05.06.2024
Eine Fabrik zum Lernen
Dafür steht die Lernfabrik Globale Produktion am produktionstechnischen Labor des Instituts für Produktionstechnik (wbk) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Sie ist nicht nur ein Ort zum Lernen für Studierende, sondern bringt Wissenschaft und Industrie zusammen und ist der Ausgangspunkt einer innovativen Zusammenarbeit.
Josip Kopcic kennt sich gut in der Region Karlsruhe aus. Der Grund: Er betreut dieses Gebiet für Balluff bereits seit fast 10 Jahren als Außendienstmitarbeiter. Auch am produktionstechnischen Labor des Instituts für Produktionstechnik (wbk) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) findet er sich gut zurecht. Denn hier befindet sich die Lernfabrik Globale Produktion, eine Demonstrations- und Lernumgebung neuer Technologien und Prozesse im Rahmen der Produktion. Das Team der Lernfabrik unterstützt Kopcic durch sein technisches Know-how, als Juror beim jährlich stattfindenden Hackathon und durch die Bereitstellung von Balluff Automatisierungslösungen.
Startpunkt einer innovativen Zusammenarbeit
Das wbk Institut für Produktionstechnik hat eine lange Geschichte. Gegründet 1952 durch Professor Dr.-Ing. Walter Schmidt, spiegelt seine Entwicklung den technologischen und industriellen Fortschritt der vergangenen Jahrzehnte wider. Als Teil des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat es sich die anwendungsnahe Erforschung neuer Produktionstechniken und die Erarbeitung neuer Technologien zum Ziel gesetzt. Es gliedert sich in die drei großen Forschungsbereiche „Produktionssysteme“, „Maschinen, Anlagen und Prozessautomatisierung“ und „Fertigungs- und Werkstofftechnik“. Als Josip Kopcic 2015 mit dem Kommunikationsstandard IO-Link für eine flexiblere und effizientere Produktion im Gepäck vorbeischaute, war das der Startpunkt einer innovativen Zusammenarbeit.
Studierende können durch die Lernfabrik komplexe Produktionssysteme erleben und Daten für ihre Forschungsarbeit sammeln.
Verknüpfung von Theorie und Praxis
Die Grundidee der Lernfabrik erklärt Gisela Lanza, Institutsleiterin für Produktionssysteme am wbk, wie folgt: „Studierende sollen einen Ort haben, an dem sie ihre theoretischen Fragestellungen zur Produktionstechnik der Zukunft in der Praxis umsetzen und erforschen können – quasi eine Fabrik zum Lernen“. Gemeinsam mit weiteren Unternehmen aus der Industrie machten sich das wbk und Balluff daran, die Ideen Wirklichkeit werden zu lassen.
„Anfänglich bildete die Lernfabrik ein stationäres Produktionssystem aus verschiedenen Stationen ab“, erklärt Magnus Kandler, der als Student bereits an Bord war, als die ersten Schulungen und Arbeitsstationen entwickelt und in Betrieb genommen wurden. Damals studierte Kandler Wirtschaftsingenieurwesen in Karlsruhe und half die Lernfabrik aufzubauen. „Umso schöner ist es, das Projekt jetzt als wissenschaftlicher Mitarbeiter weiterzuführen, zu entwickeln und zu gestalten“, so Kandler, dessen aktueller Arbeitsschwerpunkt auf der Produktionssystemplanung und dem Digitalen Shopfloor Management liegt.
Anwendung neuer Produktionsformen
Die Lernfabrik Globale Produktion öffnet ihre Tore nicht nur für die Studierenden. Das wbk bietet auch Schulungen oder Vorträge für Unternehmen und andere Organisationen an. „Hier haben wir die Möglichkeit, ein Bewusstsein für neue Trends in der Produktion zu schaffen und geben Unternehmen die Möglichkeit, neue Technologien oder Ansätze wie Predictive Maintenance, Kreislaufwirtschaft oder Mensch-Maschine-Kooperation selbst zu erfahren“, so Kandler.
Modular, mobil und autark
„Damit dies möglich ist, muss die Lernfabrik auf dem neusten Stand der Technik sein“, erklärt Alexander Geiser, der für die Hardware der Lernfabrik verantwortlich ist. „Am Institut schauen wir immer nach Wegen, neue Technologien in der Lernfabrik zu verwenden. Denn sie ist auch unser Aushängeschild nicht nur für die Lehre und Weiterbildung, sondern auch als Plattform für Unternehmen, ihre innovativen Lösungen zu präsentieren.“
Während der Pandemie setzte das Institut auf Online-Lehre. Das Team nutzte die Zeit, um das in die Jahre gekommene Konzept zu überarbeiten. Gemeinsam mit Balluff und weiteren Partnern entstanden Ideen zur Weiterentwicklung der Lernfabrik: Sie sollte modular, mobil und autark sein. Darüber hinaus spielen die lückenlose Nachverfolgbarkeit einzelner Produkte über einen Produktpass sowie das Thema Kreislaufwirtschaft eine wichtige Rolle.
Die Arbeitsstationen bestehen aus einem gleichen Grundaufbau, auf den dann die einzelnen, für den Produktionsschritt nötigen, Maschinen montiert werden. Mit der neuen Architektur wurden die Zeiten für das Umrüsten der Linie deutlich verkürzt.
Heute besteht die Lernfabrik aus zehn mobilen Arbeitsstationen, jede ausgestattet mit Wireless-Technologie, elektrischen Aktuatoren und Batterien, um einen mobilen und autarken Betrieb zu gewährleisten. Die Stationen sind alle gleich aufgebaut und können je nach Anforderung des Produktionsprozesses mit unterschiedlichen Werkzeugen, Maschinen oder Robotern ausgestattet werden.
Die zehn neuen Stationen werden durch zwei Industrieroboter, einen kollaborativen Roboter und drei pneumatische Pressen ergänzt. Mit dieser Modularität können unterschiedlichste Industrieszenarien abgebildet werden, um den Teilnehmenden bei den Schulungen eine größtmögliche Anpassbarkeit für die eigenen Unternehmenszwecke zu ermöglichen. „Eine hohe Flexibilität, kurze Umrüstzeiten und eine einfache Inbetriebnahme standen im Fokus“, beschreibt Geiser die Zielsetzung.
Die Stationen sind so gestaltet, dass die Personen durch den Produktionsprozess geführt werden. Das „Rezept“ für den Produktionsschritt ist im System hinterlegt, das Teil wird identifiziert und über Displays oder Lichtsignale wird angezeigt, was genau gemacht werden muss. Das reduziert Fehleranfälligkeit und Schulungsaufwände.
Geschätzte Impulse
Im Laufe der Zeit wurden in der Lernfabrik mehr als 120 Einzelkomponenten von Balluff verbaut von IO-Link-Wireless Mastern, über RFID-Schreib- und Leseköpfe zur Erkennung einzelner Teile, bis hin zu Condition Monitoring Sensoren (BCM), die neben Prozessdaten auch Umgebungsdaten wie Vibration, Temperatur oder Luftfeuchtigkeit messen.
„Zu Beginn konzentrierten wir uns vor allem auf die Themen Traceability und Produktpass“, so Geiser. „Durch den Austausch mit Josip Kopcic von Balluff rückte dann auch die Zustandsüberwachung stärker in den Fokus. Diesen Austausch und die Impulse schätzen wir sehr.“
„Der Fortschritt macht keinen Halt“, erklärt Kopcic seine Motivation. „Deshalb versuchen wir bei Balluff, immer neue Lösungen zu finden und Trends in praktikable Produkte zu übertragen. Diesen Ansporn haben wir auch bei der Lernfabrik.“
Die gesammelten Daten des BCM können beispielsweise dafür genutzt werden, Anomalien während des Produktionsprozesses festzustellen und daraus Schlüsse über den Zustand der Anlage zu ziehen. Dadurch ergeben sich viele Ansätze zur Entwicklung neuer Lösungen im Bereich der vorausschauenden Wartung, zum Beispiel mittels Künstlicher Intelligenz und Machine Learning. Eine ideale Basis für die Studierenden, die verschiedenen Ansätze zu erproben.
Durchmachen für eine zündende Idee
Das Engagement von Balluff ist jedoch nicht nur auf die Hardware begrenzt. Der Sensor- und Automatisierungsspezialist unterstützt auch den einmal jährlich stattfindenden Hackathon. Rund 30 Studierende arbeiten 30 Stunden in der Lernfabrik an mehreren Cases. Die entstandenen Ideen werden präsentiert und durch eine Jury aus Experten aus Praxis und Wissenschaft anhand verschiedener Kriterien wie Wirksamkeit, Originalität und Reife oder des dahinterstehenden Geschäftsmodells und Marktpotenzials bewertet.
Das Gewinner-Team erhält ein stattliches Preisgeld von mehr als 1500 Euro. „Beim Hackathon geben alle ihr Bestes. Man kann die Motivation und Leidenschaft im Raum spüren. Es ist faszinierend, wie die Teams in kürzester Zeit neue Lösungen entwickeln“, so Kopcic, der ebenfalls Mitglied der Jury ist.
Magnus Kandler (links) und Alexander Geiser (rechts) sind akademische Mitarbeiter und Promotionsanwärter am wbk. Herr Kandler ist Teil der Gruppe Produktionssystemplanung und erforscht das Digitale Shopfloor Management. In der Lernfabrik hält er Schulungen für Unternehmen und ist Geschäftsmodellverantwortlicher. Alexander Geiser ist in der Gruppe der Qualitätssicherung beschäftigt und befasst sich im Rahmen der E-Mobilität mit dem Remanufacturing von Brennstoffzellenkomponenten.
Win-Win-Situation
„Die Forschung in der Lernfabrik, die Schulungen und der Hackathon sind für uns ein Aushängeschild“, so Kandler. „Kommt man bei uns in die Halle, sind die mobilen Arbeitsplätze eines der ersten Dinge, die man sieht. Das fördert auch den Austausch mit Partnern, Studierenden und Unternehmen.“ Für Balluff und das wbk ist das Engagement eine Win-Win-Situation: „Die Studierenden kommen mit unseren Lösungen in Kontakt. Viele von Ihnen gründen nach ihrem Abschluss eigene Unternehmen oder finden ihren Platz in der Industrie. Der ein oder andere erinnert sich dann an uns. Daraus sind schon zahlreiche Projekte entstanden“, freut sich Kopcic.