Mit einer ganzen Fabrik im Headset

In modernen Produktionsumgebungen ist isoliertes Fachwissen nicht mehr ausreichend. Fachkräfte müssen heute in der Lage sein, komplexe Wechselwirkungen innerhalb einer gesamten Wertschöpfungskette zu verstehen. Eine Entscheidung in der Produktionsplanung wirkt sich unmittelbar auf die Lagerlogistik, die Rüstzeiten an der CNC-Maschine, die Qualitätssicherung und den Versand aus. Diese Form der hybriden, crossfunktionalen Prozesskompetenz erfordert ein systemisches Denken, das in traditionellen, oft modular aufgebauten Ausbildungsprogrammen nur schwer zu vermitteln ist.
Gleichzeitig verschärft der Fachkräftemangel den Druck auf Unternehmen und Bildungseinrichtungen, technische Berufe attraktiver zu gestalten. Um junge Talente der Generation «Digital Native» zu erreichen, muss die Ausbildung technologisch auf Augenhöhe mit deren Lebenswelt sein. Hier bieten immersive Lernumgebungen den Vorteil, kognitive und praktische Lernprozesse durch verbesserte Visualisierung und situatives Engagement massiv zu fördern.

Ein holistischer digitaler Zwilling
Das an der Technischen Hochschule Köln entwickelte Projekt 3DVRpro bricht mit dem Trend konventioneller VR-Trainings, die oft nur isolierte Szenarien, etwa eine einzelne Montagezelle oder eine spezifische Maschine, abbilden. Stattdessen wird eine vollständige, interaktive Modellfabrik simuliert, die auf etablierten Lernprozessen des Instituts für Produktion aufbaut.

Technische Infrastruktur der virtuellen Umgebung
Die aktuelle Implementierung integriert eine Vielzahl funktionaler Einheiten, die dem aktuellen Stand der Technik im Produktionsumfeld entsprechen:

• Integriertes ERP-System: Zur Steuerung sämtlicher Geschäftsprozesse von der Verkaufssteuerung über die Materialbedarfsplanung bis hin zum Bestandsmanagement.
• Automatisierte Logistik: Ein automatisiertes Hochregallager und fahrerlose Transportsysteme stellen den Materialfluss zwischen den Stationen sicher und ermöglichen eine realitätsgetreue Abbildung interner Logistikketten.
• Mechanische Fertigung: Das System umfasst CNC-Dreh- und Fräsmaschinen, eine Bandsäge für den Rohmaterialzuschnitt sowie eine Laser-Gravuranlage zur Kennzeichnung von Bauteilen.
• Additive Fertigung: 3D-Drucker ermöglichen die schnelle Produktion von Kunststoffkomponenten, die direkt in die Montage einfliessen.
• Montage und Qualitätssicherung: Eine Montagezelle mit Pick-by-Vision-Unterstützung und ein Prüfstand mit verschiedenen Messvorrichtungen bilden den Hauptteil der Kundenauftragsfertigung.
• Verpackung und Versand: Den Abschluss der Prozesskette bildet die Einheit für Verpackung und Versand, bei der die Fertigerzeugnisse für die Kunden versandbereit gemacht werden.

Vom Auftrag bis zum fertigen Produkt
Die in 3DVRpro gefertigten Produkte – verschiedene Pumpentypen wie Hydraulik- oder Vakuumpumpen – wurden gezielt so gewählt, dass sie eine realistische Komplexität abbilden. Mit Stücklisten von zehn bis 15 Bauteilen in der Grössenordnung zwischen zirka 1 bis 25 cm bieten sie eine ideale Balance zwischen guter Handhabbarkeit in der VR und technischem Tiefgang. Das System deckt drei zentrale Industrieszenarien ab:

• Make-to-Order: Abbildung der kompletten Kette vom Kundenauftragseingang über die Planung bis zum versandfertigen Produkt. Dieser Prozess führt vom ERP-Leitstand über die Kommissionierzone zur Montagezelle mit anschliessender Qualitätsprüfung sowie Verpackung und Versand.
• Make-to-Stock: Produktion basierend auf Bestandsschwellenwerten, was insbesondere die CNC-Fertigung und den 3D-Druck triggert. Die Stationen sind Rohmaterialbearbeitung, CNC-Bearbeitung und Lasergravur für das Werkstück.
• Procure-to-Stock: Simulation von Beschaffungsprozessen inklusive Wareneingangsprüfung und Einlagerung. Ausgehend von Bestellanforderungen werden Bestellungen konsolidiert. Das angelieferte Material wird in der Wareneingangszone inspiziert und über FTS in das Lager verbracht.

Konstruktivismus und Serious Gaming
Das pädagogische Fundament von 3DVRpro ist ein konstruktivistischer Lernansatz: Wissen wird nicht passiv konsumiert, sondern durch die aktive Interaktion mit Maschinen, Werkzeugen und Prozessen erworben. Um Nutzer unterschiedlicher Vorbildungsstufen abzuholen, ist die Lernsoftware in vier Phasen unterteilt:

• Intro-Modus: Nutzer erlernen die Fortbewegung im virtuellen Raum und die Handhabung von Objekten mittels VR-Controllern.
• Tutorial-Modus: Visuelle und auditive Hilfestellungen führen schrittweise durch jeden einzelnen Produktions- und Logistik-Workflow.
• Profi-Modus: Die Nutzer bewegen sich eigenständig in der Fabrik und erfahren den Alltag eines Produktionsunternehmens, in dem sie kontinuierlich einfliessende Kundenaufträge ohne zusätzliche Unterstützung bearbeiten.
• High-Score-Modus: Ein spielerischer Wettbewerb, bei dem Entscheidungsgeschwindigkeit und Prozessqualität direkt in Punkte übersetzt werden, was die Motivation zusätzlich steigert.

Durch die Integration von Spielelementen wie Punkte, Timer, Bestenlisten und Leistungs-Dashboards wird eine hohe intrinsische Motivation erzeugt. Sie ersetzen die «Angst vor dem Fehler» durch «Lust am Entdecken». In der Simulation dürfen die Spieler experimentieren und eigenständig über die nächsten Schritte entscheiden. Sie lernen nicht, weil sie müssen, sondern weil sie wissen wollen, was als Nächstes passiert. Dieser spielerische Entdeckergeist ist entscheidend, um die oft abstrakten Wechselwirkungen interdisziplinärer Fachprozesse greifbar und attraktiv zu vermitteln. Die Lernenden erfahren ein unmittelbares Feedback zu ihrem Handeln, was die Problemlösungsfähigkeit und das Selbstvertrauen in Entscheidungsprozesse stärkt.

Produktion ist Teamarbeit
Ein zentraler innovativer Aspekt von 3DVRpro ist die Multiplayer-Fähigkeit. Mehrere Lernende können gleichzeitig in derselben virtuellen Fabrik agieren, wobei jeder durch einen Avatar repräsentiert wird. Traditionelle Lern-software ist oft eine «Single-Player-Erfahrung»: Ein Nutzer sitzt allein vor dem Bildschirm. Logistik und Produktion sind jedoch ein Mann-schaftssport. Die Multiplayer-Umgebung in der VR ermöglicht es, diese Interdependenz abzubilden. Alle Teilnehmer agieren zur gleichen Zeit im selben virtuellen Raum, was das Gefühl von Präsenz und gemeinsamer Verantwortung stärkt, wobei die Nutzer unterschiedliche Rollen übernehmen, zum Beispiel Logistiker, Monteur oder Qualitätsprüfer.
Spielen in einer Gruppe hat ebenso einen sozialen Aspekt. In der VR-Modellfabrik müssen sich die Spieler absprechen und koordinieren, sich gegenseitig Fragen stellen, wie «Hast du das Rohmaterial für die CNC-Maschine bereits bestellt?» oder «Ich brauche das fertig gefräste Gehäuse jetzt an der Montagestation». Erfahrenere Nutzer können Neulingen innerhalb der VR Handgriffe zeigen oder die Spieler müssen gemeinsam eine Strategie entwickeln, um Engpässe in der Prozesskette zu bewältigen. Das gemeinsame Erreichen eines Produktionsziels erzeugt ein Erfolgserlebnis, das sich ebenfalls positiv auf die Bindung an den Lernstoff auswirkt. Die Multiplayer-Möglichkeit spiegelt die Realität einer Smart Factory wider, in der Menschen, Maschinen und Systeme perfekt aufeinander abgestimmt sein müssen. Damit wird nicht nur Fachwissen vermittelt, sondern auch die für Fachkräfte essenzielle Team- und Kommunikationsfähigkeit trainiert.
In ersten Vorstudien mit Studierenden des Wirtschaftsingenieurwesens an der TH Köln wurde die Umgebung 3DVRpro vorgestellt und für die folgenden fünf Dimensionen evaluiert:

• Emotion: Das Lernen in der VR wurde als deutlich freudvoller und motivierender empfunden als traditionelle Vorlesungen.
• Nutzererlebnis: Die abgeschirmte, immersive Umgebung ermöglichte eine tiefere Konzentration mit Fokus auf die Lerninhalte.
• Usability: Trotz geringer Vorerfahrung mit VR-Technologie fanden die Teilnehmer die Steuerung mittels virtueller Hände sehr intuitiv.
• Effizienz: Die detaillierten Szenarien wurden als sehr effektiv bewertet, um tiefe Einblicke in industrielle Produktionsprozesse zu gewinnen.
• Individualität: Obwohl die meisten Probanden kaum Vorerfahrung mit 3D-VR hatten, gewöhnten sie sich sehr schnell an die Umgebung. Probleme wie «Motion Sickness» traten nur marginal auf.

Mit dem 3D-VR-Serious-Game zum nachhaltigen Kompetenzvorsprung
Das Projekt demonstriert, dass immersive Technologien weit mehr sind als ein blosses Visualisierungswerkzeug. Sie sind ein skalierbarer und transferierbarer didaktischer Ansatz, um die Fachkräfte von morgen für die Realität der Industrie 4.0 zu rüsten. Systemisches Lernen wird durch das Erleben von Material- und Informationsflüssen sowie Entscheidungskontexten in einer risikofreien Umgebung greifbar.
Da 3DVRpro die gesamte Kette (ERP, Logistik, Produktion) abbildet, werden nicht nur «Bediener» ausgebildet, sondern Prozessversteher. Solche Mitarbeiter können sehr wertvoll sein, da sie flexibel eingesetzt werden können und Probleme an den Schnittstellen zwischen Abteilungen selbstständig lösen. Der Einsatz von 3D-VR-Umgebungen wie 3DVRpro bietet zudem wirtschaftliche und strategische Vorteile für Bildungseinrichtungen:

• Kosteneffizienz: Der Aufbau einer vergleichbaren physischen Lernfabrik würde Investitionen in Millionenhöhe erfordern. In der VR entfallen Wartungskosten, Energieverbrauch für Grossanlagen und Materialkosten für Ausschuss oder Verschleissteile.
• Sicherheit: Riskante Operationen an rotierenden Maschinen oder der Umgang mit schweren Lasten können gefahrlos trainiert werden. Menschen aus anderen Berufsfeldern können in der VR-Umgebung ohne Unfallrisiko an die komplexen Maschinen des Maschinenbaus herangeführt werden. Dies öffnet den Arbeitsmarkt für neue Zielgruppen, die bisher aufgrund mangelnder Erfahrung abgeschreckt waren.
• Flexibilität: Die virtuelle Fabrik ist orts- und zeitunabhängig verfügbar, was Lernaktivitäten jenseits starrer Laborzeiten ermöglicht. Die Software kann an 100 Standorten gleichzeitig genutzt werden – auch dort, wo kein echter Maschinenpark zur Verfügung steht.
• Reduzierter Betreuungsaufwand: Studierende und Auszubildende können Szenarien eigenständig erkunden und wiederholen, ohne dass kontinuierlich Laborpersonal zur Aufsicht präsent sein muss. Dabei kann die Multiplayer-Möglichkeit zukünftig als Mentoring-Tool fungieren: Ein erfahrener Ingenieur kann sich von einem anderen Standort aus in die VR-Umgebung eines Auszubildenden einwählen, ihm Handgriffe zeigen und ihn anleiten, ohne physisch vor Ort sein zu müssen.
• Erweiterbarkeit: Die Lernumgebung kann individuell auf unterschiedliche Lernszenarien oder neue, innovative Produkte und Produktionsverfahren eingestellt werden.

3DVRpro wird kontinuierlich erweitert: Die Roadmap sieht vor, die Umgebung um zusätzliche Bearbeitungsverfahren zu ergänzen und die Konfigurierbarkeit komplexer Prozessszenarien weiter zu flexibilisieren. Ein besonderer Fokus liegt auf der tiefen Integration realer Engineering-Tools, zum Beispiel einer interaktiven CAD-Simulation bis zur CNC-Programmierung. Damit transformiert sich die virtuelle Welt zum ultimativen Spielfeld für Innovation und nachhaltigen Kompetenzvorsprung im Maschinenbau.
In einem Wettbewerbsumfeld, das zunehmend durch digitale Attraktivität geprägt ist, setzt 3DVRpro ein klares Zeichen: Die Branche bietet den «Digital Natives» eine Lernumgebung auf Augenhöhe mit modernen Tech-Standards. Wenn junge Talente komplexe Inhalte durch VR-Headsets und digitale Zwillinge spielerisch und systemisch durchdringen, verändert dies nicht nur die Wahrnehmung des Berufsfelds, sondern definiert den Standard für eine moderne industrielle Ausbildung neu und kann so positiv zum Lösen des Problems des Fachkräftemangels beitragen.

INFOS | KONTAKT
TH Köln
Institut für Produktion
Gustav-Heinemann-Ufer 54
D-50968 Köln
T +49 (0)221 8275-0
www.th-koeln.de

ZU DEN AUTOREN
Andreas Boden, B. Eng., wissenschaftlicher Mitarbeiter Logistik-IT, Lead Game Development 3DVRpro, andreas.boden@th-koeln.de
Michael Paffrath, B. Eng., Senior Software Developer OBI, Lead Technical Infrastructure 3DVRpro, michael@isdi-paffrath.de
Dr. rer. nat. Franz Josef Weiper, Professor Logistik-IT, Projektleitung 3DVRpro, fweiper@th-koeln.de