Studierende der TH Köln erleben Industrie 4.0 hautnah: Ein kompakter Demonstrator mit Roboter, Fördertechnik und Kamerasystem macht komplexe Produktionsprozesse interaktiv begreifbar. Mit der Unterstützung der mk Technology Group aus Troisdorf können zentrale Konzepte wie Overall Equipment Effectiveness (OEE) praxisnah vermittelt werden – zukunftsorientierte Lehre auf kleinstem Raum.
Die Anforderungen an Ingenieure verändern sich rasant – und mit ihnen die Lehre. An der TH Köln können Studierende moderne Produktionsprozesse daher nicht nur theoretisch verstehen, sondern mit einem Industrie-4.0-Demonstrator auch praktisch erleben. Möglich wurde das durch die Unterstützung engagierter Industriepartner wie der mk Technology Group, die Fördertechnik bereitstellte und mit technischem Know-how zur Realisierung beitrug.
„Wer nicht mit der Zeit geht, geht mit der Zeit“, ein zeitloser Spruch, der anscheinend auch auf Nachwuchsingenieure zutrifft. Denn schon im Jahr 2019 schlug der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) Alarm: Laut einer VDI-Umfrage gaben nur elf Prozent der befragten Studierenden an, dass sie sich gut auf die Herausforderungen der vernetzten Industrie vorbereitet fühlen – bei Berufseinsteigern waren es gerade einmal neun Prozent. Der Verband der Deutschen Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) fordert daher, dass Hochschulen mit dem technischen Fortschritt gehen und ihre Curricula rasch anpassen sollten. Dass heute solche Veränderungen stattfinden, zeigt das Beispiel der Technischen Hochschule Köln.
Die Scheiben werden am Ende der Förderstrecke in einem Prisma zentriert und vom Gelenkarmroboter gegriffen (Aufnahme-Position)
„In der Tat kam aus der Industrie oftmals das Feedback, dass Absolventen zwar über ein solides theoretisches Fundament im Bereich Produktionsmanagement verfügen, jedoch in der praktischen Umsetzung digital vernetzter Produktionsprozesse noch Verbesserungspotenzial bestünde“, sagt Yannick Liebertz, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor für Fertigungssysteme Köln (LFK) der TH Köln. „Um Studierende des Masterstudiengangs Maschinenbau auf Industrie 4.0 besser vorzubereiten, also auf Automatisierung, IoT-Vernetzung und KI, haben wir einen Demonstrator entwickelt, mit dem sich die Schlüsseltechnologien üben lassen.“
Industrie-4.0-Demonstrator simuliert Pick-and-Place-Prozess
Der Demonstrator ist ein kompakter Tisch, 900 mm breit und 1.200 mm lang, der sich auf Rollen von Hörsaal zu Hörsaal schieben lässt. Auf diesem Tisch ist ein geschlossener Kreisprozess installiert, wie er auch in einer realen Produktionsumgebung zum Einsatz kommt. Das zentrale Element ist ein Gelenkarmroboter, der eine Pick-and-Place-Aufgabe übernimmt: Er greift nacheinander zwei Scheiben mit Durchmessern von 100 und 150 mm und stapelt diese auf einem Förderband übereinander. Hier startet die Förderstrecke. Am Ende dieses Förderbands wird der Stapel auf eine zweite Förderstrecke überführt, die im rechten Winkel verläuft. Über diesem zweiten Förderband ist eine Kamera montiert. Sie prüft, wie präzise die Scheiben übereinander liegen. Die aktuelle Aufgabe des Demonstrators ist die Erfassung und Analyse der Wiederholgenauigkeit.
Der Gelenkarmroboter greift nacheinander die beiden Scheiben und transportiert sie zur Startposition des Demonstrators
Daher wird hier nur ermittelt, wie genau der Roboter die Scheiben platziert. Nach dieser Prüfung folgt eine zweite Umlenkung des Stapels um 90° auf ein drittes Förderband, das auf die andere Seite des Roboters zuläuft. Auf diesem Band trennt ein Abstreifer die Scheiben wieder voneinander. Am Ende der Förderstrecke kann der Roboter die vereinzelten Scheiben dann wieder aufnehmen. Der Prozess beginnt von vorn.
Zentrale Konzepte praktisch erleben
Der Demonstrator macht Studierende mit Konzepten von Industrie 4.0 vertraut. „Dafür sind nicht nur alle wichtigen physischen Prozesse der Automatisierungstechnik abgedeckt – sprich Handhabung, Materialtransport und Qualitätsprüfung“, sagt Liebertz. Das System mache es auch möglich, Produktionsprozesse in Echtzeit zu analysieren und zu optimieren.
Alle Komponenten, von Roboter über Förderbänder bis hin zur Kamera, sind vernetzt, sodass das IT-System beispielsweise Taktzeiten, Gut-Schlecht-Anteile und Verfügbarkeiten in Relation setzen kann, um daraus Erkenntnisse für eine Verbesserung abzuleiten. So ließe sich etwa erkennen, dass eine Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit über ein sinnvolles Maß hinaus zu einer Abnahme der Produktqualität (der Genauigkeit des Stapels) führt. Liebertz: „Durch die direkte Beobachtung und Analyse der Prozessdaten können zentrale Konzepte wie die Gesamtanlageneffektivität nicht nur theoretisch vermittelt, sondern auch praktisch erlebt werden.“ Langfristig sei daher geplant, den Demonstrator auch für Projektarbeiten, Abschlussarbeiten sowie interdisziplinäre Lehrformate zu nutzen.
Der Scheibenstapel wird zur Kameraposition befördert
Der Nachwuchsförderung verpflichtet
Der Demonstrator ist ein Beispiel dafür, wie Hochschulen ihre Lehre an das Industrie-4.0-Zeitalter anpassen. Diese Transformation ist allerdings oftmals herausfordernd, wenn das Budget für neue didaktische Mittel begrenzt ist. Auch die TH Köln stand vor der Aufgabe, das neue System möglichst kostengünstig zu realisieren. Entsprechend aufwendig war die Suche nach Anbietern von Automatisierungstechnik. Ein klassischer Gelenkarmroboter für die Industrie beispielsweise kostet schnell mehrere zehntausend Euro und wäre zu teuer gewesen. Entsprechend froh waren die Projektverantwortlichen, als sie beim Kölner Unternehmen igus den Rebel als Alternative fanden – einen Gelenkarmroboter, der größtenteils aus Hochleistungskunststoff gefertigt ist.
Unterstützung fand die TH Köln darüber hinaus bei der mk Technology Group, die den fahrbaren Tisch für den Demonstrator und die Fördertechnik zur Verfügung stellte. Liebertz: „mk ist uns bei den Investitionskosten sehr entgegengekommen, was die Realisierung des Projekts im gegebenen Budgetrahmen überhaupt erst möglich gemacht hat.“
„Wir wissen, wie wichtig die Ausbildung von Nachwuchsingenieuren in Zeiten des Fachkräftemangels ist“, sagt Maik Kirchner, Vertriebsingenieur für Fördertechnik bei mk. „Daher ist es für uns ein Herzensanliegen, innovative Projekte wie dieses als Industriepartner finanziell und auch mit fachlichem Know-how zu unterstützen.“
Das Know-how der Experten von mk war beispielsweise beim Thema Kompaktheit gefragt. Der Demonstrator sollte so platzsparend und so leicht wie möglich sein, damit ihn eine Person von Hörsaal zu Hörsaal schieben kann. Der Rebel von igus mit einem Gewicht von 8 kg erwies sich hier als die richtige Wahl. Diesen Leichtbau-Ansatz hat mk konsequent weitergeführt. So wurde der Tisch mit der 40er-Profilserie von mk gebaut. Dabei handelt es sich um leichte und modulare Aluminiumprofile mit einem Rastermaß von 40 x 40 mm, die sich für leichte Maschinengestelle, Schutzeinrichtungen und Montagearbeitsplätze eignen.
„Um Studierende des Masterstudiengangs Maschinenbau auf Industrie 4.0 besser vorzubereiten, haben wir einen Demonstrator entwickelt, mit dem sich die Schlüsseltechnologien üben lassen“
Yannick Liebertz, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor für Fertigungssysteme der TH Köln (LFK)
Kompakter Förderer mit Einbauhöhe von 35 mm
Auf dem Tisch sind zudem drei Gurtförderer vom Typ GUF-P Mini montiert, die der Hersteller für den Transport und das Vereinzeln von kleinen und leichten Fördergütern entwickelt hat. Mit Breiten von 50 bis 300 mm, Längen von 350 bis 3.000 mm und einer Einbauhöhe von 35 mm bieten die Förderer flexible Einsatzmöglichkeiten in beengten Einbausituationen. „Die Expertise von mk im Bereich der Fördertechnik trug maßgeblich dazu bei, dass sich der Aufbau des Demonstrators weiter optimieren ließ“, erklärt Liebertz. „Durch gezielte Rückmeldungen und Vorschläge seitens mk konnten technische Details des Transportsystems auf die Anforderungen des Cobots und der Qualitätsstation abgestimmt werden.“
Eine übergeordnete Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) übernimmt dabei die Synchronisation der Bewegungsabläufe, sodass ein problemloser Ablauf zwischen der Förderstrecke und der Pick-and-Place-Aufgabe des Roboters gegeben ist. Wenn der Cobot die vereinzelten Scheiben aufnimmt, stellt die Steuerung beispielsweise sicher, dass die Förderbänder am Streckenauslauf abbremsen und sich die Scheiben in einem Prisma zentrieren. Somit findet der Roboter stets ein stabiles und reproduzierbares Übergabefenster vor, ohne durch zu schnelle Bewegungen der Bänder gestört zu werden. Die Steuerung macht es zudem möglich, verschiedene Ablaufvarianten zu testen und gezielt Prozessparameter zu verändern, was für die Lehre und Analyse wertvoll ist.
Aufgrund der offenen Struktur und modularen Bauweise lässt sich das System in Zukunft flexibel erweitern, zum Beispiel um die Voraussetzungen für das Greifen der Scheiben in der Bewegung zu schaffen, ohne die Fördertechnik zu stoppen. Auch komplexe Szenarien ließen sich dadurch praxisnah untersuchen, etwa die Analyse der Stabilität von Stapeln bei variierender Kurvengeschwindigkeit und Reibung. So könnte ermittelt werden, wie genau und schnell werden kann, um dennoch kostengünstig eine hohe Prozesssicherheit zu erreichen. Die Plattform bietet damit nicht nur technisches Potenzial, sondern auch eine Grundlage, um zentrale Kompetenzen in der modernen Automatisierung praxisorientiert zu vermitteln und weiterzuentwickeln.
Text/Fotos: mk Technology Group
