page | Lernfabrik 4.0

Lernfabrik 4.0 Was ist das?

Seit 2019 arbeiten Lehrkräfte aus fünf Fachbereichen zusammen, um das um das Konzept der Lernfabrik 4.0 an den beiden Schulen umzusetzen. In einer Feierstunde wurde nun die Lernfabrik 4.0 offiziell eröffnet.

Doch was ist eine Lernfabrik? Die Lernfabrik ist eine vernetzte Anlage, die hochflexible, digital vernetzte Produktionsprozesse nachbildet. Für die Aus- und Weiterbildung ermöglicht dies Lernen auf höchstem Niveau, da die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit haben, auf der Basis realer Industriestandards zu üben. Mehrere Grundlagenlabore wurden eingerichtet, in denen Auszubildende unterschiedlicher Fachrichtungen und angehende Techniker das Industrielle Internet der Dinge (IIoT) nachvollziehen und Prozesse erlernen. An der Schule wurde eigens eine Powerbank konzipiert, deren vernetzte Produktionsstraße die Schülerinnen und Schüler programmieren und kontrollieren. Am Ende wird der beinahe ausschließlich automatisierte Produktionsprozess der Powerbank am Computer nachverfolgbar.

Der Aufbau solch umfassender Anlagen und Netzwerke ist aber durch Schulmittel allein nicht zu stemmen, daher arbeiten die Gottlieb-Daimler-Schulen schon seit 2015 an der Realisation der Lernfabrik. Schnell konnte der Landkreis als Unterstützer mit ins Boot geholt werden. „Im Kreistag gab es keine Gegenstimmen, alle waren überzeugt“, so Landrat Roland Bernhard. Und so investierte der Landkreis für die Kreativität des Großprojekts fast eine Million Euro.

Auch das Land Baden-Württemberg hat die Wichtigkeit eines solchen Projekts erkannt. „Je digitaler, desto effizienter“, so Claus Mayer vom Wirtschaftsministerium, das ebenfalls die Lernfabrik großzügig unterstützt hat. Er ist sich sicher, dass das Durchkommen durch die Krise und die Konkurrenzfähigkeit der Firmen stark vom Grad ihrer Digitalisierung abhänge. Wirtschaftsunternehmen können den digitalen Wandel allerdings nicht alleine vollziehen. Claus Mayer ist sich sicher, „Firmen brauchen nicht nur Hightech-Maschinen, sondern auch qualifizierte Mitarbeiter.“

Dem stimmen auch die beiden Schulleitungen, Kerstin Oswald und Dr. Christian Hopf, zu. Sie freuen sich darüber, dass die Lernfabrik durch „Schülerprojekte zum Leben erweckt wird“ und die GDS top ausgebildete Fachkräfte in den regionalen Arbeitsmarkt entlassen kann. Nicht zuletzt soll die duale Ausbildung mit solchen Vorzeigeprojekten gestärkt werden. Und der Startschuss für das erste Großprojekt an den Gottlieb-Daimler-Schulen ist gefallen, hin zu einer neuen digitalisierten Arbeitswelt.

Wohin geht‘s in der Industrie? Diese Frage beherrscht nicht nur unsere Wirtschaft, sondern auch die Berufsschulen in Deutschland. Da liegt es doch nahe, Vertreter beider Gruppen zusammenzubringen, um einen Austausch zu ermöglichen. Dieser Austausch fand nun in der vergangenen Woche an den Gottlieb-Daimler-Schulen 1 und 2 statt. Unter dem Schlagwort „Entwicklungstendenzen der Automatisierungstechnik“ versammelte sich eine bunte Mischung an Referenten aus dem Bildungsbereich und aus Firmen auf dem Smart Factory-Campus beider Schulen.

Umwälzungen in der Wirtschaftswelt schlagen sich auch immer in der Bildung nieder. Ohne Fachkräfte, die in der Industrie wissen, welche Hebel in Gang gesetzt werden müssen, läuft nichts. Nun stellt sich die Lage aber so dar, dass oft keine Hebel mehr betätigt werden müssen, sondern Roboter programmiert und bedient werden wollen. Somit müssen auch geeignete Fachkräfte geschult werden.

Hier treten Schulen wie die Gottlieb-Daimler-Schulen auf den Plan, die in diesem Bereich bereits Erfahrungen gesammelt haben. Damit das Schulpersonal immer auf dem aktuellen Stand bleibt, trafen sich in der vergangenen Woche Lehrer und Lehrerinnen aus ganz Baden-Württemberg auf dem Campus der Gottlieb-Daimler-Schulen, um sich auszutauschen und fortzubilden. Experten u.a. von Bosch, Siemens oder Kuka wurden für Vorträge engagiert, um die Aus- und Weiterbildung auf einem hohen Stand zu halten.

Besondere Beachtung und Bewunderung fand das Industrie 4.0-Projekt beider Schulen. „Die Teams von GDS 1 und GDS 2 erhielten von den Teilnehmern und Teilnehmerinnen ein hervorragendes Feedback. Wir konnten deutlich machen, wie exzellent die Kollaboration hier auf dem Campus des Technischen Schulzentrums zwischen GDS 1 und 2 funktioniert,“ begeistern sich die Schulleiter der GDS-Schulen, Kerstin Oswald und Dr. Christian Hopf.

Doch was ist die Lernfabrik eigentlich? In der Lernfabrik 4.0 sammeln Schüler Erfahrung mit der vernetzen Arbeitswelt. „Hier wird ein „echtes“, selbst entwickeltes Produkt gefertigt, getestet und montiert auf selbst projektierten Anlagen – mit einer Fertigungstiefe von der Bestückung bis zum Spritzguss.“ erklärt Thomas Dorner, GDS-Lehrer und einer der Organisatoren der Fortbildung. Natürlich montieren die Schüler dort die Teile kaum noch selbst, sondern eigens programmierte Roboter und automatisierte Anlagen übernehmen den Großteil der Arbeit. Die Schüler können hier ihr Wissen aus dem Unterricht in der Lernfabrik anwenden, was für großes Interesse bei der Fortbildung sorgte.

Das Konzept einer Smart Factory ist dabei bereits vom Kultusministerium entworfen worden. Auch das Land hat erkannt, dass die Zukunft in der Erfassung und der Analyse von möglichst vielen Daten des Produktionsprozesses (Big Data) liegt. Die Energie- und Rohstoffersparnisse und genauere Fehleranalyse noch im Produktionszyklus durch effizientere Auswertung der Produktionsdaten sind nur einige Aspekte, die man erreichen möchte. In Zukunft werden sich daher auch Maschinenbauer mehr mit Software- und Netzwerktechnik auskennen müssen, um am Markt bestehen zu können. Wie kann man den Produktionsablauf der Anlagen auch digital nachbilden, um einzelne Produktionsschritte am PC nachverfolgen zu können? Was sagen meine Sensoren in den einzelnen Fertigungswerkzeugen über den Produktionsfortschritt oder über Produktionsfehler?

Grundfragen, die im Lernlabor nachvollzogen werden können und erklären, weshalb es die Lernfabrik an den GDS-Schulen gibt. Eigen ist der GDS-Lernfabrik dabei die Weiterentwicklung des Konzepts des Kultusministeriums. Die Konzeptentwicklung und Herstellung einer Powerbank, betrieben mit einer 1,5 Volt-Batterie, erfolgt dabei in Eigenarbeit auf dem Gottlieb-Daimler-Campus. „Auf dem Weg der Produktentstehung können wir alle Berufsfelder einbinden und abbilden, was einen großen Mehrwert für die Vernetzung der Bildungsgänge darstellt,“ freut sich GDS-Abteilungsleiter Christian Walter. Das fand auch der Landkreis und das Land Baden-Württemberg, die das Projekt der Gottlieb-Daimler-Schulen finanziell fördern. Ein Grund, warum der GDS-Campus in Sindelfingen ein guter Ort ist, an dem sich das Who-is-Who der Industrie 4.0-Branche treffen konnte, um die Lehrerschaft fortzubilden. Wenn die Lernfabrik im Juni offiziell und nicht mehr unter Corona-Bedingungen eröffnet wird, werden die Gottlieb-Daimler-Schulen bereit sein – nicht nur für die Lernfabrik, sondern auch darauf, sich für die Zukunft zu rüsten: Mit noch intensiverem Einsatz von künstlicher Intelligenz.

„Smart Factory“ ist nun schon seit zwei Jahren die Leitvokabel in der beruflichen Weiterbildung. Die Digitalisierung bricht sich in Betrieben und Schulen auch aufgrund von Corona beschleunigt Bahn und ermöglicht vieles. Die kürzlich neu angeschafften intelligenten Produktionsstationen, die Cyber-Physical-Labs – kurz CP-Labs – zeigen nun an den Gottlieb-Daimler-Schulen die Potenziale der digitalen Welt. An ihnen werden Schülerinnen und Schüler aktuell digital aus- und weitergebildet.

Die Schülerinnen und Schüler werden an den Gottlieb-Daimler-Schulen unternehmerisch tätig. Hier ist die Idee entstanden, die Möglichkeiten der digitalen Produktion für die Herstellung und den Vertrieb einer Power-Bank zu nutzen, um die immensen Vorteile der smart factory darzustellen. Denn wenn ich als Kunde eine Powerbank an den GDS bestelle, kann ich zukünftig jeden einzelnen Produktionsschritt von der Planung bis Fertigstellung nachverfolgen. Ein transparenter Mechanismus, der für die Auslieferung durch die verschiedenen Zustellfirmen bereits bekannt ist, nun aber auf die Produktion ausgedehnt wird. Die intelligente Produktion erlaubt jedem Kunden zukünftig dann auch den Blick auf die Herstellung beispielsweise seiner Schuhe oder seiner Kleidung insgesamt. Diese Entwicklung hat der Verein Deutscher Ingenieure erst kürzlich über eine Presseverlautbarung mitgeteilt. Hierauf bezieht sich auch Thomas Dorner, Lehrer an der GDS 1 sowie Fachreferent für Smart Factory am Regierungspräsidium und mitzuständig für die landesweite Koordination der Konzeptentwicklung, und erklärt es so: „Die Produktionsdaten werden dauerhaft durch Übertragung von Sensoren mitgeschrieben. Wenn es später zu einer Reklamation kommt, hat das Produkt einen QR-Code, über den man sieht, welche Schritte geprüft wurden, welche Werte in Ordnung waren. Die Produktionsdaten eines einzelnen Produkts sind gespeichert und können ausgewertet werden. Firmen können so auch den Energieverbrauch an einzelnen Standorten und Stationen überprüfen.“ Gläserne Produktion, so Dorner weiter, passt sich auch dem Kunden direkt an. Für die Schuhproduktion etwa liegt der 3D-Scan des Kundenfußes zugrunde, der für die digitale Herstellung des Schuhs passgenau herangezogen wird. In den Gottlieb-Daimler-Schulen wird dies nun am Beispiel der Power-Bank umgesetzt, deren Hülle im 3-Drucker entsteht, hier auf Wunsch auch mit individuellem Namenszug, und die von den CP-Labs mit den relevanten Prozessoren ausgestattet wird. Von der Kommissionierung über Montage und Presse bis hin zur Überprüfung, Endabnahme und den Transport durch Roboter verläuft in den CP-Labs der gesamte Prozess digital und automatisiert. Die Installation, Wartung und Überwachung obliegt den ausgebildeten Fachleuten, an den Gottlieb-Daimler-Schulen den Schülerinnen und Schülern.

So sorgen die neuen Technologien der digital-automatisierten smart production gleichermaßen dafür, dass Produktion wieder im Land stattfindet und nicht mehr in Billiglohnländern. Denn nur hier an den Standorten der smart factory ist diese Art der Produktion möglich. Neben der Schaffung von Arbeitsplätzen im Inland reduziert dies nachhaltig den Ausbeutungscharakter, den die gegenwärtige Billigproduktion in vielen Ländern mit sich bringt. Für Thomas Dorner ein weiteres Argument, hier schnell und effektiv vorzugehen. In den Gottlieb-Daimler-Schulen werden diese Prinzipien und Prozesse im Kleinen nachgebildet, da der Unterricht an CP-Labs die zukünftige Realität in den Betrieben der Industrie 4.0 ein stückweit vorwegnimmt. Die Schülerinnen und Schüler erhalten Möglichkeiten, die ihnen kein Theorieunterricht der Welt bieten kann. Davon ist man in den Schulen schon seit längerem überzeugt. Deshalb wurde der Campus der Gottlieb-Daimler-Schulen in Sindelfingen auch als Standort für die Smart Factory im Rahmen der Entwicklung der Lernfabrik 4.0 ausgewählt und vom Landkreis sowie dem Landeswirtschaftsministerium umfassend gefördert. Das Projekt ist zuvorderst in die Fachschulen für Technik integriert, welche die Weiterbildung zum „Staatlich geprüften Techniker“ in den Fachbereichen Elektrotechnik, Mechatronik und Informationstechnik (GDS 2) sowie Maschinentechnik und industrielle Beschichtungstechnik (GDS 1) anbieten. Alle diese Fachbereiche arbeiten Hand in Hand bei der Produktion der Power-Bank. Ihr Angebot richtet sich an ausgebildete Fachkräfte in den genannten Fachbereichen, die bereits über mehrjährige Berufserfahrung verfügen. Sie können sich am GDS-Campus fitmachen lassen für die Aufgaben der Zukunft.

Die Absolventen der Fachschule für Technik an den Gottlieb-Daimler Schulen 1 und 2 hätten gerne ihre Abschlussarbeiten einer breiten Öffentlichkeit präsentiert. Corona-bedingt musste die jährlich stattfindende Hausmesse entfallen. Trotzdem wird das vom Landkreis und dem Landeswirtschaftsministerium unterstützte Großprojekt 4.0 an der Fachschule für Technik weiter vorangetrieben und umgesetzt.

An der GDS 2 haben Christian Walter und sein Team bereits ein modellhaftes Smart Factory Labor fertig eingerichtet. In Zukunft werden dort die Techniker-Schüler und die Auszubildenden der Abteilung Elektro auf der Höhe der Zeit auf das Berufsleben vorbereitet. „Wir arbeiten hier wie Ingenieure in der freien Wirtschaft“, erklärt Walter stolz.

Die aufgestellte Platinenbestückmaschine arbeitet völlig vernetzt und zeigt beispielhaft, wie die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) die Automatisierungstechnik revolutioniert, indem sie die Mitarbeiter entlastet und die Produktion steigert bzw. flexibilisiert. Ein Roboterarm entnimmt Platinenrohlinge aus dem Bestücker und platziert sie im Ofen, wo die Bauteile mit den Platinen verlötet werden. Anschließend entnimmt er die fertigen Platinen und legt diese zur Nacharbeit in ein Magazin. Alles passiert ohne einen menschlichen Handgriff. Allein drei Techniker-Abschlussarbeiten waren in die Entwicklung des Labors einbezogen.

Für die Mechatronik-Azubis und für die Schüler des Technischen Gymnasiums Umwelttechnik steht ein weiteres Labor mit MRK-Stationen zur Verfügung. Dort soll geübt werden, wie man programmiert. „Auch hier Lernen auf hohem Niveau“, so Walter.

Neben den umfassenden Arbeiten an den Smart Factory Laboren der GDS zeigt eine Absolventengruppe der Fachschule an der GDS 1 faszinierende Bilder bei Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Zu sehen ist die Tropfenentstehung an einer Micro Coat-Anlage zur Beschichtung von Oberflächen, die jeden Tropfen einzeln erzeugt und ihn dann auf die jeweilige Oberfläche appliziert. Das Team um die drei staatlich geprüften Beschichtungstechniker Alicia Heider, Moritz Schittenhelm und Andreas Vollmer nutzte diese Aufnahmen, um die Anlage in Zusammenarbeit mit der Firma BASF SE auf ein absolut verlustfreies Niveau zu optimieren. So kann in Zukunft der Beschichtungsprozess mit dieser Anlage ohne jegliche Ressourcenverschwendung durchgeführt werden. Neben den technischen setzen die Technikerarbeiten so auch Maßstäbe in punkto Umweltschutz und Nachhaltigkeit. „Eine Technikerarbeit auf höchstem wissenschaftlichen Niveau“, so Timo Langhof, betreuender Lehrer für die GDS 1.

Bislang war die Ausbildung zum „Staatlich geprüften Techniker“ an den Gottlieb-Daimler-Schulen kostenpflichtig. Der Verwaltungs- und Finanzausschuss des Kreises hat kürzlich dem Anliegen der GDS zugestimmt, ab dem kommenden Schuljahr kein Schulgeld mehr zu erheben. Angeboten wird die Techniker-Ausbildung in den Fachbereichen Elektrotechnik, Mechatronik und Informationstechnik (GDS 2) sowie Maschinentechnik und industrielle Beschichtungstechnik (GDS 1).

Im neuen Schuljahr werden die Fachschulen für Technik kein Schulgeld mehr für die Weiterbildung verlangen. Die Gottlieb-Daimler-Schulen freuen sich, dass diesem Anliegen nun auch der Verwaltungs- und Finanzausschuss des Landkreises zugestimmt hat.

Momentan steht scheinbar alles still. Die Schulschließung hat auch vor den Gottlieb-Daimler-Schulen nicht Halt gemacht. Digitaler Fernunterricht ist an die Stelle des normalen Tagesablaufs am Goldbach-Ufer getreten, was angesichts der bereits gegebenen technischen Voraussetzungen mit Tablet-Unterricht und Lernfabrik 4.0 letztlich keine wirklichen Probleme erzeugte. Die Digitalisierung erleichtert vieles. Davon ist man in den Schulen schon seit längerem überzeugt. Deshalb wurden der Campus auch als Standort für die „Smart Factory“ im Rahmen der Entwicklung von Industrie 4.0 ausgewählt und vom Landkreis sowie dem Landeswirtschaftsministerium umfassend gefördert. Das Projekt ist zuvorderst in die Fachschulen für Technik integriert, welche die Weiterbildung zum „Staatlich geprüften Techniker“ in den Fachbereichen Elektrotechnik und Informationstechnik (GDS 2) sowie Maschinentechnik und industrielle Beschichtungstechnik (GDS 1) anbieten. Bisher war die Vollzeitweiterbildung in zwei Jahren von einer hohen finanziellen Belastung für die angehenden Techniker*innen begleitet, da sie neben dem zweijährigen Verzicht auf ihr bis dahin gewohntes Einkommen auch das Schulgeld stemmen mussten. Dies ist ab dem kommenden Schuljahr Geschichte. Nach dem Jugendbildungsausschuss des Kreistags hat auch der Verwaltungs- und Finanzausschuss des Landkreises dem Anliegen der beiden Schulen zugestimmt, die Technikerschüler*innen hier zu entlasten. Dies soll nicht zuletzt dem Projekt der „Smart Factory“ zugutekommen. Neben der grundsätzlichen Förderung des Projektes hat der Landkreis zu Beginn des laufenden Schuljahres die Räumlichkeiten für die vernetzte Produktion an der GDS 1 renovieren lassen. Dort sind im Moment vier der acht Stationen zur vernetzten Produktion einer Powerbank auf mobilen Wagen untergebracht, die sich der Vollständigkeitskontrolle, der Kommissionierung und Montage, der Endkontrolle sowie der Verpackung mit Hilfe eines Roboterarms widmen.

Auch an der GDS2 wächst die Lernfabrik zusehends. Die schon seit mehreren Jahren aktive Platinenbestückung mit elektronischen Bausteinen ist schon um einen automatisierten Lötofen, um mehrere Handhabungsroboter und Prüfstationen erweitert worden. Die volle Vernetzung der Stationen und die übergeordnete Produktionssteuerung durch ein fortschrittliches MES-System werden zurzeit ergänzt. Damit wird es in Zukunft grundsätzlich möglich sein, an den beiden Schulen ein fertiges Produkt wie die Powerbank zu entwickeln und herzustellen. Die Anlage beinhaltet viele derzeit gängige Identifikations-, Produktionssteuerungs-, Datenerfassungs- und Analysetechniken. Beispielsweise erfahren die Stationen vom Werkstück selbst über einen Chip, wie damit zu verfahren ist. Hier liegt die digitale Dimension der Produktion, die sich in der Kommunikation zwischen Werkstück und Station ausdrückt, welche wiederum zur Weiterverarbeitung dokumentiert und auf einem ebenfalls hier angesiedelten „Active Cockpit“ dargestellt wird. Parallel werden an den Stationen auch Widgets für dieses „Active Cockpit“ programmiert, die sofort Kurzmitteilungen seitens Werkstück oder Station auf das Display bringen. Diese digitalen Strukturen kennenzulernen ist nur ein Bestandteil der Weiterbildung, durch die die Schüler*innen an den Fachschulen für Technik in direktem Praxisbezug für die Entwicklungen in der Industrie 4.0 vorbereitet werden. Dabei sind diese Entwicklungen an den Gottlieb-Daimler-Schulen eingebettet in das vom Kultusministerium landesweit gesteuerte pädagogische Gesamtkonzept „Lernfabrik 4.0“, was eine durch und durch transparente Produktion ohne Rüst- und Stillstandzeiten sowie vollständig automatisiert ermöglichen soll. Diese digitalen Prozesse zu initiieren und zu steuern, ist ein zentrales Lernfeld der angehenden Techniker*innen. Sie sollen als Führungskräfte bereits über das notwendige Know-How verfügen, wenn sie in die Betriebe zurückkehren und dort für die Produktion Verantwortung übernehmen. Aufgrund der hochmodernen Ausstattung der Gottlieb-Daimler-Schulen kann dies realistisch vorbereitet werden – und es bedarf nun keiner zusätzlichen finanziellen Belastungen mehr, die bisher geeignete Fachleute abgeschreckt haben oder zum Teil dafür sorgten, dass so mancher trotz Vollbelastung durch die Schule noch nebenher arbeiten musste. Hier hat der Landkreis wieder viel ermöglicht, was Wirtschaft, Schulen und Betrieben, besonders aber den Fach- und Führungskräften selbst langfristig eine positive Entwicklung beschert.

Marianne Maier-Anderer und Stephan Scheiper

Die Zukunft in der Industrie heißt Kommunikation. Und dies nicht mehr nur zwischen den Geschäftsführungen, Angestellten und Kunden. Nein, nun kommunizieren auch die zu bearbeitenden Werkstücke, Maschinen und Produktionsketten miteinander. Die Lernfabrik 4.0 ist ein umfassendes Digitalisierungsprojekt an den Gottlieb-Daimler-Schulen 1 und 2, welches die Schülerinnen und Schüler dort auf die zukünftigen Arbeitsprozesse in der Industrie vorbereiten und sie dafür aus- sowie weiterbilden soll. Bewilligt und finanziert wird dieses Projekt vom Wirtschaftsministerium des Landes Baden-Württemberg.

Kommunikation zwischen Werkstücken und Maschinen klingt heute dank Smartphones und Tablets nicht mehr wie Science Fiction. Dennoch stellt sich dem interessierten Laien weiterhin die Frage: Wie genau soll das in der industriellen Produktion vor sich gehen wenn von intelligenter Produktion, von smart production, die Rede ist?

(mehr …)