COMPASS MAGAZINE #10
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FABRIK DER ZUKUNFT Studierende auf die reale und virtuelle Welt vorbereiten

Hersteller nutzen vermehrt neue Technologien, einschließlich des industriellen Internets der Dinge, Robotik und Additiver Fertigung, um Ineffizienz zu vermeiden und die Produktivität zu steigern. Das stellt Lehrende jedoch vor die schwierige Aufgabe, die neue Belegschaft zu schulen und etablierte Mitarbeiter erneut darin zu trainieren, erfolgreich in diesen Fabriken der Zukunft zu arbeiten.

In der Fabrik der Zukunft – auch „Smart Factory“ oder Industrie 4.0 genannt – arbeiten Menschen und Technologie gemeinsam in einer Umgebung, die virtuelle und reale Welten nahtlos miteinander verbindet, um Effizienz und Nachhaltigkeit zu steigern.

„Die Kombination aus ‚virtuell‘ und ‚real‘ ermöglicht einen kompletten Überblick über die gesamte Wertschöpfungskette, so können Fabriken schneller und effizienter produzieren, und mehr Leistung bei geringerem Ressourceneinsatz erzielen“, so die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC), eine internationale Normungsorganisation für Elektrotechnik und Elektronik mit Sitz in der Schweiz, in ihrem Whitepaper „Factory of the Future“.

Die Vision dieses neuen Ansatzes mag futuristisch klingen, zahlt sich jedoch bereits für die fortschrittlichsten Hersteller der Welt aus. Die „American Society for Quality“ stellte im „2014 Manufacturing Outlook Survey“ fest, dass 82% der Unternehmen, die eine intelligente Fertigung implementiert hatten, die Effizienz gesteigert hatten, 49% berichteten von geringeren Produktdefekten, und 45% meldeten eine höhere Kundenzufriedenheit.

Damit jedoch alle Hersteller von der Fabrik der Zukunft profitieren können, seien hochqualifizierte technische Talente erforderlich, so der Rat der IEC – das heißt Mitarbeiter, die virtuelle Modelle der physischen Umgebung verstehen und handhaben können. Dies stellt eine Herausforderung für Lehrende dar, und einige der weltweit besten Einrichtungen für technische Ausbildungen arbeiten mit neuen Ansätzen, um Mitarbeiter dabei zu unterstützen, die von zukunftsorientierten Fabriken geforderten Fertigkeiten zu erlernen.

VORBEREITEN FÜR INDUSTRIE 4.0

Das Konzept der Smart Factories bzw. Industrie 4.0 erfordert neue Denkweisen - sowohl über Herstellung als auch über Weiterbildung.

„Bei unseren Studienplänen stehen wir vor den gleichen Herausforderungen wie die Industrie mit ihren Produktionsprozessen“, sagt Vera Hummel, Professorin für Beschaffungs-, Produktions- und Transportlogistik und Wirtschaftsingenieurwesen an der Universität Reutlingen. „Wir müssen den Studierenden eine ganzheitliche Sicht auf das System vermitteln, einschließlich Technologie, Roboter für Hybrid-Arbeitssysteme, neue Lokalisierungssysteme mit Sensoren, die Daten sammeln und neue Prozesse und Geschäftsmodelle ermöglichen, die von diesen Daten abgeleitet werden können.“

82%

Die „American Society for Quality“ stellte fest, dass 82% der Unternehmen, die eine intelligente Fertigung implementiert hatten, die Effizienz gesteigert hatten, 49% berichteten von geringeren Produktdefekten.

Für Studierende bedeutet das, drei nichttraditionelle Fertigkeiten zu erlernen.

„Die erste Herausforderung für Studierende ist es, zu lernen, das hybride Arbeitssystem in Kombination mit der technischen Assistenz und cyber-physischen Systemen zu nutzen“, so Hummel.

„Die zweite ist die nahtlose digitale Entwicklungsumgebung. In der Vergangenheit mussten Studierende entweder mit CAD, Verfahrenstechnik oder Robotersimulationen arbeiten. Jetzt müssen sie mit allen diesen Systemen in einem nahtlosen Entwicklungsprozess umgehen. Die dritte Herausforderung ist zu lernen, wie sie intelligente Produkte in selbstgesteuerten Produktionssystemen verwalten.“

Laut Hummel erfordert das Lehren dieser Fähigkeiten eine Abwendung vom traditionellen Unterricht, in dem Themen nach Lehrfach getrennt werden, um den Studierenden ein umfassendes Verständnis der Wechselbeziehungen und Abhängigkeiten zwischen mechanischen Prozessen, Informatik und Automationsprozessen zu vermitteln.

Studierende verbringen daher zwei Tage pro Woche mit der Arbeit an Projekten in einer speziell konstruierten „Lernfabrik“, die die physische Infrastruktur für die Produktion mit Cloud-basierten Tools für digitale Entwicklung kombiniert. „Sie lernen, wie sie mit großen Datenmengen, digitalen Prozessen, neuen Geschäftsmodellen und neuen Kooperationsmodellen zwischen verschiedenen Abteilungen umgehen.“ Ziel sei es, so Hummel, ein virtuelles Modell zu erschaffen, das alle Details der Ausrüstung, Betriebsabläufe und Steuerungen einer Fabrik nachbildet, um Studierenden praktische Erfahrung mit den neuen Technologien zu vermitteln, die im Kontext von Industrie 4.0 erhältlich sind.“

ARBEITEN IN EINEM GLOBALEN KONTEXT

In Frankreich ist die Metz National School of Engineering (ENIM) ein Mitglied des Nationalen Polytechnischen Instituts von Lorraine (Lorraine-INP), ein Collegium aus 11 Ingenieurschulen an der Université de Lorraine. ENIM hat das Factory-Futures-Programm eingeführt, ein internationales gemeinschaftliches Projekt, das Cloud-fähige Technologie zur Verwaltung des Produktlebenszyklus (PLM) nutzt, um Produkte zu entwickeln, zu simulieren und herzustellen. Ziel ist, Studierende in aller Welt auf Factory-of-the-Future-Umgebungen vorzubereiten.

„Das pädagogische Modell der Ingenieurschulen in Frankreich und weltweit bietet keine Studienpläne, um unsere Jugend darauf vorzubereiten, Ingenieurprojekte im globalen Kontext durchzuführen“, erklärt Julien Zins, PLM-Projektleiter und Koordinator für Lateinamerika bei ENIM. „Mobilität ist für ENIM-Studierende unerlässlich. Wir verfügen über mehr als 120 Partnervereinbarungen mit Institutionen weltweit.“

„BEI INDUSTRIE 4.0 GEHT ES NICHT NUR UM DIE PRODUKTIONSEFFIZIENZ, SONDERN DARUM, WIE MAN NEUE GESCHÄFTSMODELLE BASIEREND AUF DEN NEUEN TECHNOLOGIE- UND SERVICELÖSUNGEN AUFBAUEN KANN.“

VERA HUMMEL PROFESSORIN FÜR BESCHAFFUNGS-, PRODUKTIONS- UND TRANSPORTLOGISTIK UND WIRTSCHAFTSINGENIEURWESEN, UNIVERSITÄT REUTLINGEN

Das 2012 gemeinsam mit dem Factory-Futures-Programm eingeführte Global- Factory-Projekt hat im September 2016 begonnen. Es bietet den Studierenden der Institutionen Möglichkeiten zur Durchführung eines Ingenieurprojekts mit 17 der Universitätspartner, eine Zusammenarbeit mit 100 Studierenden und Professoren in 10 Ländern. Ein weiteres Ziel war laut Zins die Erfahrung der Universität mit digitalen 3D-Lösungen in PLM mit ihren Partneruniversitäten zu teilen.

„Ein problembasierter, multidisziplinärer Ansatz erlaubt die Integration internationaler Partner mit unterschiedlichen Fähigkeiten, wie Mechatronik oder Innovationsmanagement“, so Zins. „Dieses Jahr haben wir z.B. zwei Schulen integriert, die Mitglieder des Lorraine-INP-Collegiums der Université de Lorraine sind – die Graduate Schools of Science and Technology Engineering in Nancy (ESSTIN und die National Graduate School in Innovation Systems Engineering (ENSGSI)) – damit sie uns dabei unterstützen, diese beiden Fähigkeiten zu vermitteln.“

„UNIVERSITÄTEN MÜSSEN ERKENNEN, DASS ES NICHT AUSREICHT, INGENIEUREN NUR DIE PRODUKTENTWICKLUNG BEIZUBRINGEN, SIE MÜSSEN AUCH ÜBER DIE HERSTELLUNG BESCHEID WISSEN.“

MICHAEL GRIEVES PROFESSOR UND GESCHÄFTSFÜHRER, CENTER FOR ADVANCED MANUFACTURING AND INNOVATIVE DESIGN, FLORIDA INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Auf dem neuesten Stand zu bleiben ist entscheidend, wenn Lehrende die Fähigkeiten vermitteln möchten, die die Studierenden benötigen. Zins und seine Kollegen arbeiten z.B. entsprechend den Maßnahmen der französischen Regierung und der „Industrie der Zukunft“, einer nationalen Initiative, die Technologieunternehmen, Berufsverbände und akademische Partner involviert und das Programm der Regierung zur digitalen Transformation der Industrie in Frankreich fördert.

„Französische Schulen können die Herausforderung aus Hardware-Sicht mit Leichtigkeit meistern, auch wenn Lehrende ihre Kurse häufiger hinsichtlich der Werkzeuge auf den neuesten Stand bringen und mit der neuesten Software umgehen können müssen“, so Zins. „Es ist sehr wichtig, dass sowohl Professoren als auch Ingenieurteams hinsichtlich der entsprechenden Lösungen geschult sind. Glücklicherweise zentralisiert das AIP-PRIMECA-Netzwerk in Frankreich das Schulungsangebot für Hochschullehrer für die 3D-Lösungen, die wir nutzen. Das Netzwerk bietet das gesamte Jahr hindurch Schulungen für Lehrer, die sich in bestimmten Bereichen spezialisieren möchten.“

TRANSFORMATION DES LEHRENS

Für Lehrende in den USA könnte die Fabrik der Zukunft eine wachsende Zahl an Arbeitsplätzen in der Produktion für US-amerikanische Arbeiter bedeuten.

„Die Universitäten in den USA stehen unter Druck, Produktionskurse anzubieten, was in der Vergangenheit zu wenig gemacht wurde“, so Michael Grieves, Professor und Geschäftsführer des Center for Advanced Manufacturing and Innovative Design (CAMID) am Florida Institute of Technology. „Der Druck ist auf den Bedarf an Arbeitsplätzen in der Fertigung in den USA zurückzuführen, aber auch auf die Nutzung fortschrittlicher Technologien, die die Art der Herstellung verändern und die Produktionskosten senken.“

Die Fähigkeiten zu bieten, die die Hersteller von morgen benötigen, erfordere jedoch, dass Institutionen traditionelle Strukturen der Bildungseinrichtungen überwinden, so Grieves.

„In den USA haben die besten Universitäten Ingenieure hervorgebracht, die wenig Kenntnis über die Produktion vorweisen “, sagt Grieves. „Es gibt eine ganze Bandbreite an Material, das wir den Studierenden vorenthalten und sie zwingt, diese Inhalte erst im Beruf zu lernen. Universitäten müssen erkennen, dass es nicht ausreicht, Ingenieure mit dem Entwicklungsprozess bei der Produktherstellung vertraut zu machen, sie müssen auch über die Fertigung unterrichtet werden, damit der Übergang vom virtuellen Design zur ökonomischen und effizienten realen Produktion kein Problem bereitet.“

„Es ist entscheidend, dass wir eine Lernumgebung schaffen, die die Produktionsumgebung imitiert, damit Studierende ihr Lernen in einen Kontext bringen und es mit dem Arbeitsplatz verbinden können.“

Ashok Shettar Vizekanzler der Technologischen Universität KLE

Grieves nennt das Florida Institute of Technology, die Purdue University und das Georgia Institute of Technology als die führenden US-amerikanischen Institutionen in diesem Bereich, weist jedoch darauf hin, dass selbst diese einen stärkeren interdisziplinären Ansatz benötigen.

„Die meisten Universitäten in den USA verfügen über Colleges für Ingenieurwesen, nicht jedoch über Colleges für Ingenieurwesen und Herstellung“, sagt Grieves. „Es geht nicht mehr darum, ein Produkt zu entwickeln und es dann direkt weiterzureichen an die Herstellung. Für die Entwicklung und Herstellung ist ein ganzheitlicher Ansatz erforderlich, um ein Produkt zu erschaffen. Es muss also eine erhebliche strategische Veränderung in der Bildung hin zu diesem ganzheitlichen Ansatz stattfinden, um mit der schnellen Entwicklung der Industrie mitzuhalten.“

EIN BREITER KONSENS

Gemäß der World Bank machte die Herstellung im Jahr 2014 lediglich 16% des Bruttoinlandsprodukts in Indien aus. Im gleichen Jahr führte Indiens Premierminister Narendra Modi die Initiative „Make in India“ ein, um ausländische Investoren anzuziehen und Indien in ein globales Herstellungszentrum zu verwandeln.

„Um auf globaler Ebene konkurrenzfähig zu sein, benötigen wir Ingenieure mit multidisziplinärem Talent. Und das erfordert einen neuen Ansatz in der Ingenieurausbildung“, erklärte Ashok Shettar, Vizekanzler der Technologischen Universität KLE in Indien. „Wir lehren viele der Technologien, die für die Fabrik der Zukunft relevant sind, wie Big Data, Cloud, Analytik, eingebettete Systeme, Robotik und Automation, aber wir haben sie bisher nicht auf integrierte Weise gelehrt.“

„Die Fabrik der Zukunft ist auch ein kollaborativer Ort, an dem viele Prozesse an verschiedenen physischen Orten stattfinden und interkulturelle Probleme auftreten können. Es ist entscheidend, dass wir eine Lernumgebung schaffen, die die Produktionsumgebung imitiert, damit Studierende ihr Lernen in einen Kontext bringen und es mit dem Arbeitsplatz verbinden können.“

Die Ingenieurskurse am KLE Tech fokussieren daher auf experimentelles Lernen. Zu den Kursen im ersten Jahr gehören soziale Innovation, wobei Design Thinking gemäß sozialen Bedürfnissen entwickelt wird, und Engineering Exploration, was viele Ingenieurdisziplinen kombiniert, um ein breitgefächertes Produktionsdenken anzuregen. Darauffolgende Kurse fördern einen multidisziplinären Ansatz hinsichtlich der Produktrealisierung in der 557m² großen Lernfabrik der Universität.

„Es wird in interdisziplinären Teams gearbeitet, Studierende des Faches Maschinenbau arbeiten mit jenen aus dem Bereich der Elektrotechnik, damit sie ein Verständnis dafür entwickeln, wie Teams verschiedener Disziplinen auf ein gemeinsames Ziel hinarbeiten“, erklärt Shettar.

Um diese Fähigkeiten zu vermitteln, mussten die Fakultätsmitglieder der KLE Tech ihre eigenen Erfahrungen über ihre Spezialdisziplinen hinaus erweitern.

„Wir haben Lücken in unserer aktuellen Praxis identifiziert und mit der produzierenden Industrie zusammengearbeitet, um diese zu schließen und unsere Kursleistung zu verbessern“, erklärte Shettar. „Da wir von unseren Studierenden erwarten, in interdisziplinären Teams zu arbeiten, mussten wir dies zuerst selbst umsetzen – wir haben diese Erfahrung also erst selbst gemacht, ehe wir anfingen, entsprechend zu lehren.“

ZUSAMMENARBEIT NEU DEFINIERT

Für Lehrende auf der ganzen Welt bringt das Entwickeln der Fähigkeiten, die für die Fabrik der Zukunft notwendig sind, die Herausforderung mit sich, die interdisziplinäre Natur der neuen Produktionsumgebung widerzuspiegeln. Es ist eine große Aufgabe, die zu einer vermehrten Zusammenarbeit zwischen Bildung und Industrie in verschiedenen akademischen Disziplinen führt, und damit eine erhebliche Verpflichtung neuen Denkweisen in Bezug auf Lehren und Herstellung gegenüber demonstriert.

„Wir müssen eine entschiedene Absicht zur Zusammenarbeit zeigen“, sagt Shettar, „und eine Kultur der Zusammenarbeit zwischen Industrie und Akademie entwickeln.“

von Jacqui Griffiths Zurück zum Seitenbeginn