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Produktionsstrategien im Zeichen der Digitalisierung...‒Damit kann Industrie 4.0 -Technologie...

Date post: 25-Jun-2020
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Produktionsstrategien im Zeichen der Digitalisierung Prof. Dr. Siegfried Russwurm, Siemens AG Mitglied des Vorstands und Chief Technology Officer (CTO) Berlin | 23. Juni 2016 siemens.com/innovation Frei verwendbar © Siemens AG 2016
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Page 1: Produktionsstrategien im Zeichen der Digitalisierung...‒Damit kann Industrie 4.0 -Technologie systematisch eingeordnet und weiterentwickelt werden ‒Anforderungen der Anwenderbranchen

Produktionsstrategien im Zeichen der Digitalisierung

Prof. Dr. Siegfried Russwurm, Siemens AG Mitglied des Vorstands und Chief Technology Officer (CTO) Berlin | 23. Juni 2016

siemens.com/innovation Frei verwendbar © Siemens AG 2016

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23.06.2016 Seite 2 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

4.0

Morgen auf Basis cyber-physischer Systeme

3.0

1969 durch den Einsatz von Elektronik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion

Industrie 4.0 – Die Digitalisierung löst einen Paradigmenwechsel in der produzierenden Industrie aus, den wir schon heute aktiv mitgestalten

2.0

1870 durch Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion durch elektrische Energie

1.0

1784 durch Einführung mechanischer Produktionsanlagen mithilfe von Wasser- und Dampfkraft

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23.06.2016 Seite 3 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Das Projekt »Industrie 4.0« wurde in die »Plattform Industrie 4.0« überführt – Referenzarchitekturmodell »RAMI 4.0« als konkretes Ergebnis

Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) ‒ RAMI 4.0 führt die wesentlichen

Elemente von Industrie 4.0 in einem 3D-Schichtenmodell zusammen

‒ Komplexe Zusammenhänge werden in überschaubare Pakete gegliedert

‒ Damit kann Industrie 4.0-Technologie systematisch eingeordnet und weiterentwickelt werden

‒ Anforderungen der Anwenderbranchen (Fertigungsautomatisierung, Ma-schinenbau, Verfahrenstechnik, etc.) können mit RAMI 4.0 in Verbänden und Normungsgremien diskutiert werden

Das Modell schafft ein gemein-sames Verständnis für Anforde-rungen und Standardisierung

Hor

izon

tal

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nsac

tion

cont

ent)

Communication

Layers Business

Functional

Information

Integration

Asset

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23.06.2016 Seite 4 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Produktvielfalt

1955

1980

1913

2000

1850

Globalisierung

Regionalisierung

Personalisierung

Massenproduktion

Kundenindividuelle Massenproduktion

Hand- fertigung

z.B. Auto-

Konfigurator

Steigende Komplexität verändert die Wertschöpfung – Qualität, Produktivität, Geschwindigkeit und Flexibilität bleiben die großen Herausforderungen

Basierend auf: The Global Manufacturing Revolution; Quellen: Ford, beetleworld.net, bmw.de, dw.de

Produkt- volumen

“People can have the Model T in any color − so long as it’s black.”

Henry Ford (1913) Geschwindigkeit

Produktivität

Flexibilität

Qualität

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23.06.2016 Seite 5 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Aber die Anforderungen an Qualität, Produktivität, Geschwindigkeit und Flexibilität füllen sich im Zeichen der Digitalisierung mit anderen Inhalten

Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit

Kürzere Innovationszyklen

für immer komplexere Produkte

Geschwindigkeit

Energie- und Ressourceneffizienz als entscheidende

Wettbewerbsfaktoren

Produktivität

Individualisierte Massenfertigung in zunehmend

volatilen Märkten

Flexibilität

Geschlossene Regel-kreise und vollständige Rückverfolgbarkeit von

großer Bedeutung

Qualität

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23.06.2016 Seite 6 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Drei Kernelemente von Industrie 4.0 – Digitalisierung und Vernetzung als Erfolgsfaktoren

Verschmelzung virtueller mit realer Welt Integration der gesamten Wert-schöpfungskette mithilfe eines durchgängigen »Digital Enterprise«- Portfolios

Cyber-Physical Systems

Produktionseinheiten mit vollständigem virtuellen Abbild (»digitaler Zwilling«) ermöglichen die Migration zu einer »Plug and Produce«-Integration der Automatisierung

Dynamisches Produktionsnetzwerk

Flexible Wertschöpfungsketten mit in Echtzeit verfügbaren und unterneh-mensübergreifenden Informationen, basierend auf einem leistungsfähigen Manufacturing Operations Management

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23.06.2016 Seite 7 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Drei Kernelemente von Industrie 4.0 – Digitalisierung und Vernetzung als Erfolgsfaktoren

Kommunikation von »Smart Data«

Verschmelzung virtueller mit realer Welt

Cyber-Physical Systems

Dynamisches Produktionsnetzwerk

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Drei Kernelemente von Industrie 4.0 – Digitalisierung und Vernetzung als Erfolgsfaktoren

Verschmelzung virtueller mit realer Welt

Cyber-Physical Systems

Dynamisches Produktionsnetzwerk

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Eisenmann – Simulation von Tauchlackieranlagen für die Automobilindustrie

Digitale Konstruktion und Simulation einer Tauchlackieranlage ‒ Konstruktion mit PLM-Software NX und

Anlagensimulation mit Tecnomatix

‒ Teamcenter als zentraler Datenbackbone

‒ Komplexe Dynamik durch verschiedene Bewegungsachsen (Fahr-, Hub- und Drehbewegung), und Berücksichtigung der »Badverschleppung«

‒ Verschiedene Karosserietypen, Tauchkurven und Taktzeiten

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23.06.2016 Seite 11 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Drei Kernelemente von Industrie 4.0 – Digitalisierung und Vernetzung als Erfolgsfaktoren

Verschmelzung virtueller mit realer Welt

Cyber-Physical Systems

Dynamisches Produktionsnetzwerk

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23.06.2016 Seite 12 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Digitalisierung bietet große Chancen – Kommunikation von Produkt und Produktion für flexible Organisation und Aussteuerung der Fertigung

Showcase von VW und Siemens: Automatisierte Türmontage beim Golf 7 zeigt die nächsten Schritte auf dem Weg zur Industrie 4.0 ‒ Stark erweiterte Semantik in der

Machine-to-Machine-Kommunikation

‒ Regelwerk und Architektur für dynamische Topologien

‒ Integration cyber-physischer Systeme in den bestehenden Produktionsprozess

Systematische Verknüpfung von Daten, innovativer Industriesoftware und leistungsstarker Produktionshardware

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23.06.2016 Seite 14 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Maßgeschneiderte Produktdefinition in MES Nachbildung eines cyber-physischen Produktionsmoduls

Autonome, selbst-organisierende Produktionssysteme – Forschungsdemonstrator für kooperative Montage

Plug & Automate Hinzufügen und Entfernen von Modulen ohne manuelle Konfiguration auf Anlagenebene

Stückzahl: 50 Bauteile: 3

Stückzahl: 1 Bauteile: 3

Stückzahl: 30 Bauteile: 4

Werkstücke steuern ihre eigene Produktion und Montage

Supply Transport

Print Supply

Transport Store

Buffer Transport

Mill Drill

Print Supply

Assemble Transport

Assemble Transport

Mill Drill Assemble Transport

Assemble Transport

Plug Plug

Plug

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23.06.2016 Seite 15 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Nachbildung eines cyber-physischen Produktionsmoduls

Autonome, selbst-organisierende Produktionssysteme – Forschungsdemonstrator für kooperative Montage

Flexible Re-Konfiguration der Produktion

Schnelle Reaktion auf sich ändernde Produktionsanfragen – bis zu Losgröße 1

Synchronisierung von virtueller und realer Welt

Supply Transport

Print Supply

Transport Store

Buffer Transport

Mill Drill

Print Supply

Assemble Transport

Assemble Transport

Mill Drill Assemble Transport

Plug Plug

Plug

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23.06.2016 Seite 16 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Drei Kernelemente von Industrie 4.0 – Digitalisierung und Vernetzung als Erfolgsfaktoren

Verschmelzung virtueller mit realer Welt

Cyber-Physical Systems

Dynamisches Produktionsnetzwerk

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23.06.2016 Seite 17 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Heute: Elektronikwerk Amberg – Spezifische Produkte und Varianten leiten variable, aber vordefinierte Abläufe ein

Eindeutig programmierte Varianten; menschliche Intelligenz zur Flexibilität ‒ Automatisierte Systeme führen sorgfältig entwickelte

Handlungsabläufe aus (Varianten sind möglich)

Einbindung der Lieferanten ‒ Vernetzung vom Design bis zum fertigen

Produkt für noch höhere Flexibilität/Qualität ‒ Durchgängige digitale Prozessinformationskette

vom Lieferanten zum Werk ‒ Dazu muss jedes Material, jedes Produkt,

jede Maschine identifizierbar sein

Smart Data und Closed Loops ‒ Analyse von 50 Millionen Prozessdaten pro Tag ‒ Auswertung vor, während, nach der Produktion ‒ Kaskadierte Feedbackschleifen bis hin zur

Echtzeitsteuerung von Maschinen und Prozessen ‒ Hochkomplexe Ursache-Wirkung-Beziehungen

Qualität von 99,9988%

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23.06.2016 Seite 18 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Morgen – Autonome Systeme stellen sich ohne Einschreiten des Menschen auf variable Abläufe ein

Implementierung und Ausführung komplexer Aufgabenspezifikationen durch autonome Maschinen; ohne detaillierte Programmierung ‒ Autonome Systeme verfügen über ein eindeutiges

Schema/Verständnis ihrer Funktion ‒ Dynamische Anpassung der Abläufe –

abgestimmt auf veränderte Rahmenbedingungen und Produktionsvolumina

‒ Verständnis menschlicher Bewegungen und Reaktionen ‒ Lernprozesse zur Eigenoptimierung

der Arbeitsvorgänge

Menschen und autonome Maschinen werden eng zusammenarbeiten

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23.06.2016 Seite 19 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Digitalisierung bietet große Chancen – Ganzheitlicher Blick auf die Wertschöpfungskette erschließt neue Möglichkeiten

Integration aller Schritte des Produkt-entwicklungs- und Produktionsprozesses durch Industriesoftware steigert Produktivität und Effizienz

Produkt- design NX

Produktions- planung Tecnomatix

Produktions- engineering TIA Portal

Produktions- ausführung SIMATIC IT

Services Plant Data Services

Teamcenter

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23.06.2016 Seite 20 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Additive Fertigung: Verbindung der realen mit der virtuellen Welt – Auch bei neuen Produktionsverfahren ist der ganzheitliche Ansatz zielführend

Produktdesign

Produktionsplanung

Produktionsengineering Produktionsausführung

Services

Virtuell

Real

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Automatisierung von AM-Maschinen und Prozessen

Siemens ist das einzige Unternehmen weltweit, das Additive Fertigung (AM) entlang der gesamten Wertschöpfungskette bedient

Design-Software mit spezifischen AM-Funktionen

Entwicklung hoch-leistungsfähiger AM-Materialien

Einsatz von AM in der eigenen Fertigung

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Software-Tools und Hardware-Komponenten ermöglichen die Industrialisierung von Additiver Fertigung

‒ Thermische und strukturelle Analyse ‒ Schichtbasierte Wärme- und

Festigkeitsberechnung ‒ Laserleistungsregelung ‒ Topologie-Optimierung

‒ Designregeln und Bedingungen ‒ Design von Leichtbaustrukturen

(Gitter/Waben) ‒ Stützstrukturen ‒ Multimaterial-Untertstützung

‒ Additive Mehrachsen-Lösung ‒ Multilaser-Lösung ‒ Modell-Slicing ‒ Schichtmuster ‒ Teileorientierung im Bauraum

Datenmanagement und Linienintegration

Siemens-Produktionssoftware und MES-Systeme

Analyse (CAE) Design (CAD) Fertigung (CAM)

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Gemeinsames Forschungsprojekt »BladeMaker« – Simulation und industrialisierte Fertigung statt Rotorblattmanufaktur

Demozentrum für industrialisierte Rotorblattfertigung ‒ Rotorblätter machen bis zu 20 Prozent der

Gesamtkosten einer Windenergieanlage aus ‒ Umstellung einer manufakturartigen auf eine industrielle

Produktion bietet erhebliche Kostensenkungspotenziale ‒ Prozessanpassung bei Rotorblattdesign, Werkstoffen

und Fertigungsverfahren ‒ Gemeinsames Projekt von Fraunhofer, Siemens,

BASF, Henkel, Hexion, EMG, u.a. ‒ Vielversprechende Fertigungsverfahren werden am

Computer simuliert (NX, FiberSim) und sollen direkt in die Fertigung übertragen werden

‒ Teilautomatisierte Produktion von bis zu 20 Meter langen Rotorblatthälften durch 6-Achs-Portalroboter mit integrierter CNC-Steuerung (Sinumerik)

Ziel des Projekts ist es, die Produktionskosten um mehr als 10 Prozent zu senken Quelle: Fraunhofer IWES

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23.06.2016 Seite 24 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Gemeinsames Forschungsprojekt »BladeMaker« – Simulation und industrialisierte Fertigung statt Rotorblattmanufaktur

Demozentrum für industrialisierte Rotorblattfertigung ‒ Rotorblätter machen bis zu 20 Prozent der

Gesamtkosten einer Windenergieanlage aus ‒ Umstellung einer manufakturartigen auf eine industrielle

Produktion bietet erhebliche Kostensenkungspotenziale ‒ Prozessanpassung bei Rotorblattdesign, Werkstoffen

und Fertigungsverfahren ‒ Gemeinsames Projekt von Fraunhofer, Siemens,

BASF, Henkel, Hexion, EMG, u.a. ‒ Vielversprechende Fertigungsverfahren werden am

Computer simuliert (NX, FiberSim) und sollen direkt in die Fertigung übertragen werden

‒ Teilautomatisierte Produktion von bis zu 20 Meter langen Rotorblatthälften durch 6-Achs-Portalroboter mit integrierter CNC-Steuerung (Sinumerik)

Ziel des Projekts ist es, die Produktionskosten um mehr als 10 Prozent zu senken Quelle: Fraunhofer IWES

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23.06.2016 Seite 25 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Gemeinsames Forschungsprojekt »BladeMaker« – Simulation und industrialisierte Fertigung statt Rotorblattmanufaktur

Demozentrum für industrialisierte Rotorblattfertigung ‒ Rotorblätter machen bis zu 20 Prozent der

Gesamtkosten einer Windenergieanlage aus ‒ Umstellung einer manufakturartigen auf eine industrielle

Produktion bietet erhebliche Kostensenkungspotenziale ‒ Prozessanpassung bei Rotorblattdesign, Werkstoffen

und Fertigungsverfahren ‒ Gemeinsames Projekt von Fraunhofer, Siemens,

BASF, Henkel, Hexion, EMG, u.a. ‒ Vielversprechende Fertigungsverfahren werden am

Computer simuliert (NX, FiberSim) und sollen direkt in die Fertigung übertragen werden

‒ Teilautomatisierte Produktion von bis zu 20 Meter langen Rotorblatthälften durch 6-Achs-Portalroboter mit integrierter CNC-Steuerung (Numerik)

Ziel des Projekts ist es, die Produktionskosten um mehr als 10 Prozent zu senken Quelle: Fraunhofer IWES

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23.06.2016 Seite 26 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

CAD/CAM Design und NC-Programmierung

Offlineprüfung und Feldeinsatz Beispiel: Prüfstand

Kundenanforderung, Material und Umfeld

Fertigungssysteme der Zukunft – Hierarchisches System von Kontroll- und Regelschleifen

Geschlossene, geregelte Prozesse innerhalb einzelner Prozessschritte

Hauptprozess

Beispiel: Mechan. Bearbeitung Beispiel: Schweißen Beispiel: Wärmebehandlung

Hauptprozess Hauptprozess

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23.06.2016 Seite 27 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Fertigungssysteme der Zukunft – Hierarchisches System von Kontroll- und Regelschleifen

Verwendung von Daten aus einzelnen Prozessschritten zur Regelung vorhergehender oder nachfolgender Prozessschritte

Hauptprozess Hauptprozess Hauptprozess

Beispiel: Mechan. Bearbeitung Beispiel: Schweißen Beispiel: Wärmebehandlung

CAD/CAM Design und NC-Programmierung

Offlineprüfung und Feldeinsatz Beispiel: Prüfstand

Kundenanforderung, Material und Umfeld

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23.06.2016 Seite 28 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Fertigungssysteme der Zukunft – Hierarchisches System von Kontroll- und Regelschleifen

Verwendung von Daten der einzelnen Prozessschritte zur Optimierung der gesamten Fertigungskette

Datenanalyse und -verwaltungsplattform

Hauptprozess Hauptprozess Hauptprozess

Beispiel: Mechan. Bearbeitung Beispiel: Schweißen Beispiel: Wärmebehandlung

CAD/CAM Design und NC-Programmierung

Offlineprüfung und Feldeinsatz Beispiel: Prüfstand

Kundenanforderung, Material und Umfeld

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23.06.2016 Seite 29 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Fertigungssysteme der Zukunft – Hierarchisches System von Kontroll- und Regelschleifen

Ubiquitäres Erfassen und Auswerten von Daten zur kontinuierlichen Verbesserung von Fertigung und Produkt

Hauptprozess Hauptprozess Hauptprozess

Beispiel: Mechan. Bearbeitung Beispiel: Schweißen Beispiel: Wärmebehandlung

CAD/CAM Design und NC-Programmierung

Offlineprüfung und Feldeinsatz Beispiel: Prüfstand

Kundenanforderung, Material und Umfeld

Datenanalyse und -verwaltungsplattform

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23.06.2016 Seite 30 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Fertigungssysteme der Zukunft – Hierarchisches System von Kontroll- und Regelschleifen

Smart Data Digitaler Zwilling Main process

e. g.: machining e. g.: welding e. g.: heat treatment

Main process Main process

Hauptprozess Hauptprozess Hauptprozess

Beispiel: Mechan. Bearbeitung Beispiel: Schweißen Beispiel: Wärmebehandlung

CAD/CAM Design und NC-Programmierung

Offlineprüfung und Feldeinsatz Beispiel: Prüfstand

Kundenanforderung, Material und Umfeld

Datenanalyse und -verwaltungsplattform

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23.06.2016 Seite 31 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Differenzierte Datenanalyse für verbesserte Effektivität und Effizienz – Ausgangspunkt für neue Geschäftsmodelle

Kunde

Siemens

Sichere Daten-verbindung

Daten-Kombinationen und sichere Speicherung

Datenanalyse und Simulation

Sichere Daten-

verbindung

Visualisie- rung und

Empfehlungen

Beratung und Unterstützung bei der Implementation

Mehrwert für unsere Kunden – Höhere Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, niedrigere Kosten in der Wartung und über den Lebenszyklus

Mehrwert für Siemens – Wertsteigerung des Angebots, hohes Niveau des Kunden-

service, dadurch Wachstum bei Umsatz und Profitabilität

Predictive Analytics in vier Schritten

Nutzen

Komplexität

Predictive

Diagnostic

Prescriptive

Descriptive

Was ist passiert?

Warum ist es passiert?

Was wird passieren?

Wie ist einzugreifen?

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Geschäftsmodelle vom Kunden aus gedacht – Mechanische Antriebsleistung statt Motoren und Antriebe

Kunde zahlt OPEX statt CAPEX ‒ Leistungs- und

Verfügbarkeitsgarantie ‒ Instandhaltung durch Siemens ‒ Langfristig kalkulierbare, zuverlässige

Finanzierung

Garantierte Leistung und Verfügbar-keit; Siemens kalkuliert Drehmoment, Kilowatt und Umweltfaktoren

Monitoring preisbeeinflussender Faktoren: Condition Monitoring System

Monatliche Rate für Verfügbarkeit und Nutzung des Antriebssystems statt Einmalzahlung

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23.06.2016 Seite 33 Prof. Dr. Siegfried Russwurm

Arbeitswelt der Zukunft – Beherrscht von der Flexibilität und den Anforderungen der Industrie 4.0

‒ Höhere Anforderungen an Vernetzung und Zusammenarbeit

‒ Interdisziplinäre übergreifende Zusammenarbeit in (virtuellen) Teams

‒ Flexibles Zusammenspiel zwischen Menschen, Maschinen und Unternehmen

‒ Mehr Flexibilität und neue Kompetenzen der Mitarbeiter

‒ Trend zu höherem Qualifikations-niveau der Mitarbeiter setzt sich fort Cyber-Physical

Systems

Produktdesign und Produktions- engineering

Dynamisches Produktionsnetzwerk

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Werner von Siemens hätte es damals Erfinder-geist genannt. Wir nennen es heute »Ingenuity for life«.

siemens.com


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