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Smart Factory End-to-End: OEE +12% + €284k ROI [Industrie 4.0 Guide]

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Der €284.000-Unterschied: Smart vs Traditional Factory

Szenario: Mittelständischer Metallverarbeiter, 8 CNC-Maschinen, 2-Schicht-Betrieb, 62 MA.

Die versteckten Kosten traditioneller Produktion:

  • 📊 OEE nur 68%: 32% Kapazität verschwendet = €380.000 entgangener Umsatz/Jahr
  • Ungeplante Stillstände: 18% der Zeit, durchschnittlich 4,2h/Woche/Maschine
  • Ausschuss: 8,5% durch schlechte Prozess-Kontrolle = €92.000/Jahr
  • 📝 Manuelle Datenerfassung: 12h/Woche, fehleranfällig, keine Echtzeit-Insights
  • 🔧 Reaktive Wartung: Teuer, ungeplant, Kettenreaktionen
  • 🤷 Keine Transparenz: "Schwarze Box" Produktion, Bauchgefühl-Entscheidungen

Total Verschwendung: €472.000/Jahr (Umsatz + Kosten)

Die Smart Factory Lösung: €284k ROI + 12% mehr Output

KPITraditionalSmart FactoryVerbesserung
OEE (Overall Equipment Effectiveness)68%80%+12 Punkte
Verfügbarkeit82%93%+11 Punkte
Performance85%91%+6 Punkte
Qualität91,5%96,5%+5 Punkte
Ausschussrate8,5%3,5%-59%
Durchlaufzeit8,2 Tage7,0 Tage-15%
Ungeplante Stillstände18%6%-67%
Zusatz-Output (bei gleicher Kapazität)Baseline+12%€450k Mehrumsatz
Ausschuss-Reduktion€92k/Jahr€38k/Jahr€54k gespart
Wartungskosten€145k/Jahr€98k/Jahr€47k gespart

Total Benefit: €450k × 18% Marge + €54k + €47k = €182k/Jahr

ROI: Bei €78.000 Invest = 233% | Amortisation: 5,1 Monate


🔍 Real Case Study: Präzisions-Metallbearbeitung (Bayern, 62 MA)

Unternehmen: CNC-Frästeile für Automotive/Aerospace, 8 Maschinen
Problem: OEE 68%, keine Transparenz, reaktive Wartung, Liefertreue 73%

Phase 1: IIoT Sensor-Netzwerk (Woche 1-3)

Installierte Sensoren:

IIoT-Infrastruktur:
  Maschinen-Anbindung (8× CNC):
    - OPC-UA Gateway (Siemens IOT2040)
    - Daten: Status, Spindeldrehzahl, Vorschub, Werkzeugverschleiß
    - Update-Rate: 1 Hz
    - Preis: €890/Gateway × 8 = €7.120
  
  Zusatz-Sensoren:
    - Vibrationssensoren (Spindellager): 8× €185 = €1.480
    - Stromsensoren (Clamp-On): 8× €340 = €2.720
    - Temperatursensoren (Kühlmittel): 8× €95 = €760
  
  Edge-Gateway (zentral):
    - Raspberry Pi 4 (8GB) + HAT
    - MQTT Broker + Node-RED
    - Preis: €180
  
  Time-Series-Database:
    - InfluxDB (Self-Hosted)
    - Server: Existing (€0)
  
  Dashboards:
    - Grafana (Open Source)
    - Custom OEE-Dashboards

Total Hardware: €12.260
Installation (3 Tage): €4.800
Software: Open Source (€0)

OEE-Berechnung automatisiert:

# Automatische OEE-Berechnung aus IIoT-Daten

import pandas as pd
from datetime import datetime, timedelta

class OEECalculator:
    def __init__(self):
        self.influxdb_client = InfluxDBClient()
        
    def calculate_oee_realtime(self, machine_id, timeframe_hours=24):
        """
        Berechnet OEE in Echtzeit aus Maschinendaten
        """
        # Daten aus InfluxDB laden
        query = f"""
        SELECT status, speed, parts_produced
        FROM machine_data
        WHERE machine_id = '{machine_id}'
        AND time > now() - {timeframe_hours}h
        """
        df = self.influxdb_client.query(query)
        
        # 1. VERFÜGBARKEIT
        total_time = timeframe_hours * 3600  # Sekunden
        planned_downtime = self.get_planned_stops(machine_id, timeframe_hours)
        
        productive_time = len(df[df['status'] == 'running']) 
        unplanned_downtime = total_time - productive_time - planned_downtime
        
        availability = (total_time - unplanned_downtime - planned_downtime) / (total_time - planned_downtime)
        
        # 2. PERFORMANCE
        actual_parts = df['parts_produced'].sum()
        ideal_cycle_time = 180  # Sekunden/Teil (Sollwert)
        ideal_parts = productive_time / ideal_cycle_time
        
        performance = actual_parts / ideal_parts if ideal_parts > 0 else 0
        
        # 3. QUALITÄT
        rejected_parts = self.get_rejected_count(machine_id, timeframe_hours)
        quality = (actual_parts - rejected_parts) / actual_parts if actual_parts > 0 else 0
        
        # OEE = A × P × Q
        oee = availability * performance * quality
        
        return {
            'machine_id': machine_id,
            'timeframe_h': timeframe_hours,
            'availability': round(availability, 3),
            'performance': round(performance, 3),
            'quality': round(quality, 3),
            'oee': round(oee, 3),
            'oee_pct': round(oee * 100, 1),
            'unplanned_downtime_min': round(unplanned_downtime / 60, 1),
            'parts_produced': actual_parts,
            'parts_rejected': rejected_parts
        }

# Live OEE für alle Maschinen
calculator = OEECalculator()

for machine in range(1, 9):
    oee_data = calculator.calculate_oee_realtime(f'cnc_{machine}', timeframe_hours=24)
    print(f"Maschine {machine}: OEE {oee_data['oee_pct']}% (A:{oee_data['availability']*100:.1f}% × P:{oee_data['performance']*100:.1f}% × Q:{oee_data['quality']*100:.1f}%)")

# Output:
# Maschine 1: OEE 72.3% (A:84% × P:89% × Q:96%)
# Maschine 2: OEE 65.1% (A:78% × P:87% × Q:96%) ← LOW!
# Maschine 3: OEE 69.8% (A:82% × P:88% × Q:97%)
# ...
# Durchschnitt: 68.4% → Baseline bestätigt ✅

Erkenntnisse nach 2 Wochen Monitoring:

  1. Maschine 2 & 5: Niedrigste OEE (65-67%) → Priorisierung für Optimierung
  2. Ungeplante Stops: 60% durch Werkzeugbruch/Verschleiß (vorhersehbar!)
  3. Performance-Verluste: 15% durch suboptimale Geschwindigkeiten
  4. Rüstzeiten: 25 Min/Wechsel (Soll: 15 Min) → Training nötig

Phase 2: Predictive Maintenance (Woche 4-6)

Problem: 18% ungeplante Stillstände, teuer und unvorhersehbar.

KI-Lösung: Anomalie-Erkennung + RUL-Prognose

# Predictive Maintenance mit Isolation Forest

from sklearn.ensemble import IsolationForest
import numpy as np

class PredictiveMaintenance:
    def __init__(self):
        self.model = IsolationForest(contamination=0.05)
        
    def train_baseline(self, normal_operation_data):
        """
        Trainiert auf Normalbetrieb (2 Wochen Daten)
        """
        features = normal_operation_data[[
            'vibration_rms', 'temperature', 'current_avg',
            'speed_variance', 'tool_wear_estimate'
        ]]
        
        self.model.fit(features)
        
    def detect_anomalies(self, current_data):
        """
        Erkennt Abweichungen vom Normalbetrieb
        """
        features = current_data[[
            'vibration_rms', 'temperature', 'current_avg',
            'speed_variance', 'tool_wear_estimate'
        ]]
        
        predictions = self.model.predict(features)
        anomaly_scores = self.model.score_samples(features)
        
        # Anomalien mit Severity bewerten
        anomalies = []
        for idx, (pred, score) in enumerate(zip(predictions, anomaly_scores)):
            if pred == -1:  # Anomalie
                severity = 'critical' if score < -0.5 else 'warning'
                
                anomalies.append({
                    'timestamp': current_data.iloc[idx]['timestamp'],
                    'machine_id': current_data.iloc[idx]['machine_id'],
                    'severity': severity,
                    'anomaly_score': score,
                    'features': features.iloc[idx].to_dict(),
                    'recommended_action': self.get_recommendation(features.iloc[idx])
                })
        
        return anomalies
    
    def get_recommendation(self, feature_values):
        """
        Empfiehlt Wartungsaktionen basierend auf Anomalie-Muster
        """
        if feature_values['vibration_rms'] > 25:
            return 'Check spindle bearings - high vibration detected'
        elif feature_values['temperature'] > 75:
            return 'Check cooling system - overheating'
        elif feature_values['tool_wear_estimate'] > 0.85:
            return 'Schedule tool change - high wear detected'
        else:
            return 'Inspect machine for unusual patterns'

# Deployment
pm_system = PredictiveMaintenance()
pm_system.train_baseline(historical_normal_data)

# Täglich laufende Checks
anomalies = pm_system.detect_anomalies(yesterday_data)

if anomalies:
    for anomaly in anomalies:
        if anomaly['severity'] == 'critical':
            send_sms_alert(maintenance_team, anomaly)
        else:
            create_maintenance_ticket(anomaly)

Ergebnis nach 6 Wochen:

  • 67% weniger ungeplante Stillstände (Früherkennung funktioniert!)
  • Wartungskosten: -32% (geplant statt reaktiv)
  • MTBF (Mean Time Between Failures): 340h → 580h (+71%)

Phase 3: Produktionsoptimierung mit ML (Woche 7-10)

Problem: Performance nur 85%, suboptimale Parameter.

KI-Lösung: Automatische Parameter-Optimierung

Optimierungs-Logik:
  Datensammlung:
    - 6 Wochen Produktion = 12.000 Teile
    - Features: Geschwindigkeit, Vorschub, Kühlmittel-Temp, Material-Charge
    - Target: Zykluszeit, Oberflächengüte, Werkzeugverschleiß
  
  ML-Modell (XGBoost):
    - Predict optimale Parameter für jede Teil-Geometrie
    - Multi-Objective: Min Zykluszeit + Max Qualität + Min Verschleiß
  
  Closed-Loop:
    - Für neuen Auftrag: ML schlägt Parameter vor
    - Bediener kann akzeptieren/anpassen
    - Nach Produktion: Feedback ins Modell
    - Kontinuierliches Lernen

Ergebnis:
  - Zykluszeit: -8% im Durchschnitt
  - Werkzeugstandzeit: +25%
  - Qualität: stabil/besser

Performance-Steigerung: 85% → 91% (+6 Punkte)

Gesamtergebnisse nach 12 Wochen

KPIBaselineSmart FactoryVerbesserung
OEE gesamt68%80%+12 Punkte
Verfügbarkeit82%93%+11 Punkte
Performance85%91%+6 Punkte
Qualität91,5%96,5%+5 Punkte
Ungeplante Stillstände18%6%-67%
Durchlaufzeit8,2 Tage7,0 Tage-15%
Ausschussrate8,5%3,5%-59%
Liefertreue (OTIF)73%91%+18 Punkte

ROI-Berechnung (12 Monate)

Investition:

  • IIoT-Hardware (Sensoren, Gateways): €12.260
  • Installation: €4.800
  • ML-Development (Predictive + Optimization): €42.000
  • MES-Integration: €18.000
  • Laufende Kosten (Support, Cloud): €1.000/Mt = €12.000
  • Total Jahr 1: €89.060

Einsparungen & Mehrwert:

  • Zusatz-Output: 12% mehr Kapazität = €450k Umsatz × 18% Marge = €81.000
  • Ausschuss-Reduktion: 5% × 85k Teile × €12/Teil = €51.000
  • Wartungskosten: €145k → €98k = €47.000
  • Weniger Expressfrachten: (bessere Liefertreue) = €22.000
  • Weniger Nacharbeit: = €18.000
  • Total: €219.000

Netto-Gewinn: €219.000 - €89.060 = €129.940
ROI: 146%
Amortisation: 4,9 Monate


💡 90-Tage-Implementierungsplan

Wochen 1-3: IIoT-Sensoren & Monitoring

Ziele:

  • ✅ 8 Maschinen mit Sensoren ausstatten
  • ✅ MQTT-Gateway + InfluxDB Setup
  • ✅ Grafana-Dashboards (OEE-Live)
  • ✅ 2 Wochen Baseline-Messung

Aufwand: 60h
Kosten: €17.060

Wochen 4-6: Predictive Maintenance

Ziele:

  • ✅ Anomalie-Erkennung trainieren
  • ✅ Alert-System (SMS + Email)
  • ✅ Maintenance-Workflow in CMMS

Aufwand: 80h
Kosten: €18.000

Wochen 7-9: Produktions-Optimierung

Ziele:

  • ✅ Parameter-Optimization ML-Modell
  • ✅ Integration in NC-Programme
  • ✅ Closed-Loop-Testing

Aufwand: 80h
Kosten: €18.000

Wochen 10-12: MES-Integration & Rollout

Ziele:

  • ✅ MES-Anbindung (Aufträge, Rückmeldungen)
  • ✅ Schulung Bediener (3× 2h)
  • ✅ Go-Live mit Support

Aufwand: 60h
Kosten: €16.000

Total 90 Tage: €69.060 + €20k Puffer = €89.060


FAQ: Die 8 wichtigsten Fragen

1. Brauche ich ein neues MES-System?
Nein! IIoT-Layer kann mit bestehendem MES integriert werden. API-basiert.

2. Funktioniert es auch bei alten Maschinen (>15 Jahre)?
Ja! Retrofit mit externen Sensoren möglich. Keine Eingriffe in Steuerung nötig.

3. Wie lange dauert ROI?
Im Schnitt 4-8 Monate. Bei hohem OEE-Gap (>15 Punkte) oft schneller.

4. Was kostet Cloud vs On-Premise?
Cloud: €500-1.500/Mt (AWS IoT). On-Premise: €4k einmalig + €100/Mt (Hardware/Strom).

5. Brauche ich Data Scientists?
Nein! Für Start reichen Fertig-Lösungen. Custom-ML nur für Spezialfälle.

6. Wie skaliere ich auf 20+ Maschinen?
Automatisch! Same Stack, mehr Sensoren. Kosten steigen linear, ROI bleibt.

7. Was ist mit OT-Security?
Kritisch! VLAN-Trennung IT/OT, Firewall, Read-Only-Zugriffe. Audit empfohlen.

8. Wie messe ich den Erfolg?
OEE-Steigerung! Ziel: +8-15 Punkte in 6 Monaten. Monthly Reviews mit Management.


🚀 Starten Sie jetzt!

Option 1: OEE-Monitoring Starter

Zeit: 3 Wochen
Kosten: €17.000
Schwierigkeit: Einfach

Lieferumfang:

  • ✅ IIoT-Sensoren für 5-8 Maschinen
  • ✅ Live-OEE-Dashboards
  • ✅ 2 Wochen Baseline-Analyse
  • ✅ Quick-Win-Report

Option 2: Smart Factory Full-Stack

Zeit: 12 Wochen
Kosten: Setup €89k + €1.000/Mt Managed

Inklusive:

  • ✅ Komplett-Ausstattung (IIoT + ML)
  • ✅ Predictive Maintenance
  • ✅ Produktions-Optimierung
  • ✅ MES-Integration
  • ✅ Schulung + 24/7 Support

Kontakt: kontakt@ki-mittelstand.eu


Investition: €89k (Jahr 1)
Ersparnis: €219k (Jahr 1)
ROI: 146%
Amortisation: 5 Monate
OEE: +12 Punkte (68% → 80%)

Letzte Aktualisierung: 6. Oktober 2025

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