Erschienen am: 08.02.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 1+2 2018

Werkzeugmaschine für didaktische Einsätze

Der Azubi und die CNC

Um als Maschinenbauer erfolgreich zu sein, braucht man spezifisches Know-how und moderne Technik - und die richtigen Mitarbeiter. Doch diese sind bedingt durch den Fachkräftemangel immer schwerer zu finden. Ein Ansatz, dieser Herausforderung zu begegnen, ist die Qualifizierung eigener Nachwuchskräfte. Der Werkzeugmaschinenhersteller Heller geht diesen Weg mit einer eigenen Lehr- und Lernfabrik am Stammsitz in Nürtingen: Dort werden junge Menschen über die klassische Berufsausbildung hinaus qualifiziert. Zentrales Instrument dabei ist eine speziell für didaktische Zwecke entwickelte Werkzeugmaschine.


Für die Auszubildenden in der Lehr- und Lernfabrik von Heller ist die Bildungsmaschine ProfiTrainer Aufgabe und Lösung zugleich.
Bild: Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH

Im Jahr 1894 gegründet, kann der mittelständische Maschinenbauer Heller auf eine lange Historie in der Entwicklung und Produktion von Werkzeugmaschinen zurückblicken. Mit rund 2.500 Mitarbeitern und Produktionsstandorten in Europa, Amerika und Asien bedient das Unternehmen heute anspruchsvolle Branchen wie den Automobil-, den Maschinenbau und die Luftfahrtindustrie.

Löcher in Metall

"An sich machen unsere Maschinen nichts anderes als Löcher in Metall", sagt Dipl.-Ing. Werner Kirsten mit einem Augenzwinkern. "In der Praxis bedienen wir damit den Anspruch unserer Kunden nach Produktivität - darum geht es seit jeher bei Heller." Entsprechend sei das Maschinenangebot immer auf hohe Verfügbarkeit und eine große Betriebsstundenanzahl ausgelegt. Intern legt das Unternehmen einen Schwerpunkt auf umfangreiche Wertschöpfung und firmeneigenes Know-how. "Selbst wenn wir nicht nicht alles selbst machen können und auch Teile zukaufen, verfolgen wir den Ansatz, in allen technologischen Disziplinen genau zu verstehen, wo Produktivität entsteht und mit welchen Faktoren sie sich beeinflussen lässt", so Kirsten weiter. Der studierte Maschinenbauer ist seit 2002 bei Heller tätig und dort heute u.a. verantwortlich für die Themen Bildungsmaschine und Didaktik.

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Lehr- und Lernfabrik

In dieser Funktion ist er auch Leiter der unternehmenseigenen Lehr- und Lernfabrik am Stammsitz in Nürtingen. Von den weltweit rund 200 jungen Menschen in dualer Qualifizierung, werden dort gut 120 ausgebildet - u.a. in den Lehrberufen Mechatroniker, Industrie- und Zerspanungsmechaniker oder Elektroniker für Automatisierungstechnik sowie in dualen Studiengängen wie Informatik, Mechatronik oder Maschinenbau. "Wir müssen unsere Nachwuchskräfte für den sicheren und routinierten Umgang mit den eigenen Werkzeugmaschinen qualifizieren", erklärt Kirsten. Die Herausforderung bestehe heute aber darin, nicht nur klassisch qualifizierte Fachkräfte auf den Berufsweg zu bringen, sondern sie auch mit zeitgemäßer Handlungsorientierung, Lösungsdenke und Sozialkompetenz auszurüsten. "Das machen wir, indem wir Mensch und Maschine während der Ausbildung in unserer Juniorfirma ganz nah zusammenbringen." Konkret sollen Auszubildende alle Prozesse rund um die Werkzeugmaschine hautnah erleben: Von Entwicklung und Beschaffung über Produktion und Montage bis hin zur Anwendung.

Ausbildung am Puls der Zeit

Grund für den großen Aufwand ist auch, dass die IHK-Ausbildung zwar unerlässlich für die Vermittlung von Basiskompetenzen ist. Doch wo ist der Gestaltungsspielraum, moderne Anforderungen der industriellen Berufspraxis zu vermitteln - insbesondere die junge Generation auf die Anforderungen von Industrie 4.0 vorzubereiten? Deswegen fährt Heller zweigleisig: Zum einen durchlaufen die Azubis klassischen Schulunterricht und die Prüfungen der Lehrberufe. Zum anderen bringt das Unternehmen den Nachwuchskräften in der eigenen Lehr- und Lernfabrik ganz praxisorientiert heute benötigte Fähigkeiten bei und erklärt die modernen Branchenanforderungen sowie Technologietrends.

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Werkzeug und Werkstück zugleich

Der Fokus in der Experimentalfirma liegt auf dem Bau einer Werkzeugmaschine unter realen Bedingungen - dem sogenannten ProfiTrainer. Dabei handelt es sich um die verkleinerte Ausgabe einer CNC-gesteuerten Maschine. In der Heller-Lernfabrik ist sie sowohl die umzusetzende Aufgabe für die Azubis als auch das Werkzeug zur Lösung. Das originalgetreue und voll funktionsfähige Modell ist exakt einer echten Werkzeugmaschine nachempfunden - inklusive Antriebstechnik, Sensorik, Sicherheitstechnik, Kommunikation über Profibus bzw. Profinet sowie Steuerschrank, Bedieneinheit und Schutzgehäuse. Es werden bei der verbauten Automatisierungs- und Antriebstechnik quasi keine Abstriche gemacht und so können die Auszubildenden auf dem ProfiTrainer auch wirklich Bauteile fräsen.

Funktionsspektrum und Leistung

Die Maschine ist nach dem Baukastenprinzip gestaltet und bietet viele Erweiterungsmöglichkeiten. Die Basisversion erlaubt 200mm Hub in drei Achsen und eine Geschwindigkeit bis 15m/min. Zur Ausstattung gehört eine Multifunktionsspindel, die von einem kompakten Servomotor mit 9.000U/min und 2,75Nm angetrieben wird. Bei identischer Spindellagerung können drei verschiedene Einsätze zur Werkzeugaufnahme verbaut werden. Die Steuerung und Servoantriebstechnik des ProfiTrainers verlangt von den Auszubildenden Know-how und Übung - beides wichtige Teile der Ausbildung. Mit diesem Konzept und den genannten Leistungsdaten lassen sich alle Abläufe und Zusammenhänge von der Entwicklung über die Produktion und Montage bis hin zur Auslieferung praxisrelevant schulen und umsetzen. Bedeutsame Aspekte sind auch die Simulation und Behebung von Fehlern - seien sie mechanisch, steuerungs- oder sicherheitstechnisch. Dafür sind - im Gegensatz zu einer echten CNC-Maschine - alle Bestandteile des ProfiTrainers schnell und ohne großen Aufwand zugänglich. Zudem ist das Gerät als Bildungsmaschine so aufgebaut, dass man alle Funktionen gut erklären und nachvollziehen kann.

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Formel 1 und Go-Kart

Die Auszubildenden arbeiten nicht nur mit dem ProfiTrainer, die Trainingsmaschinen selbst entstehen in der Lernfabrik auch komplett aus Azubi-Hand. Alle Teile werden von Azubis entwickelt, produziert und montiert und jede Nachwuchskraft ist im Rahmen ihrer Ausbildung an deren Entstehung beteiligt. Gerade über diesen Prozess werden die jungen Mitarbeiter an den Aufbau, aber auch die Bedienung und Programmierung von Werkzeugmaschinen herangeführt. "Der ProfiTrainer ist also das Endprodukt unseres Qualifizierungsprozesses", bringt es Werner Kirsten auf den Punkt. "Wenn die Heller-Maschine das Formel 1-Auto unter den Werkzeugmaschinen ist, dann ist der ProfiTrainer sozusagen das Go-Kart, mit dem man den Nachwuchs auf die echten Rennen vorbereitet."

Kraftpaket für das Spannen und Lösen

In der Trainings-CNC kommen ausschließlich industrietaugliche Komponenten zum Einsatz. Dazu gehört auch ein Antriebssystem aus dem Hause Faulhaber, das für das elektromechanische Spannen und Lösen der jeweilige Werkzeuge mit der Spannzange verantwortlich ist (siehe Kasten). Dafür stellt es eine Kraft von rund 1kN zur Verfügung. Dadurch ist das Risiko schwerer Verletzungen beim ProfiTrainer ausgeschlossen, im Gegensatz zu echten CNC-Spannsystemen, die Kräfte zwischen 22 bis 60kN erreichen. Damit der ProfiTrainer auch ohne entsprechende Industrieanschlüsse einsetzbar ist, lässt er sich über einen Standard-230V-Anschluss mit Energie versorgen. Zudem wird auf Pneumatik und Hydraulik verzichtet. "Dem Trend hin zur Elektromechanik wird sich die Werkzeugmaschinenindustrie in Zukunft immer öfter stellen müssen", blickt Kirsten voraus. "Unsere Azubis haben diesen Technologiewandel im ProfiTrainer bereits umgesetzt."

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Lernaspekt im Vordergrund

Bei Heller lernen Auszubildende - Stichwort Lösungskompetenz - auch die gesamten Anforderungen rund um die Montage herum kennen: Prozesse bei Wareneingang, Intralogistik und Lagerhaltung, notwendige Änderungen der Stücklisten, EMV-Prüfung, CE-Dokumentation, Risikobeurteilung, und, und, und. "So vermitteln wir unseren Nachwuchskräften Berufspraxis am lebenden Objekt", betont Kirsten. Ursprünglich lag die geplante Stückzahl an ProfiTrainern bei zehn Maschinen pro Jahr. "Das ließe sich heute - verteilt über unsere Standorte - theoretisch beliebig skalieren", fährt Kirsten fort. Dennoch vertreibt Heller die Lehrmaschine aktuell nicht aktiv. "Unser mittelfristiges Ziel ist es, dass jeder Auszubildende während seiner Lehre in Summe einen ProfiTrainer zusammenbaut." So könne man am besten sicherstellen, dass fachbereichsübergreifend alle Themen rund um moderne Werkzeugmaschinen vermittelt wurden. Bedingung sei aber, dass man die wachsende Zahl der Maschinen mitsamt des passenden didaktischen Konzepts auch vertreiben kann. Stand heute ist das hauseigene Trainingszentrum von Heller Academy, in dem jährlich rund 1.800 Kunden und Anwender in den Bereichen Bedienung, Programmierung oder Instandhaltung geschult werden, der größte Abnehmer der Bildungsmaschinen. "Wir haben aber auch Partner, die den ProfiTrainer als Entwicklungsprototypen oder für Ausbildungs- oder Qualifizierungszwecke nutzen", erklärt Kirsten. Insgesamt stehe jedoch ganz klar der Lernaspekt im Vordergrund.

Simulation und Miniaturisierung

Das Projekt der Ausbildungs-CNC an sich ist zwar fertig, in der Lehr- und Lernfabrik sorgt Werner Kirsten aber immer wieder für entsprechende Anschlussprojekte. So hat der Fachkräftenachwuchs im Sinne moderner Simulationsmöglichkeiten u.a. auch schon einen virtuellen Zwilling der Maschine erstellt. Weiterhin ist unter dem Namen MYO (Make Your Own) ein funktionales CNC-Baukastensystem entstanden. Es ist für Qualifizierung und Ausbildung abseits von Produktionsumgebungen konzipiert. Mechanik, Antriebstechnik und Schalttechnik sorgen dabei für die fünfachsige Grundfunktionalität, die Kopplung ans Smartphone ist möglich.

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In der Hand des Nachwuchses

Durch neue Ansätze und Projekte wie die genannten Beispiele will Heller das Ausbildungsspektrum in der Lehr- und Lernfabrik kontinuierlich erweitern. So erleben und gestalten Nachwuchskräfte im Unternehmen immer umfassender die große Prozesswelt des Maschinenbaus. Langfristiges Ziel sei eine intelligente Fabrik, ausgelegt auf Wandlungsfähigkeit, Ressourceneffizienz, ergonomische Gestaltung sowie enge Zusammenarbeit mit Kunden und Partnern. "Meine Aufgabe ist es eigentlich nur, immer wieder kritische Fragen zu stellen", resümiert Kirsten. "Alles andere liegt in den Händen der Auszubildenden." (mby)

Das verbaute Antriebssystem von Faulhaber

Für den im ProfiTrainer eingesetzten Faulhaber-Antrieb werden Hammerbürsten aus Metallgraphit und mehrteilige Kupferkommutatoren verwendet. So erzielen diese Motoren mit großer Leistung auch bei extremer Belastung hohe Lebensdauerwerte. Die Motoren mit Graphitbürsten sind erhältlich von 13 bis 38mm Durchmesser. Sie werden werden ergänzt durch eine umfangreiche Auswahl an Standardkomponenten wie hochauflösende Encoder, Präzisionsgetriebe und Steuerungen. Zudem ist Faulhaber spezialisiert auf die Modifikation der Antriebe für die besonderen Anforderungen der jeweiligen Kundenapplikationen. Zu den gängigen Anpassungen zählen Vakuumtauglichkeit, Erweiterungen des Temperaturbereichs, modifizierte Wellen, zusätzliche Spannungstypen oder kundenspezifische Anschlüsse und Stecker. Einsatzgebiete finden sich in Automatisierung und Robotik, in der Luft- und Raumfahrt, in optischen Systeme sowie in der Medizin oder Labortechnik. Als Anbieter von hochpräzisen Miniatur- und Mikroantriebssystemen ist das Unternehmen Faulhaber weltweit tätig.

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