Studierende erleben Industrie 4.0 praxisnah und interaktiv
TH Köln realisiert kompakten Technologie-Demonstrator mit Fördertechnik von mk
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 kostengünstig Fördertechnik bereitstellte und mit technischem Know-how zur Realisierung beitrug.
„Wer nicht mit der Zeit geht, geht mit der Zeit“, ein zeitloser Spruch, der scheinbar auch auf Nachwuchsingenieure zutrifft. Denn schon 2019 schlug der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) Alarm: Laut einer VDI-Umfrage gaben nur elf Prozent der befragten Studierenden an, dass sie sich gut aufdie 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 anpassensollten. Dass heute die gewünschten Veränderungen stattfinden, beweist die technische Hochschule Köln.
„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 Verbesserungspotential bestünde“, sagtYannick 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 Automation, IoT-Vernetzung und KI, haben wir einen Demonstrator entwickelt, mit dem sich die Schlüsseltechnologien üben lassen.“
Industrie-4.0-Demonstrator simuliert modernen Pick-and-Place-Prozess
Beim Demonstrator handelt es sich um einen kompakten Tisch, 900 mm breit und 1200 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 mm und 150 mm und stapelt diese auf einem Förderband übereinander. Hier startet die Förderstrecke. Am Ende dieses Förderbandes 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. Das IT-System klassifiziert die Stapel dann in gute und schlechte Exemplare. Nach dieser Qualitätsprüfung erfolgt eine zweite Umlenkung des Stapels um 90 Grad 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 wie OEE können nicht nur theoretisch vermittelt, sondern praktisch erlebt werden
Der neue Demonstrator an der TH Köln schafft es, Studierende mit Konzepten von Industrie 4.0 vertraut zu machen. „Dafür sind nicht nur alle wesentlichen 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 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, wenn die Produktionsgeschwindigkeit über ein sinnvolles Maß gesteigert würde, mit dem Ergebnis, dass die Produktqualität, also die Genauigkeit des Stapels,abnimmt. „Durch die direkte Beobachtung und Analyse der Prozessdaten können zentrale Konzepte wie die Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness (OEE)) 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 Nachwuchsförderung verpflichtet – igus und mk stellen kostengünstige und kompakte Roboter- und Fördertechnologie zur Verfügung
Der Demonstrator ist ein Beispiel dafür, wie Hochschulen ihre Lehre erfolgreich 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 zurealisieren. Entsprechend aufwendig war die Suche nach alternativen Anbietern von Automationstechnik. 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 kostengünstige Alternative fanden – einen Gelenkarmroboter, der zu einem Großteil nicht aus Metall, sondern 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. „mk ist uns bei den Investitionskosten sehr entgegengekommen, was die Realisierung des Projekts im gegebenen Budgetrahmen überhaupt erst möglich gemacht hat“, sagt Liebertz. „Wir wissen, wie wichtig die Ausbildung von qualifizierten Nachwuchs-Ingenieuren 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 fachliche 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 erwies sich hier als die richtige Wahl. Da der Cobot aus Hochleistungskunststoff gefertigt ist, bringt er nur acht Kilogramm auf die Waage. Ein Leichtbau-Ansatz, den mk konsequent weitergeführt hat. So haben die Experten den 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.
Kompakter Förderer von mk punktet mit Einbauhöhe von nur 35 mm
Auf dem Tisch sind zudem drei Gurtförderer GUF-P MINI montiert, die mk insbesondere 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 nur 35 mm bieten die Förderer flexible Einsatzmöglichkeiten in beengten Einbausituationen. „Die hohe Expertise von mk im Bereich der Fördertechnik trug maßgeblich dazu bei, dass der Aufbau des Demonstrators weiter optimiert werden konnte“, erklärt Liebertz. „Durch gezielte Rückmeldungen und Vorschläge seitens mk konntentechnische Details des Transportsystems ideal auf die Anforderungen des Cobots und der Qualitätsstation abgestimmt werden.“
Eineübergeordnete Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) übernimmt dabei die Synchronisation der Bewegungsabläufe, sodass ein reibungsloser Ablauf zwischen der Förderstrecke und der Pick-and-Place Aufgabe des Roboters gewährleistet ist. Wenn der Rebel 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 besonders wertvoll ist.
„Die Lösung überzeugt nicht nur durch ihre Zuverlässigkeit im Millimeterbereich, sondern vor allem durch ihr attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis – ein wichtiger Faktor für den Einsatz in Ausbildung und Lehre“, sagt Liebertz abschließend.
Dank der offenen Struktur und modularen Bauweise könne man das System in Zukunft zudem flexibel und nachhaltig erweitern: etwa durch nachrüstbare Industrie-4.0-Komponenten, weitere Kamerasysteme oder den Einsatz von KI. Zum Beispiel, um das Greifen der Scheiben in der Bewegung zu ermöglichen, 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 man werden kann, um dennoch kostengünstig eine sehr hohe Prozesssicherheit zu erreichen. Die Plattform bietet damit nicht nur technisches Potential, sondern auch eine ideale Grundlage, um zentrale Kompetenzen in der modernen Automatisierung praxisorientiert zu vermitteln und weiterzuentwickeln.
Über die TH Köln
Die Technische Hochschule Köln (TH Köln) ist mit über 26.000 Studierenden die größte Fachhochschule Deutschlands und versteht sich als moderne Hochschule für Technik, Kunst und Wissenschaft. In diesem dynamischen Umfeld ist das Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik (IPK) ein zentraler Akteur in der Gestaltung der digitalen und nachhaltigen Transformation des Maschinen- und Anlagenbaus.
Innerhalb des IPK beschäftigt sich das Labor für Fertigungssysteme (LFK) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Thomas Gartzen mit der praxisnahen Forschung an der Schnittstelle von Fertigungstechnik und digitalen Technologien. Das LFK entwickelt innovative Lösungen für intelligente und vernetzte Produktionssysteme, mit besonderem Fokus auf die Anforderungen kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU). Schwerpunkte liegen auf Themen wie Industrial IoT, Künstlicher Intelligenz und digitalen Mensch-Technik-Schnittstellen. Ziel ist es, Fertigungsprozesse zukunftsfähig, effizient und nachhaltig zu gestalten.
Dank langjähriger Erfahrung in Forschungs- und Kooperationsprojekten sowie hoher Agilität und technischer Expertise ist das LFK ein kompetenter Partner in der Umsetzung digitaler Strategien und industrieller Innovationen.
Die mk Technology Group mit ihrem 1966 gegründeten Stammhaus Maschinenbau Kitz in Troisdorf bei Bonn, ist einer der führenden Anbieter von Profiltechnik und Fördertechnik. Auf Grundlage des eigenen Aluminiumprofilsystems als übergreifende Basistechnologie, bietet mk einen umfangreichen modularen Baukasten für den Maschinenbauund die Fabrikautomation.
Das Leistungsspektrum umfasst in der Profiltechnik das Aluminiumprofilsystem sowie Arbeitsplatzeinrichtungen, Schutzeinrichtungen und individuelle Maschinengestelle und Podeste. In der Fördertechnik bietet mk ein umfangreiches Sortiment an standardisierten Fördertypen, ergänzt um Lineartechnik für präzise Handling-Anwendungen. Darüber hinaus steht mk seinen Kunden im Bereich der Systemlösungen von der Projektierung und Konstruktion bis zur Realisierung und Inbetriebnahme kompletter Transfersysteme zur Seite. Die Serviceleistungen runden das Produktportfolio mit Instandhaltung, Wartung und Ersatzteilversorgung ab.
Zu den wichtigsten Zielbranchen von mk gehören der Maschinenbau, die Automobil-, Elektro-, Verpackungs-, Kunststoff-, Pharma- und Lebensmittelindustrie.
Categories: Allgemein
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