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Das von der Carl-Zeiss-Stiftung gef\u00f6rderte Innovationslabor Digitalisierung (INNODIG) [2] ist ein Makerspace am Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier und aktiv in die Hochschullehre eingebunden. Der Makerspace wird interdisziplin\u00e4r durch die Fachrichtungen Informatik, Verfahrenstechnik und Maschinenbau betrieben und ist eine Anlaufstelle innerhalb der Hochschule f\u00fcr Studierende, Firmen und Interessierte.<\/p>\n\n
Von der Herstellung leicht verst\u00e4ndlicher oder abstrahierter Exponate und Demonstratoren bis hin zu komplexen Prototypen von Bioreaktoren [3], das Innovationslabor Digitalisierung und die angegliederten Fachlabore der Hochschule stellen hierzu alle notwendigen Werkzeuge und ein breit gef\u00e4chertes Fachwissen bereit. Beispielsweise entstanden Modelle von Studierenden zur Veranschaulichung verschiedener Themengebiete aus dem Bereich der erneuerbaren Energien, f\u00fcr deren Herstellung das gesamte Spektrum des Labors zum Einsatz kam: Adressierbare Leuchtdioden (LED) mussten \u00fcber Mikrocontroller passend zu Reglereingaben gesteuert, Holzgeh\u00e4use zugeschnitten und Kunststoffbauteile gedruckt werden.<\/p>\n\n
Die entwickelten Prototypen und Demonstratoren haben neben dem Lerneffekt auch die Aufgabe, Wissen aus der Hochschule in die Gesellschaft zu tragen und komplexe Bildungsinhalte leicht verst\u00e4ndlich und spielerisch zu vermitteln. Zudem wird im INNODIG an Forschungsprojekten gearbeitet, in denen beispielsweise Fragestellungen zum Einsatz von K\u00fcnstlicher Intelligenz in der additiven Fertigung untersucht werden [4].<\/p>\n\n
Makerspaces sind heute auch in Forschungs- und Entwicklungsabteilungen der Industrie zu finden. Angesichts der zentralen Herausforderungen in der Fertigungstechnik [5] bieten sie ein gutes Umfeld zur Schulung und Weiterbildung von Mitarbeitenden. Individuelle Projekte machen Themen wie moderne Fertigungsverfahren, das Internet der Dinge und K\u00fcnstliche Intelligenz anfassbar, verkn\u00fcpfen Theorie und Praxis und wecken Begeisterung f\u00fcr neue Technologien. Zudem wird durch die Entwicklung neuer Produkte und Dienstleistungen in interdisziplin\u00e4ren Teams die Kreativit\u00e4t gef\u00f6rdert. Makerspaces k\u00f6nnen nicht nur zur Entwicklung von neuen Produkten genutzt werden, sondern auch zur Reparatur von bestehenden Produkten.<\/p>\n\n
M\u00f6glichkeiten im Makerspace<\/h2>\n\n
Der 3D-Druck, auch als additive oder generative Fertigung bekannt, bietet bei der Umsetzung von Projektideen sehr viele Gestaltungsfreiheiten. 3D-Drucker erzeugen Bauteile unmittelbar aus einer 3D-Geometrie, die sowohl mittels professioneller CAD-Software als auch mit einfach zu erlernenden Programmen [6], den eigenen Vorstellungen entsprechend, erzeugt werden kann.<\/p>\n\n
Dabei steht ein breites Spektrum an Kunststoffmaterialien und Druckprozessen zur Verf\u00fcgung, mit denen nicht nur Anschauungsmodelle, sondern auch mechanisch funktionelle Prototypen erstellt werden k\u00f6nnen. Der 3D-Druck bietet die M\u00f6glichkeit, Prototypen von Einzelst\u00fccken oder Kleinserien kosteng\u00fcnstig herzustellen und iterativ zu verbessern. Durch den Einsatz von 3D-Druckern k\u00f6nnen komplexe Formen und Strukturen f\u00fcr eine Vielzahl von Anwendungen hergestellt werden. Deren Bedienung kann unter Anleitung vergleichsweise schnell erlernt werden, wohingegen traditionelle Fertigungsmethoden h\u00e4ufig eine mehrj\u00e4hrige Ausbildung ben\u00f6tigen.<\/p>\n\n
Neben der additiven Fertigung ist die Elektronik ein weiterer Teilbereich des Makerspaces. Das elektrotechnische Verst\u00e4ndnis ist eine essenzielle F\u00e4higkeit, um eigene Schaltungsideen zu verwirklichen oder defekte Schaltkreise zu reparieren. Mithilfe von Simulationssoftware und Steckbrettern sind diese Projekte schnell aufgebaut und getestet, aber f\u00fcr einen dauerhaften Einsatz ungeeignet. Daher ist die Herstellung von eigenen Platinen ein weiterer Aspekt des Makerspaces. Traditionell werden die elektronischen Komponenten auf Lochrasterplatinen platziert und verl\u00f6tet. L\u00f6ten erfordert Geschicklichkeit und Erfahrung, um die Verbindungen korrekt herzustellen und die Komponenten vor Sch\u00e4den zu sch\u00fctzen.<\/p>\n\n
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Des Weiteren ist man bez\u00fcglich der Platzierung der Bauteile auf das vorgegebene Material beschr\u00e4nkt. Eine alternative Methode ist der Einsatz einer Fr\u00e4se. Bei dieser kann das gew\u00fcnschte Platinenlayout mittels Software nach Wunsch angefertigt werden. Leiterbahnen und L\u00f6tpads werden direkt in das Material der Kupferleiterplatte gefr\u00e4st. Der eigene praktische Aufwand ist dabei auf das L\u00f6ten der Bauteile und die Durchkontaktierungen der Platine begrenzt. Durch diese M\u00f6glichkeiten k\u00f6nnen kreative Ideen schnell umgesetzt und hochwertige Prototypen effizient hergestellt werden. Die Nutzung von Software erm\u00f6glicht es, Schaltpl\u00e4ne zu entwerfen und direkt an die Produktionsmaschinen zu \u00fcbertragen. Dadurch verk\u00fcrzt sich die Entwicklungszeit und es entsteht Raum f\u00fcr schnelles Testen, Iterieren und Verbessern der Projekte.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Einrichtung ist die Holzbearbeitung. Der Makerspace bietet Zugang zu einer Vielzahl von traditionellen Holzbearbeitungswerkzeugen und -maschinen wie S\u00e4gen, Fr\u00e4sen, Bohr- und Schleifmaschinen, aber auch einem Lasercutter, welcher verwendet werden kann, um pr\u00e4zise Schnitte und Gravuren in einer Vielzahl von Materialien wie Holz, Kunststoff, Papier oder Stoff durchzuf\u00fchren. Dies erm\u00f6glicht die schnelle und genaue Anfertigung von Prototypen, dekorativen Objekten, Beschilderungen, Schablonen und vielem mehr.<\/p>\n\n
F\u00fcr den ordnungsgem\u00e4\u00dfen Gebrauch aller Ger\u00e4te werden Schulungen angeboten, um einen sicheren und zielf\u00fchrenden Umgang zu gew\u00e4hrleisten. Zudem sind stets Fachkr\u00e4fte vor Ort, die ihr Wissen und Erfahrungen weitergeben. Um Ideen sofort in die Tat umsetzen zu k\u00f6nnen, stehen verschiedene Verbrauchsmaterialien zur Verf\u00fcgung. Egal ob die Nutzenden Anf\u00e4nger im jeweiligen Gebiet sind und die Grundlagen erlernen m\u00f6chten oder erfahrene Personen von Fach, die ihre F\u00e4higkeiten erweitern m\u00f6chten, Makerspaces bieten daf\u00fcr einen idealen Raum. Sollten die lokal vorhandenen Werkzeuge einmal nicht reichen, kann das Team auf weitere Fachlabore zugreifen. Metall- oder Harzdruck sowie M\u00f6glichkeiten zum 3D-Scan erweitern den Handlungsspielraum.<\/p>\n\n
Anwendungsbeispiel: Sortiereinheit f\u00fcr das Kunststoffrecycling<\/h2>\n\n
Zum Recycling von Kunststoffen wurde im INNODIG der Prototyp einer Sortiereinheit im Rahmen einer interdisziplin\u00e4ren Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus den Bereichen Informatik und Maschinenbau entwickelt. Diese Sortiereinheit ist speziell f\u00fcr das Sortieren von Kunststoffteilen im Recyclingprozess konzipiert. Das System kombiniert Algorithmen der Bildverarbeitung mit mechanischen Komponenten, um eine effiziente Sortierung verschiedener Kunststoffteile zu erm\u00f6glichen. Eine wichtige Komponente der Sortiereinheit ist eine hochaufl\u00f6sende Kamera, die die Kunststoffteile erfasst, w\u00e4hrend diese auf einem F\u00f6rderband vorbeigef\u00fchrt werden (Bild 2). Die Kamera nimmt kontinuierlich Bildmaterial auf, welches auf einen Einplatinencomputer [7] \u00fcbertragen und automatisiert mit Bildverarbeitungsalgorithmen [8] analysiert wird. <\/p>\n\n Dabei werden verschiedene Eigenschaften der Kunststoffteile erkannt, wie beispielsweise Form, Farbe und Gr\u00f6\u00dfe. Das System kann diese Teile so automatisiert identifizieren und klassifizieren. F\u00fcr die Aufzeichnung und Auswertung des Bildmaterials wird eine Beleuchtung ben\u00f6tigt, die konstante Lichtverh\u00e4ltnisse sicherstellt. Hierzu wurde ein eigener Prototyp (Bild 2, oben) entwickelt, der aus einem Holzgeh\u00e4use besteht, das zur Verst\u00e4rkung der Lichtquelle mit Alufolie ausgekleidet ist. Mit dieser prototypischen Umsetzung konnten bereits gute Ergebnisse bei der Bildverarbeitung erzielt werden. Dieser Prototyp wurde im weiteren Projektverlauf durch eine professionelle Lichtquelle ersetzt (Bild 2, unten).<\/p>\n\n Der angeschlossene Einplatinencomputer steuert einen selbst entwickelten und im 3D-Druck gefertigten Drehteller, der die klassifizierten Kunststoffteile gem\u00e4\u00df ihrer Kategorie in verschiedene Beh\u00e4lter einsortiert. Durch die Kombination von Techniken der Informatik und des Maschinenbaus konnte die prototypische Sortieranlage f\u00fcr die automatisierte und effiziente Sortierung von Kunststoffteilen technisch realisiert werden.<\/p>\n\n Ein weiteres Beispiel ist die computergest\u00fctzte Malaisefalle des Projektteams Interdisziplin\u00e4rer Umweltschutz, die durch das Einfangen und Z\u00e4hlen von flugaktiven Insekten der Biodiversit\u00e4tsforschung dient. Die urspr\u00fcngliche Bauart besteht aus Fangnetzen und einem mit Alkohol gef\u00fcllten Gef\u00e4\u00df, in das die Insekten fallen und danach verenden. Der Gef\u00e4\u00dfinhalt wird anschlie\u00dfend in Laboren untersucht, um R\u00fcckschl\u00fcsse auf die Artenvielfalt zu ziehen. Um die Insekten nicht t\u00f6ten zu m\u00fcssen wurde im INNODIG ein alternativer Weg entwickelt.<\/p>\n\n Aufgrund der vorhandenen M\u00f6glichkeiten konnten Konzeption, Fertigung und Aufbau des ersten Prototyps in kurzer Zeit realisiert werden. Dabei wurde ein Tunnel aus Plexiglas gefertigt und mithilfe des Lasercutters zugeschnitten. Die notwendigen Adapter zwischen dem Tunnel und den Netzen wurden mit einem 3D-Drucker produziert und der ben\u00f6tigte Rahmen konnte mit den bereitstehenden Holzwerkzeugen erstellt werden.<\/p>\n\n Nachdem dieser Prototyp von den Fachleuten f\u00fcr gut befunden wurde, folgte die weitere Entwicklung in Form einer Master-Abschlussarbeit. Diese verfolgt einen KI-basierten Ansatz, um die Insekten mit Hilfe von mehreren Kameras und modernen Bildverarbeitungsmethoden zu identifizieren [9]. Bild 3 zeigt den Entwicklungsprozess des Prototyps. Bei diesem wird das mit Alkohol gef\u00fcllte Gef\u00e4\u00df durch einen transparenten Tunnel ersetzt, welcher mit 120\u00b0 zueinander versetzten Kameras \u00fcberwacht wird. Diese Bauart erm\u00f6glicht das zuverl\u00e4ssige und automatisierte Bestimmen und Z\u00e4hlen der verschiedenen Arten, ohne dass dabei ein Insekt get\u00f6tet werden muss.<\/p>\n\n Dieses Beispiel zeigt, dass neben der Bereitstellung der Werkzeuge und des Materials auch der soziale, interdisziplin\u00e4re Aspekt ein wichtiger Teil des Makerspaces ist, da hier Personen aus der Informatik und der Biodiversit\u00e4tsforschung gemeinsam eine L\u00f6sung f\u00fcr ein bestehendes Problem entwickelt haben.<\/p>\n\n Ein weiteres Beispiel ist die Entwicklung einer Beleuchtungseinheit im Rahmen des Forschungsprojekts KI-GenF [10]. In diesem Projekt werden Produktionsprozesse der generativen Fertigung unter Zuhilfenahme von KI-Algorithmen hinsichtlich der Nachhaltigkeit optimiert. Eine Beispielanwendung ist die Echtzeit\u00fcberwachung von 3D-Druckern, um w\u00e4hrend des Drucks Fertigungsfehler automatisiert zu erkennen und schnell darauf zu reagieren. Hierbei wird das Ziel verfolgt, den Einsatz von Material, Zeit und Energie zu minimieren. Um den daf\u00fcr notwendigen KI-Algorithmus zu trainieren, sind gut ausgeleuchtete Bilddaten erforderlich. Hierf\u00fcr musste eine geeignete Beleuchtung entwickelt werden.<\/p>\n\n Zun\u00e4chst wurden verschiedene Modellskizzen angefertigt und diese als einfache Prototypen umgesetzt. Die beste Ausleuchtungsvariante wurde anschlie\u00dfend in einem CAD-Programm konstruiert. Das System besteht aus halbkreisf\u00f6rmigen Lichthalterungen, die zum Zentrum des Druckbetts ausgerichtet sind und sich um die Mittelachse rotieren lassen. Zur Reproduzierbarkeit der Lichteinstellung k\u00f6nnen die einzelnen Segmente mittels einer Verzahnung pr\u00e4zise ausgerichtet werden. Als Leucht\u00adelement wurden zun\u00e4chst adressierbare LEDs verwendet. Trotz unterschiedlicher Einstellung haben diese kein klares wei\u00dfes Licht erzeugt und wurden aus diesem Grund in der finalen Version durch spezielle, wei\u00dfe LEDs ersetzt. Bild 4 zeigt die finale Version der Beleuchtungseinheit.<\/p>\n\n Dieser Artikel zeigt, dass Makerspaces bereits heute ein wichtiger Baustein zur F\u00f6rderung von Kreativit\u00e4t, Innovation und Zusammenarbeit sind. Im universit\u00e4ren Umfeld werden sie aktiv in der Lehre eingesetzt und von den Studierenden positiv wahrgenommen. Neben der pers\u00f6nlichen Entwicklung ist hier vor allem der soziale Aspekt und das Zugeh\u00f6rigkeitsgef\u00fchl der Studierenden hervorzuheben [11]. Projekt-, Studien- und Abschlussarbeiten k\u00f6nnen im Makerspace durchgef\u00fchrt werden und st\u00e4rken die praktische Erfahrung der Studierenden.<\/p>\n\n Durch den Zugang zu neuen Technologien und Werkzeugen bieten Makerspaces eine freie Umgebung, in der neben Studierenden auch Forschende ihre Ideen und Projekte in die Tat umsetzen. Die Einbindung von Forschungsprojekten in die interdisziplin\u00e4re Umgebung des Makerspaces bietet hierbei einen gest\u00e4rkten Interessenaustauch der Projektbeteiligten und kann zu einer effektiveren Bearbeitung der Forschungsfragen beitragen. Makerspaces spielen auch weiterhin eine wichtige Rolle bei der F\u00f6rderung von Teamarbeit und Probleml\u00f6sungskompetenz, sowie bei der L\u00f6sung komplexer Fragestellungen.<\/p>\n\n Auch f\u00fcr Gr\u00fcnder und Unternehmer k\u00f6nnen Makerspaces einen einfachen Einstieg in neue Projekte und einen Einblick in neue Technologien [12] bieten. Insbesondere im Zusammenhang mit einer voranschreitenden Digitalisierung und der Industrie 4.0 [13] bietet ein Makerspace gro\u00dfe Chancen f\u00fcr Unternehmen.<\/p>\n\n Aus gesellschaftlicher Sicht ist daher von gro\u00dfer Bedeutung, dass Hochschulen, Unternehmen und Kommunen diese kreativen R\u00e4ume aktiv nutzen und weiterentwickeln, um den Anforderungen der digitalen Welt von morgen gerecht zu werden.<\/p>\n\n Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Forschungsprojekts \u201eEffiziente, intelligente, generative Fertigung mit Recyclingkunststoffen durch KI-Optimierung (KI-GenF)\u201c, das von der Carl-Zeiss-Stiftung im F\u00f6rderprogramm CZS Transfer mit bis zu 1 Mio. \u20ac gef\u00f6rdert wird.<\/em><\/p>\n![\"KI-Malaisefalle.](\"https:\/\/industry-science.com\/wp-content\/uploads\/2024\/03\/Scherer_IM-23-6_Bild-3-1024x502.jpg\")
Anwendungsbeispiel: KI-Malaisefalle<\/h2>\n\n
Anwendungsbeispiel: Beleuchtung zur 3D-Druck\u00fcberwachung<\/h2>\n\n
![\"Beleuchtungseinheit](\"https:\/\/industry-science.com\/wp-content\/uploads\/2024\/03\/Scherer_IM-23-6_Bild-4-1024x524.jpg\")
Bibliography <\/h2>[1] Make Community LLC.: Makerspaces, Fablabs und andere Orte der Maker-Community. URL: www.maker-faire.de\/makerspaces, Abrufdatum 18.06.2023.\r
[2] Umwelt-Campus Birkenfeld: Innovationslabor Digitalisierung (INNODIG). URL: www.innodig.umwelt-campus.de, Abrufdatum 12.06.2023.\r
[3] Scherer, K.; Huwer, A.; Ulber, R.; Wahl, M.: Optimizing Luminous Transmittance of a Three-Dimensional-Printed Fixed Bed Photobioreactor. In: 3D printing and Additive Manufacturing. DOI: doi.org\/10.1089\/3dp.2022.0136.\r
[4] Scherer, K.; Bast, S.; Murach, J.; Didas, S.; Dartmann, G.; Wahl, M.: Nachhaltige und intelligente additive Fertigung \u2013 Fr\u00fchzeitige Erkennung von Produktionsfehlern im 3D-Druck durch K\u00fcnstliche Intelligenz. In: Industrie 4.0 Management 392(2023), S. 56-59. DOI: doi.org\/10.30844\/IM_23-2_56-59.\r
[5] KPMG International Limited: Zentrale Herausforderungen der Fertigungsindustrie. URL: https:\/\/kpmg.com\/de\/de\/home\/themen\/2022\/10\/zentrale-herausforderungen-der-fertigungsindustrie.html, Abrufdatum 18.06.2023.\r
[6] Autodesk Tinkercad. URL: www.tinkercad.com, Abrufdatum 18.07.2023.\r
[7] Raspberry Pi Foundation: Raspberry Pi Modell 4 (4 GB RAM). URL: www.raspberrypi.com\/products\/raspberry-pi-4-model-b, Abrufdatum 14.06.2023.\r
[8] Open Source Computer Vision Library: OpenCV. URL: www.opencv.org, Abrufdatum 13.06.2023.\r
[9] Steinberg, D.: Entwicklung eines Prototyps einer KI-basierten Malaisefalle zur nicht-lethalen Bestimmung der Insektenbiodiversit\u00e4t. Masterarbeit im Studiengang Angewandte Informatik. Trier 2022.\r
[10] Carl-Zeiss-Stiftung: Effiziente, intelligente, generative Fertigung mit Recyclingkunststoffen durch KI-Optimierung (KI-GenF). URL: www.carl-zeiss-stiftung.de\/themen-projekte\/uebersicht-projekte\/detail\/ki-genf, Abrufdatum 13.07.2023.\r
[11] Andrews, M.\u00a0E.; Borrego, M.; Boklage A.: Self-efficacy and belonging: the impact of a university makerspace. In: International Journal of STEM Education 8 (2021). DOI: doi.org\/10.1186\/s40594-021-00285-0.\r
[12] Hui J.\u00a0S.; Gerber, E.\u00a0M.: Developing Makerspaces as Sites of Entrepreneurship. In: Proceedings of the 2017 ACM Conference on Computer Supported Cooperative Work and Social Computing (2017), S. 2023-2038. DOI: doi.org\/10.1145\/2998181.2998264.\r
[13] Ferro dos Santos, E.; Benneworth P.: Makerspace for skills development in the industry 4.0 era. In: Brazilian Journal of Operations & Production Management 16 (2019), S. 303-315. DOI: doi.org\/10.14488\/BJOPM.2019.v16.n2.a11.<\/div>Your downloads<\/h2>