Lernfabrik

Begriff, Zweck und Merkmale

Eine Lernfabrik ist eine realistische Produktionsumgebung für berufliche Weiterbildung, Lehre und Forschung. Ihr übergeordnetes Ziel ist, Kompetenzen durch praktische Erfahrungen zu entwickeln oder Innovationen hervorzubringen. Lernende arbeiten aktiv in einer Umgebung, die wesentliche Merkmale einer echten Fabrik nachbildet.

Nach der Definition der Internationalen Akademie für Produktionstechnik (CIRP) besitzt eine Lernfabrik vier zentrale Merkmale:

• Ihre authentischen Prozesse umfassen mehrere Stationen sowie technische und organisatorische Aspekte.
• Die veränderbare Umgebung entspricht einer realen Wertschöpfungskette, also der Abfolge von Tätigkeiten, durch die ein Produkt entsteht.
• Es wird ein physisches Produkt hergestellt.
• Ein didaktisches Konzept ermöglicht formelles, informelles und nicht-formelles Lernen vor Ort durch die aktive Beteiligung der Lernenden.

Der Primärzweck ist das Lernen durch Lehre, Weiterbildung und/oder Forschung. Ein nachhaltiges Betreibermodell soll den langfristigen Betrieb sichern. Von einer Modellfabrik unterscheidet sich eine Lernfabrik vor allem durch ihr didaktisches Konzept und ihr Betreibermodell für die Ausbildung. In Österreich werden vergleichbare, an Lern- und Modellfabriken angelehnte Produktionsumgebungen als Pilotfabriken bezeichnet.

Entwicklung und Verbreitung

Der Begriff „Lernfabrik“ wurde erstmals 1994 in den USA geprägt. Damals förderte die National Science Foundation ein Konsortium der Pennsylvania State University. Auf einer 2000 m² großen Anlage bearbeiteten Lernende industrienahe Projekte mit Maschinen, Werkzeugen und Materialien und lösten reale Industrieprobleme in einer realistischen Umgebung. Das Programm erhielt 2006 den Gordon-Preis der National Academy of Engineering für Innovation in der Ingenieurausbildung.

In Europa entstanden später zahlreiche Lernfabriken. Zu den frühen Einrichtungen dieser Entwicklung gehört das 2007 gegründete „Center für industrielle Produktion“ des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen der TU Darmstadt. Während der ersten Conference on Learning Factories in Darmstadt wurde 2011 die Initiative „Europäische Lernfabriken“ gegründet. Aus ihr entwickelte sich eine langfristige europäische Zusammenarbeit. 2017 öffnete sich die Initiative für Einrichtungen weltweit und benannte sich in „International Association of Learning Factories“ um.

Heute betreiben Forschungsinstitute, Hochschulen und Industrieunternehmen Lernfabriken. Ihre Themen reichen von schlanker Produktion und Ressourceneffizienz über Ergonomie und Qualitätsmanagement bis zu Industrie 4.0, Digitalisierung, Künstlicher Intelligenz und cyber-physischen Produktionssystemen.

Akademische Lernfabriken

Akademische Lernfabriken verbinden die Ausbildung von Studierenden mit Forschung, Demonstration und dem Wissenstransfer in Unternehmen. Die Anlagen unterscheiden sich in Größe, Produkten und fachlichen Schwerpunkten.

Die 2007 gemeinsam mit McKinsey gegründete Prozesslernfabrik CiP der TU Darmstadt vermittelt auf etwa 500 m² Kompetenzen in Lean Production, also der möglichst verschwendungsarmen Produktion, und Industrie 4.0. An einem Pneumatikzylinder in acht Varianten oder mit kundenindividuellen Abmessungen werden Fertigung, Qualitätskontrolle, Montage, Verpackung und indirekte Prozesse dargestellt. Die Umgebung kann Zustände von einer verschwendungsreichen bis zu einer schlanken, digitalen Produktion abbilden. Ihre 15 Lernmodule gliedern sich in Lean-Basics, Lean-Kernelemente und Lean Thinking; praktische Anwendungen wechseln sich mit Fachvorträgen ab. Eingesetzt werden unter anderem Rückverfolgbarkeit, Assistenzsysteme, digitales Shopfloor Management, vorbeugende Instandhaltung, Milk Run 4.0 und fahrerlose Transportsysteme.

Die Pilotfabrik der TU Wien konzentriert sich auf Industrie 4.0. Auf 900 m² wird ein nach Kundenwunsch konfigurierbarer 3D-Drucker produziert. Untersucht werden anpassungsfähige Prozesse und Layouts, Mensch-Maschine-Interaktion und Datenanalysen zur Verbesserung der Transparenz und Optimierung. Ein fahrerloses Transportsystem verbindet Fertigung und Montage; kollaborative Roboter, Assistenzsysteme, Sensorik und Bildverarbeitung unterstützen die Beschäftigten.

Weitere Einrichtungen zeigen die Vielfalt des Konzepts. Die 2009 gegründete LPS Learning Factory der Ruhr-Universität Bochum behandelt auf 1800 m² Lean Production, Industrie 4.0 und Ressourceneffizienz; jährlich nehmen 900 Studierende an ihren Übungen teil. Das Werk150 der Hochschule Reutlingen bildet eine vollständige industrielle Wertschöpfungskette ab und verbindet seine reale Fabrik mit einem digitalen Abbild. Dadurch lassen sich Produkte und Produktionsprozesse virtuell planen, simulieren und digital steuern sowie Aufträge, Werkstücke und Ressourcen in Echtzeit überwachen.

Das Zentrum Industrie 4.0 der Universität Potsdam kombiniert virtuelle und reale Produktionskomponenten. Flexible Maschinendemonstratoren, Werkstückträger und Transportsysteme können einzelne Schritte oder vollständige Wertschöpfungsketten simulieren; auch IoT-Technologien wie AR- oder MR-Brillen und reale Roboter lassen sich einbinden. Das etwa 110 m² große P2O-Lab der TU Dresden untersucht dagegen Modularisierung, Digitalisierung und Künstliche Intelligenz in der Prozessindustrie. Seine zentrale Fragestellung ist, wie aus einer Produktbestellung ein geeigneter Prozess aus vorhandenen Anlagenmodulen abgeleitet, bewertet und umgesetzt werden kann.

Andere Beispiele sind die iFactory der University of Windsor mit modularer, rekonfigurierbarer Technik und RFID-gestützter Prozessverfolgung, das Operational Excellence Laboratory der Université du Luxembourg mit einem Locher als Produkt sowie RFID, Augmented Reality und digitalen Handbüchern, die Stellenbosch Learning Factory mit Lean Production, Ergonomie und Industrie 4.0 sowie das LEAN LAB der Fachhochschule Aachen, das Spielzeug-LKW in etwa 1400 Varianten herstellt. In den Schulungsrunden des LEAN LAB werden Produktionsergebnisse jeweils analysiert und verbessert, um eine verschwendungsarme Produktion zu erreichen.

Lernfabriken in Unternehmen

Unternehmensinterne Lernfabriken richten ihre Inhalte besonders eng an den betrieblichen Aufgaben und der Weiterbildung der Beschäftigten aus.

Die MPS Lernplattform der Daimler AG fertigt seit 2011 auf 3000 m² verschiedene Produkte mit dem Schwerpunkt Lean Production. Sie bildet mit Presswerk, Karosseriebau, Lackiererei, Montage und Logistik wichtige Bereiche der Automobilindustrie ab. Dabei werden Originalkomponenten und Modelle im Maßstab 1:10 verwendet; die montierten Produkte können nach der Schulung wiederverwendet werden. Qualifizierte Trainer der Daimler AG verbinden didaktisches Wissen mit langjähriger Produktionserfahrung. Die Ausbildung besteht zu 20 % aus Theorie und zu 80 % aus Praxis und umfasst mehr als zehn Lernmodule. Die Plattform arbeitet zunehmend mit externen Partnern wie der TU Darmstadt zusammen.

Die Festo Learning Factory Scharnhausen wird seit 2014 betrieben. Auf 220 m² werden in vier Räumen und an 14 Arbeitsplätzen pneumatische Ventile gefertigt. Ihre vier Themenfelder sind mechanische Bearbeitung, Ventilmontage, Automatisierung und Prozessoptimierung sowie die Verwaltung der Lernfabrik. Mehr als 40 Lernmodule richten sich ausschließlich an Unternehmensangehörige, insbesondere an neue Bediener und Beschäftigte, die sich weiterqualifizieren. Teamleiter oder qualifizierte Spezialisten übernehmen die Schulungen; dafür wurden „Train-the-Trainer“-Module entwickelt. Neue Produkte, Prozesse und Produktionsanlagen werden fortlaufend in die Schulungen integriert.

Didaktische Gestaltung und Grenzen

Lernfabriken fördern handlungsorientiertes Lernen: Wissen wird nicht nur erklärt, sondern in realistischen Aufgaben praktisch angewendet. Das kann problem-, projekt- oder forschungsbasiertes Lernen unterstützen und die Lernenden durch anwendbare Lösungen motivieren. Methoden, Innovationen und Technologien lassen sich unter realitätsnahen Bedingungen erproben und anschließend leichter in die Wirtschaft übertragen. Unternehmen können neue Arbeitsweisen trainieren, ohne ihre eigenen Produktionslinien dafür stillzulegen.

Die kompetenzorientierte Gestaltung erfolgt auf drei Ebenen:

• Auf der Makroebene werden das gesamte Ausbildungsprogramm und die physische Fabrikumgebung gestaltet. Zur sozio-technischen Infrastruktur gehören Produktionsumgebung, Produktionsprozesse, Produkt und Mitarbeiter. Lernziele, Zielgruppen und weitere Beteiligte müssen einbezogen werden.
• Auf der Mesoebene entstehen die einzelnen Lernmodule. Sie können unterschiedliche Teile der Lernfabrik nutzen und strukturieren den Lernprozess.
• Die Mikroebene umfasst konkrete Lernszenarien innerhalb eines Moduls. Diese können explorativ, experimentell, systematisierend oder reflektierend sein. Zu berücksichtigen sind außerdem die Vorbereitung der Schulung, die Unterstützung während des Lernens sowie Lernmaterialien, Lernmedien und das Lernprodukt.

Dem Nutzen stehen klare Grenzen gegenüber. Planung, Entwicklung, Bau und Betrieb benötigen erhebliche finanzielle und personelle Ressourcen sowie ausreichend Fläche. Maschinen, Arbeitsplätze und weitere Fabrikelemente müssen beschafft und gewartet werden. Außerdem müssen genügend Nachfrage, qualifizierte Trainer und Betreiber vorhanden sein. Ein tragfähiges Betreibermodell ist nötig, um die Einrichtung dauerhaft zu erhalten.

Keine Lernfabrik kann eine vollständige reale Produktion abbilden. Sie zeigt immer nur begrenzte Ausschnitte, etwa bestimmte Industriebereiche, Themen, Prozesse, Unternehmensbereiche oder Zielgruppen. Deshalb bleibt auch die Übertragung der industriellen Realität in die Lernumgebung begrenzt.