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Ausbildungspraxis mit automatisiertem 3D-Druck

Die University of Wisconsin-Madison ist für ihr umfassendes Bildungsangebot als topgerankte Forschungsuniversität bekannt. Im Fachbereich Maschinenbau werden einige der besten Ingenieure ausgebildet. Im Herbst 2015 wurde die Chance genutzt, das Curriculum um praktische Anwendungsgebiete zu erweitern. Dazu wurden die Laboratorien mit hochmodernen 3D-Druckern und innovativer Automatisierungstechnologie von B&R ausgestattet.

Maschinenbauer benötigen umfangreiches Wissen und breit gefächerte Fähigkeiten. Ihre Arbeit ist besonders vielfältig, denn die Anwendungsgebiete reichen von Flugzeugtriebwerken bis hin zu Medizingeräten. Aus diesem Grund ist es nicht verwunderlich, dass die Grundlagen der Fertigungstechnik so facettenreich sind. Zu den behandelten Themen zählen unter anderem CNC, Steuertheorie, Bewegungssteuerung, Automatisierung und programmierbare Steuerungstechnik sowie Messtechnik und technische Betriebswirtschaft.

Der Kurs hat schon immer ein breites Spektrum behandelt. In der Vergangenheit wurde jedes Konzept einzeln in einem eigenen Labor besprochen, wodurch die vollständigen Wechselwirkungen und Zusammenhänge in der Praxis manchmal schwierig zu verstehen waren.

Die Fakultät für Maschinenbau nutzte deshalb die hohe Zahl an Studenten im 1. Semester, um den Kurs auf eine Art und Weise umzustrukturieren, die den Studenten Maschinenbaukonzepte praxisnah vermitteln sollte. Der neu gestaltete Kurs des Studiengangs beinhaltet auch die additive Herstellung. Die Laborübungen werden in einer einzigen Anlage durchgeführt, die für experimentelle Zwecke eine 3D-Druckerplattform umfasst.

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Mithilfe eines Power Panels von B&R und des flexiblen X20-I/O-Systems, das Steuerungs-, Visualisierungs und Bewegungssteuerungstechnologie in einem einzigen System vereint, können die Studenten die Maschinenlogik, CNC-Bewegungssteuerung sowie fortschrittliche Temperaturregelungsfunktionen umsetzen und über eine hochmoderne Touchscreen-HMI-Schnittstelle mit der Maschine interagieren.

Verringerte Entwicklungszeit und Komplexität

Die Fakultät für Maschinenbau hat jede Werkbank im Labor mit einem eigenen 3D-Drucker auf Grundlage von FDM-Technologie (Fused Deposition Modelling) ausgestattet. Auf den 3D-Druckern wird hochentwickelte Software zur industriellen Automatisierung ausgeführt. Als Erick Oberstar, Associate Faculty & Mechatronics Lab Manager, das Potenzial für eine weitere Verbesserung des Studiengangs durch die Implementierung neuer Automatisierungstechnologie erkannte, wandte er sich an B&R. Eine enge Partnerschaft besteht bereits seit 2010 und die University of Wisconsin-Madison hat im Mechatroniklabor schon Lösungen von B&R eingesetzt, damit Studenten Zugang zu modernen Automatisierungsanlagen und -verfahren erhalten. B&R ist durch die Möglichkeit zur Bereitstellung von CNC-Steuerungen sowie allgemeinen Maschinensteuerungen innerhalb eines einzigen Systems von B&R der ideale Partner für die Anforderungen der Universität. "Durch den umfangreichen Hardware- und Software-Support von B&R konnten wir das neue Laborformat einfach und problemlos entwickeln und umsetzen", so Oberstar.

Durch die Implementierung von B&R-Lösungen konnte im Labor mit weniger Ressourcen mehr erreicht werden. Die Umstellung aller bestehenden Maschinen auf eine neue Anlage für die additive Herstellung mit vollständig neuer Hardware und einer kompletten Softwarelösung hätte durchaus einer Herkulesaufgabe gleichkommen können. mapp Technology (= eine Anwendersoftware bei der modulare Softwarebausteine die Entwicklungszeit für neue Maschinen und Anlagen deutlich senken) und CNC-Bibliotheken von B&R vereinfachten die Programmentwicklung. Standardisierte G-Code-Befehle waren bereits in die mapp-Komponenten integriert, was die Entwicklungszeit verkürzte. Dadurch konnte größeres Augenmerk auf die Konfiguration der mapp-Bibliothek und die Nutzung der eigenen Sensoren und Stellglieder gerichtet werden. "Die Softwareentwicklung und die Entwicklungsarbeit selbst erfolgen sehr schnell", so Oberstar. "Wir begannen mit der aktiven Implementierung am Ende des Wintersemesters und beendeten diese zur Mitte des Frühjahrssemesters."

In den Laboren für Mechatronik ist die Automatisierungssteuerung mit den 3D-Druckern integriert, damit die Studenten unter realen Bedingungen mit der Hardware arbeiten können. In der Softwareumgebung Automation Studio können die Studenten programmieren und auf den selben Maschinen, auf denen sie programmieren, auch tatsächlich Teile fertigen. Im Rahmen des Engagements für die Ausbildung auf der Grundlage von Anwendungen aus der Praxis entsendet B&R zudem in jedem Semester einen Automationsexperten in das Mechatroniklabor, der den aktuellen Markt für Industrieautomation und derzeitige Technologietrends, die Beschäftigungssituation und die Branche in Bezug auf die Maschinensteuerung bespricht.

Eine enge Partnerschaft besteht bereits seit 2010 und die University of Wisconsin-Madison setzt im Mechatroniklabor Lösungen von B&R ein, damit Studenten Zugang zu hochmodernen Automatisierungsanlagen und -verfahren erhalten.

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Flexible All-in-One-Lösung für die Steuerung

Mithilfe eines Power Panels von B&R und des flexiblen X20-I/O-Systems, das Steuerungs-, Visualisierungs- und Bewegungssteuerungstechnologie in einem einzigen System vereint, können die Studenten die Maschinenlogik, CNC-Bewegungssteuerung sowie fortschrittliche Temperaturregelungsfunktionen umsetzen und über eine hochmoderne Touchscreen-HMI-Schnittstelle mit der Maschine interagieren. Ein zentrales System für alle wichtigen Steuerungsfunktionen ist für die Laborumgebung ideal – wo den Studenten innerhalb weniger Monate vielfältige Studieninhalte vermittelt werden müssen.

Die Studenten sind mit dem neu gestalteten Labor sehr zufrieden. Das 3D-Druckersystem ist so erfolgreich, dass die Fakultät für Maschinenbau die Einführung neuer medizinischer Laboranwendungen auf der Grundlage von B&R-Automatisierungstechnologie für 2016 plant. "Die Wirkung auf Hunderte Studenten ist groß", erklärt Oberstar, "und wir möchten den Studiengang durch zusätzliche praktische Anwendungsbereiche und eine umfassende Vorstellung der Konzepte weiterhin aufwerten, indem wir unsere Automatisierungsprojekte im Maschinenbau mit den Steuerungslösungen von B&R verbinden."

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