Lernfabrik

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Lernfabriken stellen realistische Produktionsumgebungen für die berufliche Weiterbildung, Lehre und Forschung dar. In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche Lernfabriken von Forschungsinstituten und Industrieunternehmen entwickelt und aufgebaut.[1]

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Begriff Lernfabrik setzt sich aus zwei Wörtern zusammen: "Lernen" steht für das übergeordnete Ziel Kompetenzen zu entwickeln; "Fabrik" für das Abbild einer realistische Produktionsumgebung.[2] Eine allgemein anerkannte Definition wurde innerhalb der CIRP CWG vereinbart und in der CIRP Encyclopedia veröffentlicht:[3] Laut der Internationalen Akademie für Produktionstechnik (CIRP) wird eine Lernfabrik definiert durch

  • Prozesse, die authentisch sind, mehrere Stationen und sowohl technische als auch organisatorische Aspekte umfassen,
  • eine veränderbare Umgebung, die einer realen Wertschöpfungskette entspricht,
  • ein physisches Produkt, das hergestellt wird, und
  • ein didaktisches Konzept, das formelles, informelles und nicht-formelles Lernen vor Ort durch die aktive Beteiligung der Lernenden ermöglicht wird.

Der Primärzweck einer Lernfabrik stellt demnach Lernen durch Lehre, Weiterbildung und/oder Forschung. Ergebnisse sind zum einen Kompetenzentwicklung oder zum anderen Innovation. Ein nachhaltiges Betreibermodell sorgt für den langfristigen Erfolg einer Lernfabrik.[4]

Der Unterschied zwischen Lernfabriken und Modellfabriken besteht darin, dass Lernfabriken ein didaktisches Konzept und ein Betreibermodell für die Ausbildung bieten.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Begriff "Lernfabrik" wurde erstmals 1994 in den USA geprägt, als die National Science Foundation (NSF) ein Konsortium der Penn State University förderte. Auf einer 2000 m² großen Anlage wurden industrienahe Projekte mit Maschinen, Werkzeugen und Materialien durchgeführt. Reale Probleme der Industrie konnten in einer realistischen Umgebung gelöst werden. Im Jahr 2006 erhielt das Programm den Gordon-Preis der National Academy of Engineering für Innovation in der Ingenieurausbildung.

In Europa wurden in den letzten zehn Jahren immer mehr Lernfabriken entwickelt. Eine der ersten Lernfabriken dieser Welle ist das 2007 gegründete "Center für industrielle Produktion" des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt (siehe Abschnitt 3).[1] Im Jahr 2011 wurde die Initiative 'Europäische Lernfabriken' während der ersten Conference on Learning Factories in Darmstadt gegründet.[5] Die Initiative führte zu einer langjährigen europäischen Zusammenarbeit zum Thema Lernfabriken. Im Jahr 2017 beschloss die Initiative, nicht nur europäische Lernfabriken einzubeziehen, sondern auch weltweit. Im Zuge dessen benannte sich die Initiative in "International Association of Learning Factories" um.

Beispiele bestehender Lernfabriken[6][Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lernfabriken im akademischen Bereich[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

TU Darmstadt: Prozesslernfabrik CiP[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Prozesslernfabrik CiP der Technischen Universität Darmstadt steht die Entwicklung von Kompetenzen für Lean Production und Industrie 4.0 im Mittelpunkt. Sie wurde 2007 in Zusammenarbeit mit der Unternehmensberatung McKinsey gegründet. Dabei werden Fertigung, Qualitätskontrolle, Montage, Verpackung und indirekte Prozesse dargestellt. Das abgebildete Produkt ist ein Pneumatikzylinder, der sowohl in acht Varianten als auch mit kundenindividuelle Abmessungen hergestellt wird. Auf ca. 500 m² können Methoden der schlanken Produktion angewendet werden. Die Lernfabrik kann verschiedene Szenarien von einem verschwendungsreichen bis hin zu einem schlanken, digitalen Zustand abbilden. Die 15 verschiedenen Lernmodule gliedern sich in Lean-Basics, Lean-Kernelemente und Lean Thinking. Innerhalb eines Lernmoduls wechseln sich praktische Anwendungen mit Fachvorträgen ab. Die Prozesslernfabrik CiP ist Teil des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Kompetenzzentrums für den Mittelstand im Rhein-Main-Gebiet. Mit neu implementierten Industrie 4.0-Technologien werden Konzepte der schlanken Produktion erweitert. Außerdem werden neue Technologien demonstriert: z. B. Traceability, Assistenzsysteme, digitales Shopfloor Management, vorbeugende Instandhaltung, Milk Run 4.0 und fahrerlose Transportsysteme. Durch aktuelle Forschungsergebnisse werden die entwickelten Schulungen ständig erweitert. Darüber hinaus hat das Institut weltweit eine Vielzahl von Lernfabriken für Forschungsinstitute und Industrieunternehmen aufgebaut[5][6][7]

Technische Universität Wien: Pilot Factory[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Pilotfabrik der TU Wien liegt der Schwerpunkt auf Industrie 4.0. Eine realistische Testumgebung mit Maschinen, realen Produktionsprozessen und einem realen Produkt wird simuliert. Auf 900 m² wird ein 3D-Drucker produziert, dessen Abmessungen nach Kundenwunsch konfiguriert werden kann. Verschiedene Industrie 4.0-Konzepte werden dargestellt, z. B. die Adaptionsfähigkeit von Prozessen und dem Layout, Mensch-Maschine-Interaktion sowie die Nutzung von Datenanalysen zur Transparenz und Optimierung. Ein fahrerloses Transportsystem verbindet die Fertigung mit der Montage. Die Materiallieferung erfolgt automatisch. Darüber hinaus werden die Bediener durch kollaborative Roboter, Assistenzsysteme, Sensorik und Bildverarbeitung unterstützt.[5][6][8]

Stellenbosch University: Stellenbosch Learning Factory[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Stellenbosch Learning Factory bietet Schulungen für die schlanke Produktion und Ergonomie. Außerdem stellt sie eine Forschungsplattform für Industrie 4.0 dar. Zielgruppen sind Industriepartner und Studierende des Wirtschaftsingenieurwesens. Zu den Neuentwicklungen gehört ein Doppel-Master-Programm mit der Hochschule Reutlingen. Deutsche Studierende haben die Möglichkeit, eine Summer School zu besuchen. In der Lernfabrik sind ein RFID Track-and-Trace-System und eine Echtzeit-KPI-Visualisierung integriert.[5]

University of Windsor: iFactory[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die iFactory der University of Windsor fokussiert sich auf die Themenschwerpunkte „integriertes Produkt“, „Systemlernen“ und „Industrie 4.0“. Auf 200 m² werden Schreibtische und Automobil-Riemenspanner montiert. Die Verfolgung von Prozessen und die Planung und Disposition von Produktionsabläufen ist mit RFID-Tags möglich. Das Gesamtsystem ist modular und rekonfigurierbar mit Geräten von FESTO Didactic aufgebaut und. Der Primärzweck der Lernfabrik stellt Forschung, Lehre und Demonstration für Studierende und Industriepartner dar. Die Lernfabrik wurde 2011 errichtet und ist die erste ihrer Art in Nordamerika.[5][6]

Université du Luxembourg: Operational Excellence Laboratory[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Operational Excellence Laboratory der Université du Luxembourg ist ein Ort für Industriepartner, um praktische Erfahrungen mit Lean-Tools zu sammeln und neue Technologien im Zusammenhang mit Industrie 4.0 zu demonstrieren. Beispiele hierfür sind die Integration von RFID, Augmented Reality und digitalen Handbüchern. Darüber hinaus werden Master-Studierende der Ingenieurwissenschaften ausgebildet. Die Lernfabrik ist außerdem eine Plattform zur Nachrüstung neuer technologischer Features, um deren Verwendbarkeit in Montage- oder Demontagelinien zu entwickeln, zu analysieren und zu validieren. Das Produkt der Lernfabrik ist ein Locher.[5]

Technische Universität München: Lernfabrik für schlanke Produktion (LSP)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das gefertigte Produkt der Lernfabrik für schlanke Produktion ist ein Getriebe mit 24 Varianten. Die Umgebung setzt sich besteht aus der Montage, einem Kaizen-Workshop-Bereich und einem theoretischen Lehrbereich zusammen. Abgebildet werden die Prozesse Logistik, Montage, Qualitätskontrolle und Verpackung. Während der Schulung werden Methoden der schlanken Produktion bis zu einem verschwendungsarmen Zustand angewendet. Wissen wird in Theorie-Vorträgen vermittelt. Jährlich werden vier bis sechs Schulungen angeboten. Das mobile Equipment kann an jeden beliebigen Ort transportiert werden.[5][6]

Ruhr-Universität Bochum: LPS Learning Factory[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Themenschwerpunkte der LPS Lernfabrik sind Lean Production, Industrie 4.0 und Ressourceneffizienz. Sie wurde 2009 gegründet. Auf 1800 m² werden Flaschenverschlüsse und Flaschenkapselhalter hergestellt. Die Produktionsumgebung umfasst verschiedene Werkzeugmaschinen, Lasttransporte, manuelle Montageplätze und verschiedene Industrieroboter. Jedes Jahr besuchen 900 Studierende die Übungen der Lernfabrik. Darüber hinaus finden in der Lernfabrik zahlreiche Forschungsprojekte statt, z. B. ein Industrie 4.0 Reifegradmodell, Assistenz- und Lernsysteme, cyberphysikalische Produktionssysteme und Industrierobotik. Seit 2018 ist die Lernfabrik Teil des KMU 4.0 Kompetenzzentrums Siegen.[5][6][9]

Lernfabriken in Unternehmen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

MPS Lernplattform[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Seit 2011 fertigt die MPS Lernplattform der Daimler AG auf 3000 m² verschiedene Produkte mit Schwerpunkt Lean Production. Dabei werden sowohl Originalkomponenten der Produktion als auch 1:10 Modelle in mehreren Simulationen verwendet. Die Umgebung setzt sich aus einem Presswerk, Karosseriebau, Lackiererei, Montage und Logistik als Teilbereiche der Automobilindustrie zusammen. Die montierten Produkte können nach der Schulung wiederverwendet werden. Die Schulungen werden von qualifizierten Trainern der Daimler AG durchgeführt, die sowohl über didaktisches Hintergrundwissen als auch über langjährige Erfahrung im Produktionsbereich verfügen. Die Ausbildung besteht zu 20 % aus Theorie und 80 % aus Praxis. Mehr als zehn verschiedene Lernmodule werden für die Teilnehmenden angeboten, die wichtige Erkenntnisse für ihre tägliche Arbeit mitnehmen. Die MPS Lernplattform setzt dabei zunehmend auf die Zusammenarbeit mit externen Partnern wie der TU Darmstadt.[6]

Festo Learning Factory Scharnhausen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Festo Lernfabrik in Scharnhausen wird seit 2014 von der Festo AG mit vier verschiedenen Themen betrieben: Mechanische Bearbeitung (1), Ventilmontage (2), Automatisierung und Prozessoptimierung (3), Verwaltung der Lernfabrik (4). Auf 220 m² werden in vier Räumen pneumatische Ventile gefertigt. An 14 verschiedenen Arbeitsplätzen werden über 40 Lernmodule angeboten. Die Teilnehmenden sind ausschließlich unternehmensintern mit Fokus auf die Ausbildung neuer Bediener und die Weiterqualifizierung von bestehender Beschäftigten. Teamleiter oder qualifizierte Spezialisten aus den Teams schulen die Bediener selbst. Dafür wurden 'Train-the-Trainer'-Module entwickelt. Die Schulungen werden kontinuierlich weiterentwickelt. Neue Produkte, neue Prozesse und neue Produktionsanlagen werden integriert.[6]

Übersicht: Beispiele von Lernfabriken[6]
Name Unternehmen Land Product Thema
DFA Demonstration Factory RWTH Aachen Deutschland E-Mobilitätsfahrzeuge Industrie 4.0, Prototypen und Industrialisierung
Die Lernfabrik TU Braunschweig Deutschland Diverse Produkte Nachhaltige Produktion, CPPS, Urban Production
E|Drive-Center Friedrich-Alexander-University Erlangen Nürnberg Deutschland Elektromotoren Produktionstechnologie
ESB Logistics Learning Factory ESB Business School Reutlingen Deutschland City Roller & Zubehör Konzeption, Implementierung, Optimierung und Digitalisierung von teilautomatisierten Montage- und Logistiksystemen
ETA-Factory PTW, TU Darmstadt Deutschland Steuerplatte für Hydraulikpumpe, Getriebe-Wellen-Kombination Energie-Effizienz, Energie-Flexibilität
Festo Learning Factory Scharnhausen Festo AG Deutschland Pneumatische Ventile Arbeitsplatzorientierte Schulungen, Industrie 4.0 und Lean Production
iFactory University of Windsor Kanada Schreibtische, Riemenspanner Integrierte Produkte - Systemlernen, Industrie 4.0
IFA-Learning Factory Leibnitz Universität Hannover Deutschland Helikopter und Komponenten Fabrikplanung, schlanke Produktion, PPS
Integrated Learning Factory Ruhr-University Bochum Deutschland Bohrmaschinen Zusammenarbeit von Produktentwicklung und Produktion
LEAN-Factory Fraunhofer IPK, TU Berlin, ITCL GmbH Deutschland Pharmazeutische Tabletten Lean Management
Learning- and Innovation Factory (LIF) TU Wien Österreich Slotcar Integrierte Produkt- & Prozessplanung, Optimierung von Fertigungs- und Montageabläufen
Learning factory aIE University of Stuttgart Deutschland Schreibtisch-Werkzeugsatz Schlanke Produktion und Qualitätsmanagement
Learning Factory Global Production Karlsruhe Karlsruhe Institute of technology Deutschland Elektrischer Antrieb Schlanke Produktion, Montageplanung, Industrie 4.0
Lernfabrik für Schlanke Production (LSP) TU München Deutschland Zahnräder Schlanke Philosophie, schlanke Montage
LMS Factory University Patras Griechenland Diverse Produkte Training, Bildung
LPS Learning Factory Ruhr-Universität Bochum Deutschland Flaschendeckel, Flaschenkapselhalter, verschiedene Sonderanfertigungen Schlanke Produktion, Industrie 4.0, Ressourceneffizienz, Arbeitnehmerbeteiligung, Arbeit 4.0
MPS Lernplattform Daimler AG Deutschland Diverse Produkte Lean
MTA Sztaki Learning Factory Gyor MTA Sztaki Ungarn Recyclebare Dummy-Werkstücke CPPS Aspekte
Operational Excellence Laboratory Université du Luxembourg Luxemburg Locher Lean Production, Industrie 4.0
Pilot Factory Industrie 4.0 TU Wien Österreich 3D Drucker Fabrik-Virtualisierung, adaptive Fertigung, cyber-physikalische Montage & Logistik
Smart Mini-Factory Free University of Bolzano Italien Pneumatischer Zylinder, Pneumatischer Schlagschrauber Intelligente Fertigungssysteme, Automatisierung
Stellenbosch Learning Factory Stellenbosch University Südafrika O-scale train set Schlanke Abläufe, Ergonomie, Industrie 4.0

Kompetenzorientierte Gestaltung von Lernfabriken[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Lernfabrik-Konzept bietet verschiedenste Potentiale zu bisherigen didaktischen und technischen Ansätzen. Durch das realistische Umfeld motiviert während der Schulung durch anwendbare und praktikable Lösungen. Dies erleichtert die Kompetenzentwicklung und ermöglicht problem-, projekt- oder forschungsbasiertes Lernen. Durch handlungsorientiertes Lernen ergeben sich deutliche Vorteile gegenüber traditionellen Lehrmethoden.[10] Methoden, Innovationen und Technologien lassen sich leichter auf die Wirtschaft übertragen. Durch Lernfabriken werden Methoden in einer realistischen Produktionsumgebung angewendet, ohne dass es zu einem Stillstand der Produktionslinien im eigenen Unternehmen kommt.[11]

Lernfabriken werden auf drei Gestaltungsebenen konzipiert: [6]

  • Auf der Makroebene werden das komplette Ausbildungsprogramm und die physikalische Fabrikumgebung mit den Fabrikelementen gestaltet. Dazu gehört auch die sozio-technische Infrastruktur (Produktionsumgebung, Produktionsprozesse, Produkt und Mitarbeiter). Im Gestaltungsprozess sind Lernziele, Zielgruppen und andere Stakeholder einzubeziehen.
  • Die verschiedenen Lernmodule werden auf der Mesoebene gestaltet. Jedes Lernmodul kann verschiedene Teile der Lernfabrikumgebung nutzen. Der Lernprozess soll in dieser Gestaltungsebene strukturiert werden.
  • Die Mikroebene konzentriert sich auf die Lernszenarien innerhalb eines Lernmoduls. Die Lernszenarien werden in explorative, experimentelle, systematisierende oder reflektierende Teile eingeteilt und bestimmen maßgeblich das Lernszenario. Die Vorbereitung der Schulung selbst sollte in dieser Gestaltungsebene ebenso berücksichtigt werden wie die Unterstützung im Lernprozess, das Lernmaterial, die Lernmedien sowie das Lernprodukt.

Weitere Details zum Gestaltungsprozess von Lernfabriken können in der Dissertation von Michael Tisch mit dem Titel "Modellbasierte Methodik zur kompetenzorientierten Gestaltung von Lernfabriken für die schlanke Produktion" nachgelesen werden.[12]

Grenzen von Lernfabriken[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Allerdings besitzt das Lernfabrik-Konzept auch Grenzen. Planung, Entwicklung, Bau und Betrieb von Lernfabriken erfordern finanzielle und personelle Ressourcen. Lernfabriken benötigen für das Abbilden einer Fabrik ausreichend Fläche. Maschinen, Arbeitsplätze und weitere Fabrikelemente müssen angeschafft und gewartet werden. Die Nachfrage nach entsprechenden Schulungen sollte vorhanden sein. Trainer und Lernfabrik-Betreiber sollten zur Verfügung stehen. Die Nachhaltigkeit sollte durch ein Betreibermodell sichergestellt werden. Darüber hinaus bilden Lernfabriken begrenzte Ausschnitte von Produktionsumgebungen ab. Es werden spezifische Industriebereiche, angesprochene Themen, einzelne Produktionsprozesse, Unternehmensbereiche und Zielgruppen angesprochen. Die Abbildung der Realität ist dementsprechend begrenzt.[11]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b ABELE E, CHRYSSOLOURIS G, SIHN W, METTERNICH J, ELMARAGHY H, SELIGER G, SIVARD G, ELMARAGHY W, HUMMEL V, TISCH M, SEIFERMANN S, CIRP Annals – Manufacturing Technology (ed.), Learning Factories for future-oriented research and education in manufacturing (in German) (66 ed.), pp. 803–826
  2. WAGNER P, PRINZ C, WANNÖFFEL M, KREIMEIER D, 5th CIRP-sponsored Conference on Learning Factories, Procedia CIRP (ed.), Learning Factory for Management, Organization and Workers’ Participation (in German) (32 ed.), pp. 115–119
  3. ABELE E, CIRP Encyclopedia of Production Engineering (ed.), Learning Factor (in German)
  4. ABELE E, METTERNICH J, TISCH M, CHRYSSOLOURIS G, SIHN W, ELMARAGHY H, HUMMEL V, RANZ F, 5th CIRP-sponsored Conference on Learning Factories, Procedia CIRP (ed.), Learning Factories for Research, Education, and Training (in German), pp. 1–6
  5. a b c d e f g h "Webside of the IALF". International Association of Learning Factories. 2019-08-21.
  6. a b c d e f g h i j ABELE E, METTERNICH J & TISCH M, Springer International Publishing (ed.), Learning Factories – Concepts, Guidelines, Best-Practice Examples (in German),
  7. ENKE J, GLASS R, KREß A, HAMBACH J, TISCH M, METTERNICH J (2018), Procedia Manufacturing (ed.), Industrie 4.0 – Competencies for a modern production system: A curriculum for Learning Factories (in German), pp. 276-272
  8. SIHN W, GERHARD D, BLEICHER F (2012), Sihn W, Jäger A (Eds.). 2n Conference on Learning Factories—Competitive Production in Europe Through Education and Training (ed.), Vision and Implementation of the Learning and Innovation Factory of the Vienna University of Technology (in German), pp. 160–177
  9. KREIMEIER D, PRINZ C, MORLOCK F (2012), Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZWF) (ed.), Lernfabriken in Deutschland: Praktisches Lernen in einer Fertigungsumgebung zur Schulung von Ganzheitlichen Produktionssystemen (in German), pp. 724–727
  10. CACHAY J, WENNEMER J, ABELE E, TENBERG R (2012), Procedia—Social and Behavioral Sciences (ed.), Study on Action-Oriented Learning with a Learning Factory Approach (in German), pp. 1144–1153
  11. a b TISCH M, METTERNICH J (2017), Procedia Manufacturing (ed.), Potentials and limits of learning factories in research, innovation transfer, education, and training (in German), pp. 1355–1375
  12. Tisch M (2018), Modellbasierte Methodik zur kompetenzorientierten Gestaltung von Lernfabriken für die schlanke Produktion (in German), Shaker Verlag, ISBN 978-3-8440-5824-6