufwand stets im angemessenen Verhältnis zu den Änderungen zu sehen. Hier hilft die Analogie zum Shannon’schen Abtasttheorem. Es besagt, dass eine Abtastrate, die der doppelten Frequenz des zu betrachtenden Eingangssignals entspricht, für die Nachbildung oder hinreichende Messung, ausreicht.1 Dement- sprechend lässt sich sagen, dass eine doppelte Anpassungs- frequenz im Verhältnis zu den äußeren Änderungen eine hin- reichende Handlungsfähigkeit gewährleistet. Die Zielsetzung der Robustheit wird vorrangig in den Phasen von Prepare und Prevent geschaffen, jedoch in Protect genutzt. Wegen der zeit- lichen Diskrepanz entsteht hier ein Zielkonflikt zwischen Auf- wand im Normalfall und Nutzen in der Krise. Redundanzen helfen vordergründig bei der Robustheit von Systemen in der Protect-Phase, sie machen jedoch unter Umständen erhebliche Investitionen nötig. Darüber hinaus führen sie zu Komplexität und Trägheit in allen anderen Phasen und stehen so der Forde- rung der Liquidität entgegen. Daher ist die Robustheit mit so wenig Redundanz wie möglich anzustreben. Die Regenerationsfähigkeit adressiert zwei Optimierungs- parameter: die Reduzierung der einzusetzenden Kräfte sowie die Schaffung von reversiblen Transformationen vom Normal- modus zum Krisenmodus. Auf diese Weise müssen möglichst wenig irreparable Änderungen kompensiert werden. Anderer- seits ist eine hohe Geschwindigkeit bei der Regeneration zur Wiedererlangung der Leistungsfähigkeit wünschenswert. 1 C. E. Shannon: »Communication in the Presence of Noise«, in: Proceedings of the IRE, Vol. 37, No. 1, Jan. 1949, pp. 10–21. DOI: 10.1109/JRPROC.1949.232969. 15

Strategiesystems anwendungsnah verortet. Dadurch werden die damit einhergehenden Konflikte in Strukturen, Prozessen und Geschäftsmodellen transparent. Die Unternehmensstrategie beinhaltet den langfristigen Plan, mit dem Unternehmensziele erreicht werden sollen und um den wirtschaftlichen Erfolg sicherzustellen. Im Rahmen der Resilienzstrategien erfolgt beispielsweise die Bestimmung der Balance zwischen Autarkie und Vernet- zung aus Resilienzsicht im vorhandenen Geschäftsrahmen. Die Technologiestrategie definiert, wie ein Unternehmen mit Technologien verfahren möchte, um Wettbewerbs- vorteile zu erzielen. Sie definiert die technologischen Ziele und zeigt den grundsätzlichen Weg dahin auf. Sie gibt an, welche Technologien zu welchem Zweck eingesetzt werden sollen. Die Innovationsstrategie legt langfristige Ziele der Innovationstätigkeit fest, stellt die dafür erforderlichen Innovationsprojekte auf und bewertet sie. Sie identifiziert Technologien und Märkte, die ein Unternehmen entwickeln und erschließen sollte. Außerdem stellt sie eine Hand- lungsorientierung dar, mit deren Hilfe Ideen generiert und Ressourcen verteilt werden. Zur Optimierung der Resilienz sind hierbei z. B. Entscheidungen zur Architektur von Produkten und Prozessen zu treffen. So ermöglichen bei- spielsweise modulare Architekturen eine bessere Flexibilität und Dynamik in der Produktentwicklung, führen jedoch zu erhöhten initialen Entwicklungsaufwänden und zu einem Komplexitätszuwachs. Dies kann einen Zielkonflikt mit der kurzfristigen Effizienz verursachen. Die Operationsstrategie bestimmt, wie die oben genann- ten Strategien im Tagesgeschäft umzusetzen sind. Sie legt fest, welche Prozesse wo und mit welcher Ausprägung realisiert und überwacht sowie welche Ressourcen dazu zur Verfügung gestellt werden. Aus Sicht einer integrierten Resilienzbetrachtung sind dabei z. B. Standorte in Bezug auf Kompensation und Redundanz genauso zu berücksichtigen wie die Fertigungstiefe oder die Lieferantenstruktur. Resilienzmethoden sind bewährte Vorgehensweisen und Techniken, mit denen die Resilienzprinzipien sowie Unterneh- mensstrategien realisiert und umgesetzt werden. Dazu gehört z. B. die Krisensimulation, die real, virtuell oder hybrid erfolgen kann. Unternehmen überprüfen damit den Vorbereitungsstand auf spezifische Krisen und trainieren zusätzlich Verfahrens- weisen für die Prepare-Phase. Im Fall der Simulation kommt beispielsweise häufig die ereignisdiskrete Simulation zum Einsatz. Andere können Fragebogenmethoden sein wie der Resilienzcheck des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitmechanik, Ernst-Mach-Institut, EMI. 3 Rahmenmodell für Resiliente Wertschöpfung Technologien bilden die Basis von Produktionsprozessen. In diesem Rahmen spiegeln sie eine Reihe von Lösungsvarianten für unterschiedliche Problemstellungen wider. Aus Kosten- gründen entscheiden sich Unternehmen meistens nur für eine Methode zur Erreichung ihres Ziels. Für die Resilienz ist es aber notwendig, kurzfristig auf verschiedene flexible Techno- logien zurückgreifen zu können. Dieses setzt in den Unter- nehmen voraus, dass aus dem vielfältigen Technologieportfolio die optimale Methode erkannt und in kurzer Zeit bzw. am besten bereits im Vorfeld als qualifizierte Ausweichtechnologie freigegeben wird. Neben den Produktionsprozessen sind auch Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe hinsichtlich ihrer Austausch- barkeit zu betrachten. Großes Potenzial bieten z. B. Sekundär- metalle, Sekundärhalbzeuge oder auch Substitutionsprodukte, also solche Produkte, die dieselben oder ähnliche Bedürfnisse befriedigen und vom Kunden als gleichwertig angesehen werden. Durch die Kenntnis und die Qualifizierung dieser Pro- dukte sowie die ggf. darauf angepasste Technologie können Produktionsprozesse hinsichtlich möglicher Schwachstellen widerstandsfähiger gemacht werden. Resilienzwerkzeuge werden angewendet, um die Umset- zung der Methoden und Technologien, auch in Kombination, für die Bewältigung von Aufgaben in den einzelnen Resilienz- phasen zu unterstützen. Werkzeuge müssen dabei unter Umständen mehrere Phasen gleichzeitig abdecken können. Ein solches Werkzeug wäre beispielsweise ein interaktives modell- basiertes Lagebild, das die Unternehmensführung von der Pre- pare- bis zur Recover-Phase bei Entscheidungs-, Planungs- und Überwachungsprozessen durchgängig unterstützt. 17

Dynamische und sichere Wertschöpfungsvernetzung Service Provider Zulieferer Unternehmen Kunde Endkunde Prozesse Services Infrastruktur Strategien | Geschäftsmodelle | Technologien oben: Integrierte Prozess- Services und Infrastruktur- Architektur für resiliente Wertschöpfungsnetze. unten: Mit dem interaktiven Lagebild können schon im Normalbetrieb Resilienz- funktionen wahrgenommen werden. Geschäftsmodelle und auch bei der Neuori- entierung. Die automatisierte Erzeugung von alternativen Prozessen unterstützt bei der Umsetzung geschlossener Wertschöpfungs- ketten auf allen Ebenen – beispielsweise der Geschäftsprozess- oder der Materialfluss- ebene. Planung und Überwachung der Maßnahmen, indem es beispielsweise die Auswirkungen der Maßnahmen auf die Liquidität simuliert. So kommen Unternehmen »vor die Lage« und bleiben auch in schwierigen Situationen voll handlungsfähig. Das Lagebild macht z. B. auch das Risiko des Ausfalls von Lieferbeziehungen sichtbar, sodass die Verantwortlichen schnell alternative Beschaffungsquellen oder -wege planen und realisieren können. Für das Auffinden alternativer Beschaffungs- quellen oder -wege dient die sogenannte Matching-Plattform. Das Matching, also das Suchen und Finden möglicher Alterna- tiven, erfolgt auf Basis eines gemeinsamen Service-Modells mit dynamischen Semantiken, sodass Matching-Algorithmen zur Vernet- zung mit und zur Nutzung von alternativen Wertschöpfungsprozessen erzeugt werden. Bereits bestehende teilautomatisierte Ver- handlungsmechanismen werden so integriert, dass eine Neukonfiguration von Wertschöp- fungsketten – unter Wahrung der Datenauto- nomie – sowohl im Rahmen der Krisenvor- bereitung (Prepare) als auch in der Reaktion in Protect und Respond schnell erfolgen kann. Die Matching-Plattform hilft beim Ausfall von Prozessen für bestehende Produkte und 19

Mithilfe der Matching-Plattform können auch Optionen der Umstellung auf autonomes Sourcing mithilfe von Recyclaten aufgrif- fen werden, also die Beschaffung alternativer Rohstoffe durch autonome Systeme. Auf Basis einer Referenzdatenbank werden Recycling- und Produktionsprozesse mit Blick auf die Lieferkette sowie die Substituierbarkeit und Qualitätssicherung miteinander verknüpft. Das gewährleistet, dass die Qualität von Sekundär- rohstoffen äquivalent zu der von Primärroh- stoffen ist und auch eine Nachverfolgbarkeit möglich wird. Das Lagebild ist mit einer robusten Liefer- logistik-Plattform verbunden. Kern der Lösung ist eine Multi-Sensor-Plattform. Diese sorgt für die automatisierte Erfassung resilienzrelevanter Frachtinformationen im Warenübergang und generiert einen robusten Fracht-Fingerprint. Dieser ist für die revisions- sichere Kennzeichnung und Überprüfung von Frachten erforderlich. Damit wird eine umfassende und rechtzeitige Datenverfügbar- keit über die Fracht und deren Zustand auf operativer Ebene realisierbar. Diese Transpa- renz ist für Logistikdienstleister unabdingbar. Sie ermöglicht darüber hinaus die Identifika- tion, Einplanung und Umsetzung sogenann- ter Bricolage-Maßnahmen für den sicheren Warentransport durch Rekonstruktion bzw. Wiederherstellung der zugrunde liegenden Datenbasis. Das verringert Zusatzmaßnahmen in Form redundanter oder erneuter Lieferun- gen gerade von Engpassgütern. Aufgrund der durchgängigen Digitalisierung des Resilienzmanagements sind auch Verfüg- barkeit und Leistung der zugrunde liegenden IT-Funktionen essenziell. Das Risikobewer- tungssystem dient dazu, Schwachstellen vor dem Hintergrund der Auswirkungen auf die Wertschöpfung in konkrete Handlungsfelder zu überführen. Mithilfe von Szenarioanalysen werden z. B. mit Lieferausfällen gekoppelte Angriffsszenarien und Schutzziele sowie Maß- nahmen definiert, deren Status im interaktiven Lagebild schon im Normalmodus überwacht werden können. Somit lassen sich im Krisen- fall, etwa bei einem Cyberangriff, das hinter- legte Modell und die spezifischen Prozesse zur Abwehr hochfahren und im Lagebild überwachen. 4 Die RESYST-Lösungsbausteine oben: Der »ScanSpector« als Simulation. Mitte: Der »ScanSpector«, ein automatisierter Frachtscanner, kann manuelle Stückgut- erfassung ablösen. unten: Das Dashboard zur Überwachung temperaturempfindlicher Waren entlang weltweiter Lieferketten. 21

Produktion reagieren zu können. Dazu müssen die Instand- haltungsaktivitäten zu jeder Zeit kurzfristig mit der Produk- tionssteuerung abgestimmt sein. Mithilfe von Maschinen- und Komponentenüberwachung sowie durch spontane Eingriffe der Instandhaltung können die zuständigen Mitarbeitenden ungeplante Produktionsausfälle abwehren. Auch kurzfristiges Umplanen von Instandhaltungsaktivitäten kann bei unerwar- teten Produktionsunterbrechungen die Produktion wieder steigern. Um diese auf den ersten Blick teilweise konträren Praktiken umzusetzen, müssen mehrere Informationen inner- halb weniger Minuten bekannt sein und verarbeitet werden: Zustände der betrachteten Maschinen, Verkettungen des Produktionssystems, Füllstände der Zwischenspeicher, aber auch die Verfügbarkeit von qualifiziertem Instandhaltungs- personal sowie von Werkzeugen und Ersatzteilen. Für diese kurzfristigen Instandhaltungsplanungen wurde ein System auf Basis des Maschinellen Lernens entwickelt. Das System trainiert anhand von Modelldatensätzen die Entscheidungsfindung und erarbeitet selbstständig eine Strategie für die optimale Instand- haltungsplanung. Das System optimiert die Entscheidungen basierend auf verschiedenen Dateninputs sowie einer hinter- legten Gewinnfunktion, um möglichst hohe Produktionserträ- ge zu erzielen. Dieser Ansatz ermöglicht es, sowohl kurzfristige Unterbrechungen zur Vorbeugung von Maschinenschäden als auch das spontane Vor- und Verschieben von Instandhaltungs- aufträgen zu minimieren. Auf der Ebene rekonfigurierbarer Produktionszellen wird die Matrixproduktion auch um die Flexibilität innerhalb der jeweiligen Matrixzellen auf Anlagenebene erweitert. Die Matrixproduktion kann somit auf eine höhere Vielfalt an Prozessmodulen verschiedenster Fertigungstechnologien zurückgreifen. Für eine intelligente Steuerung sind diese Prozessmodule darüber hinaus definiert durch Prozess-, Pro- dukt-, Ressourcen- und Technologiefähigkeits-Eigenschaften. Je nach Konfigurierbarkeit erhält die Matrix sowie die intel- ligente Instandhaltung eine begrenzte Anzahl an möglichen Alternativen zur Auswahl. Die dadurch erreichte Flexibilität der Produktionszellen ermöglicht es zudem, auf kleinstem Raum eine Vielzahl an technologischen Fähigkeiten abzubilden. Bei Pannen oder Unterbrechungen beschleunigen solche rekonfi- gurierbaren Produktionszellen den Anlauf neuer, alternativer Produkte. Darüber hinaus ist eine Skalierbarkeit auf andere Losgrößen mit vergleichsweise kurzer Anlaufzeit möglich. Bei der Auslegung solcher rekonfigurierbaren Produktionszellen unterstützen Simulationssysteme dabei, Auswirkungen der Produktionszellen auf das Gesamtsystem zu antizipieren und in einer frühen Produktionsphase zu bewerten. Adaptive Prozessketten erweitern die Flexibilität resilienter Produktionssysteme um eine weitere Dimension auf Techno- logieebene. Fallen eine Anlage oder ein Prozessmodul aus, dann ermittelt das Management auf Technologiebasis eine Alternative. Hierfür sind ausgehend vom Bauteil und dessen Anforderungen alternative Prozesskettenvarianten abzuleiten und zu bewerten. Ähnlich wie in der Matrixproduktion wählen die Verantwortlichen auch hier die Optimierungsziele. Voraus- setzung für den Einsatz von adaptiven Prozessketten sind ein hohes Prozessverständnis und zu Prognosen fähige Techno- logien, um diese im Kontext von Adaptivität und Agilität als Werkzeuge für ein resilientes Produktionssystem zur Verfü- gung stellen zu können. Durch die Kopplung von modell- mit datenbasierten Methoden ist es möglich, eine Prognosefähig- keit der Technologien so zu erhöhen, dass valide Aussagen für die Prozesskettenplanung ableitbar werden. Skizzierung des Agenten für kurzfristige Instandhaltungsentscheidungen Anlage A Anlage B Anlage C Zur kurzfristigen Entscheidungs- findung mit Prüfung von Verfügbarkeiten Verschiedene Belegungsphasen Kurzfristige Unterbrechung der Produktion Geplante Instandhaltungstätigkeiten Benötigtes Personal Benötigte Werkzeuge Benötigte Ersatzteile 23

4 Die RESYST-Lösungsbausteine Die Quadranten dieser Matrix teilen sich in »Widerstands- fähigkeit«, »Improvisationsfähigkeit«, »Anpassungsfähigkeit« sowie »Innovationsfähigkeit«. In den kritischen Quadranten können nun mittels eines an die individuellen Anforderungen des Produktionssystems angepassten Methodenbaukastens die Fähigkeiten zur Resilienzsteigerung aktiv gefördert werden. Die Methoden umfassen dabei beispielsweise die Risikobewertung auf Basis von Wahrscheinlichkeiten oder das Risikomanage- ment sowie risikosenkende Maßnahmen zur Erfüllung der Anforderungen der Resilienz. Der Mehrwert der entwickelten Methoden spiegelt sich in der Steigerung der Resilienz von Produktionsanlagen und Produk- tionssystemen im Bereich der Instandhaltung wider, basierend auf einer transparenten Bewertungslogik sowie einem fundier- ten Methodenkasten. Werkzeuge für ein resilientes Risikomanagement Für Unternehmen, die auf dem Weg in die resiliente Instand- haltung KI-gestützte Verfahren und Cloud-Lösungen einsetzen möchten, stehen ein detailliertes Vorgehensmodell und ein Template zur Beschreibung entsprechender Use Cases zur Verfügung. Beides wurde als Webanwendung entwickelt. Das Vorgehensmodell bietet in sieben Schritten, von der Problem- analyse sowie der Daten- und Sensorikauswahl über Entwick- lungsschritte bis zur Abnahme und Zertifizierung, detaillierte Erläuterungen für die Implementierung. Das Template »Use-Case« bietet darüber hinaus die Möglich- keit, anhand von Fragen und Erläuterungen einen möglichen cloudbasierten Use Case in der Instandhaltung systematisch zu beschreiben. Es unterstützt sowohl die frühe Phase der Ideenfindung solcher Use Cases als auch die Dokumentation bereits implementierter Anwendungen. Diese dienen dann als Input für den Aufbau einer Datenbank zur Sammlung von Use Cases. Je nach Umsetzungsstand stellt das Tool dem Nutzer detaillierte Fragen. Die Beantwortung dieser Fragen soll ihn an die Berücksichtigung aller notwendigen Umsetzungsschritte erinnern und so als Basis einer systematischen Entwicklung dienen. Vorgehensmodell zur Entwicklung eínes intelligenten Cloud-Service Eingrenzen und Analysieren des Problems Auswählen von Sensoren und Daten Durchlaufen des Entwicklungszyklus Entwerfen der Systemarchitektur Durchführung einer Anforderungsanalyse Übertragung und Validierung auf Hardware Abnahme und Zertifizierung 25

4 Die RESYST-Lösungsbausteine Rohstoff Einschmelzen VIRTUELL REAL Entsorgung / Demontage Werkstoff Aufbereitung Produkt- lebenszyklus Halbzeug Komponente Ein weiterer wichtiger Punkt bei der Betrach- tung von Resilienz auf der Ebene von Pro- duktionstechnologien ist die Versorgung mit Energieträgern bzw. Reduktionsmitteln. Eine bedeutende Alternative zur Erhöhung der Resilienz bietet beispielsweise der Wechsel von fossilem Koks zu biogen-stämmigem Kohlenstoff, sprich TCR-Koks. Mit dem TCR- Verfahren können Gärreste, Klärschlamm oder Stoffe aus der »Grünen Tonne« bei 500 °C bis 750 °C zu Karbonisat umgesetzt werden. Neben der Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen leistet dies auch einen Bei- trag zur CO2-neutralen Produktion. Antriebswelle Fraunhofer-Verbund Produktion Weitere Lösungsbausteine des Fraunhofer-Verbunds Produktion für eine Resiliente Wertschöpfung in den drei Anwendungsbereichen Strategie- und Prozessmanagementsysteme, Produktionssysteme und Produktions- technologien werden auf der RESYST- Website zur Verfügung gestellt. www.produktion.fraunhofer.de/de/ forschung-im-verbund/zukunfts- themen/RESYST.html oben: Produktionsprozesse neu denken: Entscheidungs- schemata (links) sowie virtuelle und reale Prozess- folge (rechts). 27

das ESL-Tag nun noch aufblinken, dann ist ein Bauteil innerhalb von wenigen Augenblicken auffindbar. Gerd Ringelmann, Produktionslei- ter im Werkzeugbau des Unternehmens, sagt: »Zu Beginn der COVID-19-Pandemie mussten wir ca. 1000 Bauteile gleichzeitig ›on hold‹ setzen. Mithilfe der ESL-Tags war der Vorgang in wenigen Minuten erledigt. Stellen Sie sich mal vor, ein Mitarbeiter hätte alle Bauteile suchen und manuell markieren müssen. Das hätte Tage oder sogar Wochen gedauert.« Das Beispiel der ESL-Tags zeigt ebenfalls, dass solche innovativen Lösungen nicht immer teuer sein müssen. Die Anschaffung von 2500 ESL-Tags am Standort Schweinfurt hatte sich allein durch den Wegfall des benötigten Papiers innerhalb eines Jahres amortisiert. ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH: Virtuelle Inbetriebnahme mittels eines Digitalen Zwillings Sogenannte Digitale Zwillinge werden von Maschinen- und Anlagenbauern heute schon vielfach genutzt, um hochkomplexe Pro- duktionsmaschinen und -anlagen bei deren Entwicklung virtuell zu planen und zu optimie- ren. Digitale Zwillinge können auch eingesetzt werden, um die Anlagentechnik für die Durch- führung von Fertigungsprozessen zu entwi- ckeln, auszulegen und die Steuerungssysteme noch vor der erfolgten Realisierung zu entwer- fen und in Betrieb zu nehmen. Für eine solche virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) sind Modelle der Maschinen und Anlagen zu entwickeln, die hinsichtlich ihrer Schnittstellen, Parameter und Betriebsarten dem realen Pendant entsprechen. Mithilfe solcher virtuellen Systeme können die zuständigen Mitarbeitenden realistische Test- und Inbetriebnahme-Situationen inkl. der notwendigen Steuerungsfunktionen nach- stellen und dadurch das Steuerungssystem am Digitalen Zwilling genauso wie an der realen Maschine betreiben und untersuchen. Die virtuelle Inbetriebnahme leistet einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Resilienz von Produktionssystemen. Diese Steigerung setzt neben dem frühzeitigen Erkennen innerer und äußerer Störereignisse auch die Fähigkeit voraus, flexibel auf diese Stö- rungen zu reagieren. So ist es notwendig, beim Ausfall eines Fertigungsmittels in der Produktion eine geeignete Ausweichvariante zu finden und zu prüfen. Neben der qualita- tiv gleichwertigen Fertigung von Produkten können dabei beispielswese auch terminliche Randbedingungen oder geänderte Eingangs- materialien als Zielstellung gegeben sein, die wiederum zu Änderungen der Produktions- abläufe führen. Die dafür nötige Adaption des Produktionssystems muss geplant und auf ihre Umsetzbarkeit hin untersucht werden. Ist der Maschinenpark beispielsweise eines Komponentenherstellers virtualisiert, dann können zur Realisierung Digitaler Zwillinge für den vollständigen Lebenszyklus einer Produk- tionsanlage beispielweise mit der Software »ISG-virtuos« Maschinen und Anlagen aus einer Bibliothek zusammengestellt werden. Mit diesem Baukastensystem stellt man bei sich verändernden Randbedingungen schnell neue Konfigurationen für Fertigungssysteme und Anlagen bis hin zu ganzen Werkhallen zusammen. Im Sinne der Antizipation hilft ein solcher Konfigurator ebenfalls dabei, Ereig- nisse wie den Ausfall von Fertigungsmitteln zu simulieren, die Reaktionen darauf passgenau zu planen und an der virtuellen Repräsen- tanz zu validieren. So kann das Management im Falle einer Krise oder Störung wesentlich schneller reagieren, was wiederum die Ausfall- zeiten der Produktionssysteme verkürzt. Bis zu zwei Drittel der Steuerungssoftware von fertigungstechnischen Systemen dienen heute der Fehlererkennung und -behandlung. Die Prüfung der dafür eingesetzten Methoden erfolgt bei konventioneller Anlagenentwick- lung erst nach Realisierung der Hardware. Erst dann können entsprechende Fehler provoziert und die Reaktion der Steuerung validiert werden. Zudem können Fehler, die zur Beeinträchtigung der Maschinenbediener, der Maschinenumgebung oder auch zur Beschädi- gung oder gar Zerstörung der Anlage führen, am realen System nicht überprüft werden. Am Digitalen Zwilling hingegen ist es bereits in einer frühen Phase der Anlagenentwicklung, und zwar schon vor der Realisierung, möglich, diese Fehlerbilder zu untersuchen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse fließen sowohl in die Entwicklung der Anlagenkomponenten als auch des Steuerungssystems ein. Damit wird die Robustheit von Systemen schon bei der Entwicklung verbessert. 1 1 ESL-Tags (Electronic Shelf Labels) sind kleine kabellose Bildschirme. 2 3 4 2 Reale Roboterzelle. 3 Digitaler Zwilling der Roboterzelle. 4 Aus Baukastensystem zusammengestellte virtuelle Fertigungszelle. 29

der Tätigkeiten konnte durch eine informa- tionstechnische Lösung realisiert werden. Die IT-Lösung leitete die Aufträge an den richtigen Partner automatisiert weiter und versorgte ihn mit den passenden Informationen. Der geschützte Informationstransfer reduzierte den manuellen Arbeitsaufwand und beschleu- nigte die gesamte Abwicklung. Es wurde eindeutig definiert, welche Informationen zu welchem Zeitpunkt weiterzugeben sind und wie ein manipulationssicherer Transfer sicherzustellen ist, um eine valide Geschäfts- grundlage zu schaffen, und es wurde ein Dokumentationsstandard erarbeitet. Dieser legt fest, welche Informationen erfasst und an den Auftraggeber zurückgespielt werden und wie die durchgeführten Leistungen zu dokumentieren sind. Gleichfalls wurde das Netzwerk an Partnern mithilfe von Standards möglichst flexibel gehalten und aufwandsarm angepasst. Das von Fraunhofer erarbeitete Lösungskon- zept beinhaltet ein Vorgehensmodell sowie mehrere Bewertungsmethoden. Damit können die Verantwortlichen die technische Realisie- rung, die ökonomischen und strategischen Vorteile sowie auch die Auswirkungen auf die Resilienzfähigkeit begutachten. Die Ver- wendung einer Blockchain wurde bei diesem Anwendungsfall als sinnvoll erachtet. Notwen- dige Prozessanpassungen, zu automatisieren- de Prozessschritte, Aufgaben der Blockchain und die notwendigen SmartContracts wurden in einzelnen Workshops systematisch erarbei- tet. Darauf aufbauend wurde die geeignete Blockchain-Technologie ausgewählt und die Implementierungsreihenfolge festgelegt. Auf Basis des Vorgehensmodells sowie der Bewertungsmethoden entstand schließlich die erforderliche Blockchain. Jedem Partner stehen nun somit aufgabenbezogen die not- wendigen Informationen als manipulations- sichere (Vertrauens-)Basis zur Verfügung. Die SmartContracts steuern den standardisierten und verbindlichen Ablauf jeglicher Aufgaben innerhalb der Kooperation. Die Lösung führte zu einer deutlichen Steigerung sowohl der Adaptivität als auch der Robustheit und damit zu einer erhöhten Resilienz. 5 Case Studies – Was man heute schon von den Besten lernen kann Gemeinsam mit PIEL hat das Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML ein Forschungsprojekt gestar- tet, um auch in kritischen Situ- ationen lieferfähig zu bleiben 31

Adaptives Prozessmanagement und Werkzeuge Die Gestaltung und Umsetzung adaptiver Prozesse ist auch unabhängig von Krisen ein ständiges Ziel, das mithilfe einzel- ner Methoden und Werkzeuge wie Process Mining partiell auch heute schon unterstützt wird. Für ein hinreichendes Management von Prozessen im Kontinuum von Normal- und Krisenmodus sind zunächst prozessbezogene Resilienzkri- terien erforderlich, die für das Überleben des Unternehmens ausschlaggebend sind. Diese Kriterien müssen sowohl die Spe- zifika entlang der Resilienzphasen als auch die Vernetzung der Prozesse untereinander reflektieren. Damit wird eine Bewertung von Einflüssen und Auswirkungen verschiedener, sich auch überlagernder Ereignisse aus Unternehmenssicht erst machbar. Dafür sind Matching-Methoden zu entwickeln, mit denen Informationen zu äußeren Events sicher auf die prozess- bezogenen Resilienzkriterien appliziert werden können. Die Corona-Pandemie zeigt jedoch noch ein weiteres Defizit im Prozessmanagement auf: die mangelnde Fähigkeit, die Balan- ce zu halten zwischen Agilität und Flexibilität (wie schnell können Unternehmen ihre Produktion umstellen) einerseits und effizienter, sicherer und ressourcenschonender Routine andererseits. Dazu sind Methoden und Werkzeuge zu entwickeln, die beide Erfordernisse erfüllen. Insbesondere beim Umgang mit unvorhergesehenen Ereignissen müssen Lösungen etabliert werden, die es möglich machen, allein auf Basis von Randbedingungen wie sich ändernden Produkteigenschaften, Fähigkeiten und Erfahrungen krisentaugliche Prozesse auto- matisiert zu erzeugen und zu operationalisieren – und dies, ohne das bestehende Prozessnetz zu stören. Das Thema ist enorm komplex. Deshalb sollten Referenzmodel- le und integrierte Standardbausteine den Unternehmen beim Aufbau und Betrieb ihres Prozessmanagements helfen. Hierfür müssen Regeln formuliert werden, welche die Gestaltung von Systeminfrastrukturen (z. B. Informationstechnik) für die dyna- mische Prozessanpassung unterstützen. Dynamisches Matching von Kompetenzen, Services und Materialien entlang der Wertschöpfungskette Für die schnelle Vernetzung von Produkten und Services, z. B. beim Ausfall eines Partners, sind Entwicklungen auf mehreren Ebenen notwendig. Die Matching-Algorithmen müssen, bezo- gen auf ihre Aggregation und Genauigkeit, adaptierbar so entwickelt werden, dass weder keine noch zu viele irrelevante Matches entstehen. Die Rückführung der Erfahrungen in das Matching ist so zu gestalten, dass in Zukunft keine Fehler auftreten. Im Ereignisfall muss es schnell gehen, dazu sind teilautomatisierte Verhandlungs- und Synchronisations- mechanismen im Wertschöpfungsnetzwerk erforderlich. Das Matching muss über die Verfahrens- und die Serviceebene vor allem die notwendigen Ressourcen berücksichtigen. Dazu sind digitale Schnittstellen sowie gemeinsame Kommunikations- standards zwischen dem Primär- und Sekundärrohstoffsektor auf eine Weise zu konzipieren, dass beim Ausfall eines Sektors ein nahtloser und in Bezug auf den gesamten Produklebens- zyklus transparenter Übergang gewährleistet ist. Mithilfe von Matching-Algorithmen zur Substituierbarkeit von Roh- stoffen mit Rezyklaten können Unternehmen im Krisenfall schnell auf selbstautonome Prozesse umstellen. 33

6 Forschungsbedarf »Gerade in Krisen sind Transparenz, breite Teilhabe, industrielle Leistungsfähig- keit und Datensouveränität die Voraussetzung für sichere und zuverlässige Vernetzung. GAIA-X muss deshalb mit offenen Technologien umge- setzt werden.« Prof. Dr.-Ing. Thomas Knothe Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK automatisierte dynamische Produktions- und Instand- haltungsplanung für komplexe Produktionssysteme zu schaffen. Maschinelles Lernen ist dabei ein Schlüsselfaktor. Die unternehmensübergreifende Konsolidierung und Auswer- tung relevanter Informationen aus den Produktionssystemen bilden eine unverzichtbare Grundlage für die Zuverlässigkeit von Prognosen. Diese wiederum ist auf sicherere und hoch verfügbare Cloud-Services angewiesen, die aktuelle Entwick- lungen wie GAIA-X und International Data Spaces (IDS) berücksichtigen. Neben den unternehmensübergreifenden Cloud-Lösungen liefert die Blockchain eine innovative und extrem resiliente Möglichkeit, um beispielsweise relevante Informationen entlang des Lebenszyklus von Anlagen zu erfassen und auszuwerten. Wirtschaftlichkeits- und Ökologie- betrachtungen sind hierfür ebenso sinnvoll wie die Schaffung einer Simulationsumgebung zur schnellen Visualisierung und zum Testen von Blockchain-Lösungen (inkl. SmartContracts), u. a. auch zur Abschätzung von Aspekten wie CO2-Emissionen und Nachhaltigkeit. Ein ganz wesentliches Element für die erfolgreiche Etablie- rung einer anforderungsgerechten Resilienz in Unternehmen sind die Kompetenz und Qualifikation der Menschen im Unternehmen. Deshalb müssen die Inhalte und Strukturen für die Aus- und Weiterbildung beim Thema Resilienz geschaffen bzw. erweitert werden. Hier sollten u. a. die bereits vorhandenen Anwen- dungszentren und Labore der Fraunhofer-Gesellschaft im Fokus stehen. Sie können zu einer virtuellen und realen Demonstra- tionswelt vernetzt werden, um Resilienz erfahrbar zu machen. Ressourceneffiziente Produktionsverfahren zur Resilienzsteigerung Für die Einführung und Nutzung resilienter Wertschöpfungs- systeme ist die interdisziplinäre Erforschung der ganz- heitlichen Prozesskette, bestehend aus konventionellen und additiven Prozessen, voranzutreiben. Das gilt ebenso für die Nutzungsmöglichkeiten alternativer bzw. hybrider Werkstoffe. Um Resilienzpotenziale in Wertschöpfungsaktivitäten und -systemen aufzudecken, steht bei den unterschiedlichen alter- nativen Prozessketten der Additiven Fertigung bzw. der Aus- tauschbarkeit von Werkstoffen sowie Hilfs- und Betriebsmitteln die Ermittlung sinnvoller Use Cases und Geschäftsmodelle im Vordergrund. Diese Vorarbeit legt die Basis für die Überführung in eine automatisierte Generierung von alternativen Prozessket- ten und Werkstoffen. Zwingend notwendig ist die damit verbundene Entwicklung und Validierung eines Entschei- dungsunterstützungssystems zur Steigerung organisationaler Resilienz. Diese Steigerung resultiert aus additiven Ferti- gungsverfahren für branchenübergreifende Produktions- und Wertschöpfungssysteme. Um die Akzeptanz von alternativ gefertigten Bauteilen zu erhöhen, ist eine relevante Datenbasis für die virtuelle Über- prüfung von Anwendungsfällen ebenfalls unverzichtbar. Eine Forschungsaufgabe ist hier – neben der Evaluierung der Werkstoff- bzw. Produkteigenschaften – auch die Schaffung eines gemeinsamen Datenraums. Dieser berück- sichtigt auch die vor- und nachgelagerten Prozesse. Je besser die Datenlage und die Kenntnisse über Simulationsprogramme, desto genauer lassen sich Prozesse in Form eines Digitalen Zwillings abbilden, virtuell optimieren und zum Einsatz bringen. Des Weiteren stellen sich auch in den einzelnen additiven Fertigungsverfahren Fragen für die Forschenden. Neben der Vergrößerung der Werkstoffvielfalt können auch Aspekte wie Prozessstabilität, mobile Anwendungsmöglichkeiten und Sen- sorintegration weitere Potenziale in der Einsetzbarkeit bieten. 1 www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/gaia-x.html 2 www.fraunhofer.de/de/forschung/fraunhofer-initiativen/international-data-spaces.html 35

Unternehmen Aufbau von integrierten Resilienzmanagement- systemen, die bereits im Normalmodus nutzbar sind Vom Add-on zum Nutzen im Tagesgeschäft: Resilienz ist als individuelle Fähigkeit eines Unternehmens in bestehende Managementsysteme so zu integrieren, dass alle Resilienz- phasen unterstützt werden. Durch eine Flexibilisierung des Strategiesystems wird bereits im Normalmodus ein Nutzen im Tagesgeschäft hinsichtlich Observation, Governance und Training sowie Prozessverbesserungen erzielt. Das gilt zum einen für Positionierungsalternativen, z. B. bei Technologien, zum anderen im Sinne der zu betrachtenden Zeithorizonte von Entscheidungen. So gelten im Krisenfall strategische Entschei- dungen auch für kürzere Zeiträume. Aufbau resilienter, alternativer Prozessketten Hier gilt die Regel: Ausweichtechnologien vorsehen. Zur Erreichung von Resilienz in der Produktion ist im Fall von Disruptionen schnelles, reaktives Handeln zwingend not- wendig. Das Ziel von resilienten, alternativen Prozessketten ist es, Flexibilität auf den drei Ebenen Produktionssteuerung, Produktionsanlagen und Prozesskettenauslegung zu schaffen. Unternehmen müssen hierfür bereits im Vorfeld von Störun- gen alternative Prozessketten hinsichtlich Verfügbarkeit und Anlagenfähigkeiten berücksichtigen. Aus der Verbindung aller drei Ebenen der Flexibilität entsteht eine neue Art der Produktionskomplexität, die Unternehmen mit einem hohen Maß an Transparenz in Verbindung mit digitalen Werkzeugen beherrschen müssen. Besonders die Entwicklungen neuartiger oder die Erweiterungen bereits etablierter Fertigungstechno- logien sollten von Unternehmen stets verfolgt und der Einsatz im eigenen Unternehmen als Ergänzung oder Substitution zum bestehenden Fertigungstechnologieportfolio sollte geprüft werden. Erhöhung der Flexibilität bei der Anwendung alternativer Fertigungstechnologien Der Blick über den Tellerrand: Die begrenzte Anzahl von Ressourcen und Technologien erfordert im Fall einer Disrup- tion immer wieder den Aufbau alternativer Prozessketten und ein Umdenken in der Auswahl und Reihenfolgeplanung der Fertigungstechnologien. Häufig lässt sich ein Bearbeitungs- schritt mithilfe einer anderen Technologie ersetzen. Hier reicht die Spannweite von sehr ähnlichen Fertigungsverfahren wie beispielsweise Bohren und Fräsbearbeitung bis hin zu komplett neuen Möglichkeiten, etwa durch additive Fertigungsver- fahren, um nur ein Beispiel zu nennen. Um diese Flexibilität zu erreichen, ist allerdings ein tiefes Verständnis der eigenen technologischen Fähigkeiten notwendig. Im Fall einer Disrup- tion hilft das, die Alternativen zu erkennen. 37

Politik – Gesellschaft Schnelle und sichere Zertifizierung von Produkten und Prozessen Unternehmen müssen bei Disruptionen in ihren Wertschöpfungssystemen Einfluss auf ihre eigenen Produktionssysteme nehmen oder sogar kurzfristig die Strategie anpassen. Dies kann erhebliche Veränderungen in der Produktionsprogrammplanung, der Material- bedarfs- und Kapazitätsbedarfsplanung sowie in der Fertigungsplanung nach sich ziehen. Dabei entstehen parallel neue Anforderungen an die Zertifizierungen von Produkten und Prozessen. Die Nutzung alternativer Mate- rialien bzw. die Verwendung alternativer Fertigungsprozesse kann sogar zum Erlöschen einer Zertifizierung führen. Um die Verände- rungen abzusichern, sind daher Verfahren für eine gleichermaßen zeitnahe wie sichere Zerti- fizierung unverzichtbar. Beschleunigte Vergabeverfahren zur Sicherung der Grundversorgung In Krisen kommt es bei Wertschöpfungssyste- men darauf an, schnell und flexibel zu reagie- ren. Ausfälle in Lieferketten oder auch die Befriedigung akuter oder erhöhter Bedarfe an notwendigen Produkten und Dienstleistungen erfordern zügiges und konsequentes Handeln. Dem gegenüber stehen teilweise aufwendige oder langwierige Vergabeverfahren. Um trotz- dem die notwendigen Agilitäts- und Innova- tionspotenziale freisetzen zu können, sollten temporär beschleunigte Vergabeverfahren die Aufrechterhaltung von Wertschöpfungssyste- men insbesondere zur Sicherung der Grund- versorgung sicherstellen, natürlich unter Ein- haltung der gebotenen Sicherheitsstandards Staatliche Unterstützung auch auf Wertschöpfungssysteme ausrichten Staatliche Unterstützungsleistungen wie Über- brückungshilfen unterstützen Unternehmen in Krisen, etwa aufgrund temporär verordne- ter Schließungen und dadurch entstandener Umsatzeinbußen, dabei, ihre wirtschaftliche Existenz zu sichern. Diese Unterstützungsleis- tungen sind ein zentrales Instrument, um die Ausirkungen der Corona-Pandemie oder der in einigen Regionen historischen Hochwasser- katastrophe abzufedern. Auch der durch die 7 Handlungsbedarf Bundesregierung eingerichtete Wirtschafts- stabilisierungsfonds ist eine wichtige Hilfe für Unternehmen. Denn die Gefährdung des Unternehmensbestands hätte tiefgreifende Auswirkungen auf den Wirtschaftsstandort Deutschland und den Arbeitsmarkt. Neben der Betrachtung der Relevanz einzelner Unter- nehmen sollten darüber hinaus die Zusam- menhänge in Wertschöpfungssystemen in den Blick genommen werden, um auch ganze Wertschöpfungssysteme über Krisen hinweg aufrechtzuerhalten und damit drohende Wert- schöpfungsverlagerungen zu verhindern. Förderung der interdisziplinären Resilienzforschung zur Sicherstellung des Erhalts und des Ausbaus des Wirtschaftsstandorts Deutschland Nicht erst angesichts der Pandemie wird deutlich, wie wichtig Technologiesouveränität für den Wirtschaftsstandort Deutschland ist. Neben der Aufrechterhaltung der Wettbe- werbsfähigkeit steht auch die unternehmeri- sche Handlungsfähigkeit im Fokus. Integrative Konzepte und Anwendungen zur Steigerung der Resilienz verdeutlichen, wie vielschichtig und differenziert das Thema ist. Daher müssen auf allen Ebenen die Weichen für kollabora- tive und interdisziplinäre Resilienzforschung gestellt werden. Nur so lässt sich die Wett- bewerbsfähigkeit der Unternehmen auch langfristig sicherstellen. 39

der Ebene von Politik und Gesellschaft. Darüber hinaus ist es geboten, insbesondere für Krisenzeiten beschleunigte Verga- beverfahren zu etablieren, die eine Sicherung der Grundver- sorgung gewährleisten. Staatliche Unterstützungsleistungen sollten sich allerdings nicht nur auf einzelne Unternehmen konzentrieren, sondern vielmehr ganze Wertschöpfungssyste- me in den Blick nehmen. Übergreifend gilt es, die interdiszipli- näre Resilienzforschung zur Sicherstellung des Erhalts und des Ausbaus des Wirtschaftsstandorts Deutschland zu fördern und zu verstetigen. Wer jetzt glaubt, die aktuellen Krisen wären weitestgehend überwunden und eine Rückkehr zum Vorkrisensystem wäre das Gebot der Stunde, irrt grundlegend und ist auf die nächste Krise nicht ausreichend vorbereitet. Resilienz ist keine ein- malige Maßnahme zur Lösung eines Problems, sondern eine andauernde strategische Aufgabe der Unternehmensführung zur langfristigen Sicherung der Überlebensfähigkeit. Nur so kommen Unternehmen vor die Krise. Produktionssysteme und Produktionstechnologien zugeordnet und exemplarisch vorgestellt. Neben diesen im White Paper aufgeführten anwendungsreifen Lösungsbausteinen finden sich weitere auf der Website des Fraunhofer-Verbunds Produk- tion (www.produktion.fraunhofer.de). Um den Herausforderungen einer resilienten Wertschöpfung konsequent begegnen zu können und zur Erhöhung des Resilienzniveaus ganzer Wertschöpfungssysteme beizutragen, müssen auf den drei Ebenen Unternehmen, Wertschöpfungs- system sowie Politik und Gesellschaft konkrete Handlungs- empfehlungen umgesetzt werden. Für Unternehmen bedeutet dies den Aufbau und die Integration von Resilienzmanage- mentsystemen sowie alternativer Prozessketten, aber auch die Bereitschaft, alternative Fertigungstechnologien einzusetzen. Auch die Qualifizierung der Mitarbeitenden zum richtigen und sicheren Agieren in Krisen ist dringend geboten. Auf der Ebene der Wertschöpfungssysteme gilt es, die Ver- netzung und Kollaboration der Unternehmen untereinander zu stärken, interoperable und digital vernetzte Infrastrukturen zu schaffen sowie alternative und konkurrenzfähige Lieferketten zu etablieren. Zudem ermöglicht die Stärkung von Kreislauf- prinzipien für Rohstoffe, Materialien und Bauteile, die Produk- tion auf Basis von Rezyklaten und regionaler Wertschöpfung aufrechtzuerhalten. Zur Aufrechterhaltung der Produktion erfordert die Verwendung alternativer Materialien und Pro- zesse oder die Fertigung alternativer Produkte eine schnelle und sichere Zertifizierung von Produkten und Prozessen auf 41

Kontakt Prof. Dr.-Ing. Holger Kohl Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK Telefon +49 30 39006-233 holger.kohl@ipk.fraunhofer.de 43