I4.0-Lernfabrik von der Stange

Lernfabrik bringt Industrie-4.0-Praxis in die Berufsausbildung

Eduard Rüsing ist Fachjournalist aus Karlsruhe.
Ein Firmenkonsortium hat jetzt eine Lernfabrik-Pilotanlage an der Feintechnikschule in VS-Schwenningen (FTS) aufgebaut und bietet diese künftig als schlüsselfertige Lösung an.

Obwohl sich die technologische Entwicklung im Rahmen von Industrie 4.0 und IoT erst am Anfang befindet, ist eine breite Qualifizierungsoffensive für digitale Technologien das Gebot der Stunde. Allerdings sind Themen wie Internet of Things oder Industrie 4.0 unter anderem auch deshalb keine einfache Kost, weil die Grundlagen noch stark im Fluss sind und ständig neue und rationellere Ansätze zur Lösung der technischen Herausforderungen auf dem Markt erscheinen.

Eine Lernfabrik, verbunden mit entsprechenden Lehrkonzepten auf verschiedenen Ausbildungsstufen, erscheint da als ein praktischer Ansatz, um den Prinzipien von Industrie 4.0 be'greifbar' und erlebbar näher zu kommen.

In der Lernfabrik wird Schülern der FTS Industrie 4.0 erlebbar und begreifbar gemacht.
In der Lernfabrik wird Schülern der FTS Industrie 4.0 erlebbar und begreifbar gemacht.
Foto: Feintechnikschule Schwenningen

Industrie 4.0 begreifbar machen

Um bei den jungen Menschen Begeisterung für das Thema auszulösen und sie vor allem so gut wie möglich auf die neue Arbeitswelt vorzubereiten, wurde in der Feintechnikschule in VS-Schwenningen mit der sogenannten Web-Factory ein mutiges Projekt angegangen. Mutig deshalb, weil die FTS sich selber um die Finanzierung kümmern musste.

Die Feintechnikschule kommt aus der Tradition der Schwarzwälder Uhrenindustrie. Insgesamt 650 Schüler werden auf unterschiedlichsten Niveaus ausgebildet als Assistent für Informations- und Kommunikationstechnik, in einer vollschulischen Ausbildung zum Facharbeiter Feinwerkmechanik/Systemelektronik oder Uhrmacher, als Techniker Feinwerktechnik/Mechatronik beziehungsweise Informationstechnik, als Industriemeister/Metall und Uhrmachermeister und in einem technischen Gymnasium zu einem allgemein gültigen Abitur.

Um die Absolventen für die digitale Zukunft optimal zu qualifizieren und sie am praktischen Beispiel auf I4.0 vorzubereiten, entwickelte eine zwölfköpfige Projektgruppe mit der Vision einer 'Web-Factory' eine vollständig automatisierte Lernfabrik, inklusive eines darauf abgestimmten Lehrkonzeptes.

Für die Umsetzung der Lernfabrik in die Realität entstand aus der Not eine Tugend. Nach einer finanziellen Absage der Stuttgarter Landesregierung wurde neben einer Beteiligung vom Schwarzwald-Baar-Kreis vor allem finanzielle Unterstützung und technisches Know-how von Firmen aus der Region eingeworben.

Die beteiligten Firmen haben durch ihr Engagement an der Lernfabrik den Vorteil, dass sie ihre Mitarbeiter aus erster Hand in digitaler Kompetenz fortbilden können. Das Konzept sieht darüber hinaus generell Weiterbildungsangebote für kleine und mittelständische Firmen vor.

Mit den Firmen ASSTEC, GEWATEC, imsimity, müga und Stein-Automation wurde dabei eine besonders enge Kooperation eingegangen. Sie waren von Beginn an in der Projektgruppe aktiv, haben Maschinen und Anlagen sowie die Software zur Verfügung gestellt und arbeiten ständig mit an der Weiterentwicklung der Lernfabrik.

Reale Industriekomponenten statt Labormodelle

Die Lernfabrik an der FTS zeichnet sich dadurch aus, dass keine Demonstrations- oder Labormodelle eingesetzt werden, sondern reale Industriekomponenten, die vollautomatisch und individuell konkrete Produkte fertigen. Als Produkte stehen vier Schlüsselanhänger aus Aluminium zur Auswahl. Ein Kunde geht zur Bestellung mit seinem Smartphone, Tablet oder PC per QR-Code oder URL auf die Website, gibt seine persönlichen Daten an, wählt einen der vier Schlüsselanhänger aus und gibt die individuelle Gravur (Name, Logo, etc.) ein.

Über die Anbindung des Web-Client an das ERP-System werden die Daten an die Anlage vor Ort übermittelt und automatisch im Produktionsleitsystem (MES/ERP) die Stammdaten wie Kundeninformation, Kundenauftrag oder Produktionsauftrag angelegt. Anschließend werden das zugehörige CNC-Programm geladen, das Gravierprogramm generiert und die Daten direkt an die Maschine übertragen. Dann erhält die Anlage vom System das Startsignal und der gesamte Fertigungsprozess wird angestoßen. Der Kunde kann die Fertigung des eigenen Schlüsselanhängers per Webcam verfolgen.

Das Ablaufdiagramm der Fertigung
Das Ablaufdiagramm der Fertigung
Foto: Feintechnikschule Schwenningen

Momentan wird der Rohling durch einen Werker entnommen, der ihn in den Werkstückträger (WT) einlegt. Unterstützt wird dieser durch ein intelligentes Assistenzsystem, bei dem Informationen direkt auf die Tischplatte oder auf eine AR (Augmented Reality)-Brille eingeblendet werden. Ein integriertes Bildverarbeitungsprogramm überwacht die Tätigkeit des Werkers. Das Transportsystem bringt den Rohling dann an das Portal des Bearbeitungszentrums. Der Roboter entnimmt das Werkstück, setzt es in die Spindel ein, wendet es für die beidseitige Bearbeitung und legt das fertige Teil auf den WT zurück. Der Schlüsselanhänger kommt zum Werker zurück, wird montiert, verpackt und mit einem automatisch ausgedruckten Adressaufkleber versehen und versandt. Lieferschein und Rechnung werden automatisch erstellt und per E-Mail zugesandt.

Nebenbei unterstützen weitere Software-Module der GEWATEC-ERP-Lösung die Fertigung. So werden z.B. im PMS (Produktionsmittel-Management-System) Produktionsmittel und deren Komponenten und Ersatzteile verwaltet und überwacht. Wartungspläne mit unterschiedlichen Fälligkeiten können den einzelnen Produktionsmitteln zugewiesen und abgearbeitet werden.

Über GRIPS, ein produkt- und prozessorientiertes Qualitätsmanagement-System zur Überwachung der Fertigungsprozesse, werden Prüfaufträge bei Auftragsanmeldung automatisch generiert. Dadurch kann die Produktqualität später ausgewertet und belegt werden. Und das MDE/BDE-System ProVis ("Produktions-Visualisierung") visualisiert unter anderem die Auftragsdaten, Stückzahlen und Auslastung der Anlage.

Die I4.0-Merkmale der ersten Ausbaustufe

Die Lernfabrik an der FTS hat jetzt die erste Ausbaustufe erreicht, Erweiterungen um zusätzliche I4.0-Merkmale sind in konkreter Planung oder werden bereits umgesetzt. Dazu Koordinator Frank Storz: "Ein wichtiges I4.0-Merkmal wird jetzt mit der dezentralen Selbststeuerung des Werkstückes durch die Fertigung umgesetzt. Ein Auftrag wird dann als eine Art eigenständiges Objekt programmiert und alle Steuerungen gehen von diesem Auftrag aus." Andere angedachte Erweiterungen sind z.B. eine kameraunterstützte Qualitätskontrolle, der Einsatz eines kollaborierenden Roboters, Smart Grid-Anwendungen, etc.

Mit dem Cyber-Classroom können die Schüler und Studenten mittels interaktiven, 3D-fähigen Lernprogrammen die Prozesse der Lernfabrik schon vorab erlernen und testen.
Mit dem Cyber-Classroom können die Schüler und Studenten mittels interaktiven, 3D-fähigen Lernprogrammen die Prozesse der Lernfabrik schon vorab erlernen und testen.
Foto: imsimity GmbH

Die virtuelle Darstellung der Anlage erfolgt im sogenannten Cyber-Classroom. Das didaktische Konzept variiert den Unterricht zu I4.0-Themen auf verschiedenen Leistungsniveaus, sodass alle Schüler entsprechend ihrem Niveau die praktische Seite in der Lernfabrik erfahren. Als Vorbereitung auf die Lernfabrik können sie mittels interaktiven, 3D-fähigen Lernprogrammen, die digitale Kopien bzw. digitale Zwillinge der Anlage sind, ausgewählte Bereiche bzw. Themen bereits anschaulich kennenlernen und erkunden. Diese Lernmodule werden mit 3D-Brillen und Beamern oder auf Bildschirmen im Klassenraum vom Schüler interaktiv er- und bearbeitet und münden schließlich in fächerübergreifende Projektarbeiten an und mit der Lernfabrik.

Lernfabrik auf Bestellung

Der Aufbau einer Lernfabrik an der FTS in einer derartigen konzertierten Initiative zwischen berufsbildender Schule und regionalen Unternehmen hat an beruflichen Ausbildungseinrichtungen in verschiedenen Nachbarkreisen bereits ein lebhaftes Interesse hervorgerufen. Das veranlasste die fünf Firmen, sich als Konsortium zusammen zu schließen und eine Industrielle Lernfabrik 4.0 (ILF 4.0) als funktionsfähiges Gesamtsystem anzubieten. Diese wird nach gemeinsamer Konzepterstellung mit der Bildungseinrichtung angeliefert, installiert und in betriebsfertigem Zustand übergeben.

Schulleiter Thomas Ettwein unterstützt: "Um das Rad nicht mehrfach neu zu erfinden, laden wir ein, von unseren Erfahrungen zu profitieren, sowie gemeinsam eine arbeitsteilige Weiterentwicklung von Anlage, pädagogischen Konzepten und Lernmodulen voranzutreiben."

Mit der Industriellen Lernfabrik 4.0 habe man eine Plattform geschaffen, um auch Industrie 4.0-Visionen der Zukunft in der Praxis präsentieren zu können, so Reinhold Walz von GEWATEC. Industrie 4.0 werde für alle greifbar und erlebbar. "Zugleich können wir damit eindrucksvoll demonstrieren, wozu regionale mittelständische Firmen in der Lage sind und dass sich Hightech nicht nur im Silicon Valley abspielt."