Vom Campus zur Fabrik: Wie das Smart Manufacturing Lab der Cal Poly Pomona das Talent-Ökosystem der Fertigungsindustrie neu gestaltet

Wenn Industrie 4.0 auf die Fachkräftelücke trifft

Im Zuge der tiefgreifenden digitalen und intelligenten Transformation der globalen Fertigungsindustrie zeichnet sich ein immer deutlicherer Widerspruch ab: Das Automatisierungsniveau in den Fabriken steigt stetig, doch es fehlt massiv an Fachkräften, die diese komplexen Systeme entwerfen, programmieren, integrieren und warten können. Von der in Deutschland entwickelten Industrie 4.0 bis hin zum Advanced-Manufacturing-Partnership-Programm in den USA betrachten alle großen Industrienationen die intelligente Fertigung als Kern zukünftiger Wettbewerbsfähigkeit – doch der stockende Nachschub an Fachkräften wird zu einer unsichtbaren Grenze für das Tempo des Wandels.

Vor diesem Hintergrund wird die Rolle der Universitäten als Schnittstelle zwischen Wissensproduktion und Arbeitskräfteentwicklung neu definiert. Die traditionelle Ausbildung in der Fertigungsindustrie legt den Schwerpunkt auf theoretische Vorlesungen und grundlegende Experimente. Heute benötigt die Industrie jedoch interdisziplinäre Ingenieure, die direkt mit industriellen Anlagen arbeiten können, MES-Systeme verstehen und über Kenntnisse in maschinellem Sehen sowie digitalen Zwillingen verfügen. Diese Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage veranlasst immer mehr Hochschulen, in Lehrinfrastruktur zu investieren, die einer realen Fabrikumgebung nahekommt.

Ein industrieller Mikrokosmos auf 2.200 Quadratfuß

Ende August 2025 hat die California State Polytechnic University, Pomona (Cal Poly Pomona), etwa 30 Meilen östlich von Los Angeles, mit ihrem College of Engineering eine neue Lehr- und Forschungseinrichtung für intelligente Fertigung offiziell eröffnet: das „Vy and Timothy Li Automation Laboratory". Das Labor, das eine Fläche von 2.200 Quadratfuß (etwa 204 Quadratmetern) einnimmt, ist kein gewöhnlicher Lehr-Computerraum, sondern eine verkleinerte Smart Factory.

Der Kern des Labors ist ein Intelitek-Smart-Factory-System: zwei SPS-gesteuerte Förderbänder, ein automatisches Lager- und Bereitstellungssystem, fünf Industrieroboterarme, CNC-Fräs- und Drehmaschinen, eine optische Qualitätsprüfstation, eine Lasergravurmaschine mit fortschrittlichem Luftfiltersystem sowie ein durchgängiges Umlaufförderband mit Palettenverfolgungssystem, das alle Anlagen verbindet. Alle diese Komponenten sind über ein TCP/IP-Netzwerk mit der Intel-OpenMES-Software verbunden und werden von einer zentralen Verwaltungs- und Steuerstation aus koordiniert.

Bemerkenswert ist, dass es sich bei diesem System nicht um ein statisches Lehr-Exponat handelt, sondern es wurde gezielt für zukünftige anwendungsorientierte Lernanforderungen erweitert: Es wurden intelligente Sensoren hinzugefügt, die das Echtzeit-Protokoll OPC-UA unterstützen. Das bedeutet, dass Forscher und Studierende auf diesem System vielfältige Industrie-4.0-Forschungsprojekte durchführen und einen Echtzeit-Datenaustausch zwischen den Geräten realisieren können.

Von der Einzelbedienung zur Systemdiagnose

Der Wert des Labors liegt nicht in der Anhäufung von Geräten, sondern in der Innovation der Lehrmethoden. Dr. Shokoufeh Mirzaei, Leiterin der Abteilung für Industrie- und Fertigungstechnik (IME), betont, dass das Hauptziel des Labors darin besteht, den Studierenden direkte Erfahrung mit realen Industrieanlagen zu vermitteln – Programmierung, Integration und Diagnose auf Systemebene.Hier lernen die Studierenden an PLC-gesteuerten Arbeitsplätzen Mechatronik und elektropneumatische Systeme, verstehen anhand des sechsachsigen Yaskawa-GP8-Roboters Hochgeschwindigkeitsmontage und Materialhandhabung, beherrschen am Epson-T3-SCARA-Roboter Pick-and-Place-Anwendungen und machen sich an mehreren Workstations mit Siemens- und Allen-Bradley-Steuerungen mit den gängigen industriellen Steuerungsökosystemen vertraut. Noch entscheidender ist, dass sie lernen, wie diese eigenständigen Geräte zu einem einheitlichen Produktionssystem integriert werden.

Das Labor verfügt außerdem über einen mobilen Roboter Festo Robotino sowie eine kleine Forschungsstation, die Experimente zur haptischen Roboter-Greiftechnik und zur additiven Fertigung unterstützt. Der Kursaufbau simuliert reale Fertigungsabläufe: von der Roboter-Montage über die automatische Prüfung bis hin zur Produktionsplanung und Qualitätskontrolle. Die Studierenden durchlaufen den vollständigen Kreislauf intelligenter Fertigung in projektbasierter Form.

Digitaler Zwilling und KI-gestützte Qualitätsüberwachung

Über die oben genannte Hardware-Infrastruktur hinaus integriert das Labor auch die zentralen Software-Tools von Industrie 4.0. Basierend auf intelligenten Moneo-Sensoren erfasst das System in Echtzeit Betriebsparameter wie Vibration, Temperatur und Motordrehzahl. In Kombination mit IoT-Kommunikation und cyber-physischen Systemen wird ein digitales Zwillingsmodell aufgebaut. Studierende können Fertigungsprozesse in der virtuellen Umgebung analysieren und optimieren und anschließend im physischen System überprüfen und anpassen.

Das automatische visuelle Inspektionssystem bringt KI zusätzlich in die Qualitätskontrolle. Die Studierenden müssen Bildverarbeitungsalgorithmen entwerfen und implementieren, um Bauteile hinsichtlich Maßgenauigkeit, Oberflächenfehlern, Ausrichtungsstatus und Musterabgleich zu prüfen. Die Inspektionsergebnisse (Bestanden/Nicht bestanden) werden in Echtzeit an das MES-System übertragen, das daraufhin den Produktionsplan aktualisiert – genau das ist die in der Industrie zunehmend verbreitete Logik der Echtzeit-Fehlererkennung und prädiktiven Qualitätsüberwachung. Durch den praktischen Einsatz von Analysewerkzeugen wie SPC-Regelkarten erleben die Studierenden den vollständigen Prozess der „datengetriebenen kontinuierlichen Verbesserung“.

Die industrielle Logik hinter der Bildungsinvestition

Aus einer übergeordneten Perspektive ist dieses Labor der Cal Poly Pomona nicht nur eine Aufwertung der Lehreinrichtungen, sondern auch eine Antwort des US-amerikanischen Bildungssystems für die Fertigungsindustrie auf den industriellen Wandel. In den letzten Jahren haben Lieferkettenunterbrechungen und geopolitische Spannungen die USA dazu veranlasst, ihre Fertigungsbasis zu überdenken. Doch die Rückkehr der Fertigung erfordert nicht nur Werkshallen und Kapital, sondern vor allem zahlreiche Fachkräfte mit digitalen Kompetenzen. Die Universitätslabore sind genau die entscheidende Brücke zwischen Bildungsangebot und Industriebedarf.

Der Standort Pomona liegt in Südkalifornien, umgeben von einer dichten Industrie aus Luft- und Raumfahrt, Biomedizin, fortschrittlichen Materialien und Logistik. Das Labor unterstützt ausdrücklich angewandte Forschung und Abschlussarbeiten in diesen Bereichen, was bedeutet, dass die Absolventinnen und Absolventen direkt in das lokale Fertigungsökosystem eintreten und den Fachkräftedruck der regionalen industriellen Modernisierung verringern können. Dieses Modell der Zusammenarbeit zwischen Hochschule und Industrie spiegelt auch wider, dass die Inhalte der Ausbildung zunehmend von der Industrie durchdrungen werden.Bemerkenswert ist, dass die Einrichtung dieses Labors das Ergebnis von „Zuschüssen, der Initiative der Lehrenden und einem gemeinsamen Bekenntnis zum Erfolg der Studierenden“ ist – so die Bewertung von Dekan Andrew Ketsdever. Dies zeigt, dass der Aufbau moderner Lehr- und Forschungseinrichtungen an Universitäten zunehmend von der Zusammenarbeit mit der Industrie und philanthropischen Stiftungen abhängt und nicht mehr vollständig auf öffentlichen Mitteln beruht. Dieses Modell selbst ist ein Beleg für die immer engere Verzahnung von Fertigungsindustrie und Bildungssystem.

Langfristiger Trend: Bildung für die Fertigungsindustrie rückt von der Peripherie ins Zentrum

Weltweit wird eine Praxis wie die von Cal Poly Pomona zunehmend zum Trend. Von den Community Colleges im Mittleren Westen der USA über die Fachhochschulen in Deutschland bis hin zu den technischen Universitäten in Ostasien und den beruflichen und technischen Bildungseinrichtungen in Südostasien: Smart-Manufacturing-Labore werden zur neuen Standardausstattung der ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung. Dahinter steht ein grundlegender Wandel der Kompetenzstruktur, den die Fertigungsindustrie von Talenten verlangt: Die Grenze zwischen den traditionellen „Blue-Collar“- und „White-Collar“-Tätigkeiten verschwimmt zunehmend, und künftige Ingenieure müssen gleichermaßen über integrierte Fähigkeiten in Maschinenbau, Elektronik, Software und Datenanalyse verfügen.

Die Wirkung solcher Bildungsinvestitionen wird jedoch weit über den Campus hinausreichen. Kurzfristig liefern sie den Fertigungsunternehmen „plug-and-play“-fähige, qualifizierte Ingenieure; mittelfristig stärken sie die Dynamik des regionalen Innovationsökosystems und ziehen Fertigungsunternehmen an Standorte, an denen sich Talente konzentrieren; langfristig definieren sie die Bedeutung von „Beschäftigung in der Fertigungsindustrie“ neu – weg von monotonen, sich wiederholenden körperlichen Tätigkeiten hin zu kreativer, technologieintensiver Wissensarbeit.

Natürlich kann das Labor einer einzelnen Universität die globale Qualifikationslücke nicht schließen. Aber es zeigt eine Richtung auf: Wenn Fabriken zu cyber-physischen Systemen werden und Fertigung zu einer datengetriebenen Wissenschaft, dann muss auch die Bildung selbst neu gestaltet werden. Das Smart-Manufacturing-Labor der Cal Poly Pomona ist genau ein Ausschnitt dieses großen Wandels – ein Beispiel, das industriepolitische Entscheidungsträger und Kolleginnen und Kollegen aus dem Bildungsbereich eingehend untersuchen sollten.

Der globale Wettbewerb in der Fertigungsindustrie läuft letztlich auf einen Wettbewerb der Ingenieure hinaus. Und jene Institutionen, die als Erste „Fabriken der Zukunft“ auf ihrem Campus errichten, sichern sich für die nächste Runde des industriellen Wettbewerbs die entscheidende Ressource.