Praxisauftrag und Kompetenzcheck - Mechatroniker - 1. Ausbildungsjahr

aiMOOC

Praxisauftrag und Kompetenzcheck - Mechatroniker - 1. Ausbildungsjahr

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Einleitung

Im ersten Ausbildungsjahr lernst du, mechanische, elektrische, hydraulische und digitale Teilfunktionen nicht getrennt, sondern als Bestandteile eines mechatronischen Systems zu betrachten. Dieser aiMOOC führt diese Kompetenzen in einem berufstypischen Jahresprojekt zusammen: Du bearbeitest den Auftrag für einen 24-V-Modellarbeitsplatz zum Erkennen, Anzeigen und simulierten Spannen eines Werkstücks. Du klärst den Kundenwunsch, analysierst Energie-, Informations- und Materialflüsse, planst Arbeitsschritte, stellst eine mechanische Sensorhalterung her, installierst einen sicheren Kleinspannungs-Stromkreis, untersuchst einen hydraulischen Funktionszweig in der Simulation, prüfst das Ergebnis und dokumentierst die Übergabe.

Der Auftrag ist für Auszubildende im ersten Ausbildungsjahr angelegt. Arbeiten an Netzspannung, geöffneten elektrischen Anlagen oder druckbeaufschlagten Hydraulikanlagen gehören nicht zur selbstständigen Durchführung. Praktische Tätigkeiten erfolgen nur im freigegebenen Ausbildungsbereich, nach Gefährdungsbeurteilung und Unterweisung sowie unter Aufsicht einer befugten Fachkraft. Wo diese Voraussetzungen fehlen, verwendest du die beschriebene sichere Modell- oder Simulationsalternative. Der Kurs ersetzt weder den betrieblichen Ausbildungsplan noch Vorgaben der zuständigen Kammer, des Landeslehrplans, der Hersteller oder der verantwortlichen Elektrofachkraft.

Abbildung: Zusammenspiel mehrerer Fachgebiete in der Mechatronik. Urheber: Gengiskanhg; Lizenz: CC BY-SA 3.0 und GFDL; Dateinachweis.

Berufsauftrag und vollständige Handlung

Der synthetische Kundenauftrag

Ein fiktiver innerbetrieblicher Kunde benötigt einen übersichtlichen Demonstrator für die Wareneingangsprüfung. Ein metallisches Übungswerkstück wird von Hand in eine Führung eingelegt. Ein induktiver Sensor erkennt seine Anwesenheit. Eine grüne 24-V-Leuchte meldet „bereit“, eine gelbe Leuchte zeigt eine Störung an. Ein Relais stellt die logische Verknüpfung der Signale dar. Die Spannbewegung wird aus Sicherheitsgründen zunächst ausschließlich als Hydrauliksimulation ausgeführt. Die mechanische Sensorhalterung wird real gefertigt und auf einer wiederverwendbaren Grundplatte montiert.

Die Abnahmekriterien lauten:

1. Funktion: Das metallische Werkstück wird im vorgegebenen Schaltabstand sicher erkannt; bei unterbrochener Sensorleitung darf keine Bereitschaft gemeldet werden.
2. Maßhaltigkeit: Der Lochabstand der Halterung beträgt 60,0 mm mit einer zulässigen Abweichung von ±0,2 mm; alle Kanten sind entgratet.
3. Elektrik: Ausschließlich ein vom Betrieb freigegebenes, strombegrenztes 24-V-DC-Schulungsnetzteil wird verwendet; Verdrahtung und Schutzmaßnahmen entsprechen Schaltplan, Herstellerangaben und betrieblicher Freigabe.
4. Hydraulik: Druck, Kraft, Volumenstrom und Bewegungszeit werden nachvollziehbar berechnet und in einer geeigneten Software simuliert; ein realer Druckaufbau ist nicht erforderlich.
5. Dokumentation: Arbeitsplan, Stückliste, Schalt- und Funktionsplan, Messwerte, Abweichungen, Fehlerkorrekturen, Versionsstand und Übergabeprotokoll sind vollständig.
6. Datenschutz: Es werden nur erfundene Auftrags-, Kunden- und Personendaten verwendet.

Fachbegriff Auftrag: Ein beruflicher Auftrag beschreibt nicht nur ein Produkt, sondern auch Zweck, Randbedingungen, Termin, Qualität, Sicherheit, Kosten, Zuständigkeiten und die Art der Abnahme. Unklare Angaben werden vor der Ausführung als Rückfrage formuliert, statt stillschweigend angenommen zu werden.

Vollständige Handlung im Projekt

Die Bearbeitung folgt der vollständigen beruflichen Handlung. Du informierst dich über Auftrag und Regeln, planst Material und Arbeit, entscheidest begründet über Varianten, führst freigegebene Tätigkeiten aus, kontrollierst anhand messbarer Kriterien und wertest Ergebnis sowie Vorgehen aus. Das ist keine bloße Lernmethode, sondern entspricht dem in der Ausbildungsordnung geforderten selbstständigen Planen, Durchführen und Kontrollieren beruflicher Aufgaben.

Handlungsphase	Berufliche Leitfrage	Nachweis im Projekt
Informieren und analysieren	Welche Funktion, welche Schnittstellen und welche Gefährdungen hat das System?	Auftragsklärung, Blockbild, Flussanalyse, Gefährdungsbeurteilung
Planen	Welche Reihenfolge, Betriebsmittel, Werkzeuge, Prüfmittel und Informationen werden benötigt?	Arbeitsplan, Stückliste, Zeit- und Prüfplan
Entscheiden	Welche technische Variante erfüllt Sicherheit, Qualität, Kosten und Nachhaltigkeit am besten?	Variantenvergleich mit begründeter Auswahl
Ausführen	Wie werden Halterung, Verdrahtung und Simulation fachgerecht erstellt?	Freigegebenes Werkstück, 24-V-Aufbau und Simulationsdatei
Kontrollieren	Erfüllt das Ergebnis alle vorher festgelegten Kriterien?	Maß-, Sicht-, Funktions- und Dokumentationsprüfung
Auswerten und übergeben	Was wird dem Kunden erklärt und was muss verbessert werden?	Übergabeprotokoll, Abweichungsliste, Reflexion

Kundenkommunikation ist dabei eine technische Aufgabe. Eine gute Rückfrage enthält den beobachteten Klärungsbedarf, die Auswirkung und eine konkrete Entscheidungsoption, zum Beispiel: „Soll die Bereitschaftsleuchte nur bei erkanntem Werkstück oder zusätzlich bei freigegebener Schutzhaube leuchten? Ohne diese Festlegung ist die Abnahmelogik nicht eindeutig.“

Ausbildungsbezug

Der Auftrag verknüpft die Lernfelder des ersten Ausbildungsjahres: Analysieren von Funktionszusammenhängen in mechatronischen Systemen, Herstellen mechanischer Teilsysteme, Installieren elektrischer Betriebsmittel unter Beachtung sicherheitstechnischer Aspekte, Untersuchen der Energie- und Informationsflüsse in elektrischen und hydraulischen Baugruppen sowie Kommunizieren mit Hilfe von Datenverarbeitungssystemen. Die zeitliche und sachliche Einordnung muss an den betrieblichen Ausbildungsplan, den Unterricht der Berufsschule und Vorgaben der zuständigen Industrie- und Handelskammer angepasst werden.

Die bundesweite Ausbildungsordnung nennt unter anderem Arbeitsorganisation, Qualität, mechanische Bearbeitung, elektrische Installation, Messen und Prüfen, Steuerungen, Software, Montage, Inbetriebnahme, Instandhaltung, technische Kommunikation, Datenschutz und Digitalisierung. Der KMK-Rahmenlehrplan ordnet die fünf genannten Lernfelder dem ersten Ausbildungsjahr zu. Maßgeblich sind stets die im Betrieb aktuell eingeführten Unterlagen.

Systemanalyse und Arbeitsplanung

Funktion, Energie, Information und Material

Ein Blockschaltbild reduziert ein komplexes System auf Funktionen und Schnittstellen. Für den Demonstrator kann die Kette so beschrieben werden:

Materialfluss: Übungswerkstück → Führung → Erkennungsposition → Entnahme.

Informationsfluss: Werkstück vorhanden → Sensor erzeugt Schaltsignal → Relais oder simulierte Steuerung verarbeitet Signal → Leuchte zeigt Zustand → Prüfprotokoll speichert Ergebnis.

Elektrischer Energiefluss: 24-V-Netzteil → Schutz- und Schaltelemente → Sensor, Relais und Leuchten → Rückleiter.

Hydraulischer Energiefluss in der Simulation: Druckquelle → Wegeventil → Zylinder → Rücklauf. Die Simulation macht sichtbar, wie Druck und Volumenstrom in Kraft und Bewegung umgesetzt werden, ohne eine reale Druckgefährdung zu erzeugen.

Diese Flüsse dürfen nicht verwechselt werden. Das Werkstück ist kein Signal, das Sensorsignal ist keine Antriebsenergie und ein Prüfprotokoll ersetzt keine Messung. Ein typischer Fehler ist, im Blockbild nur Bauteile aneinanderzureihen, ohne Richtung, Ein- und Ausgangsgrößen oder Systemgrenzen zu kennzeichnen.

Abbildung: Beispiel eines induktiven Näherungssensors. Urheber: Ekbsensor; Lizenz: CC BY-SA 4.0; Dateinachweis.

Variantenvergleich und Entscheidung

Für die Werkstückerkennung kommen beispielsweise ein mechanischer Endschalter, ein induktiver Sensor oder ein optischer Sensor infrage. Für das metallische Übungswerkstück ist der induktive Sensor plausibel, weil er berührungslos arbeitet und metallische Objekte erkennt. Die tatsächliche Auswahl hängt von Schaltabstand, Einbauart, Versorgung, Ausgangsschaltung, Schutzart, Umgebung und Herstellerdaten ab. Die Angabe „24 V“ allein genügt nicht.

Kriterium	Mechanischer Endschalter	Induktiver Sensor	Optischer Sensor
Berührung	mechanisch erforderlich	berührungslos	berührungslos
Geeignete Objekte	viele feste Objekte	insbesondere Metall	abhängig von Optik und Oberfläche
Verschleiß	bewegte Kontakte möglich	gering bei korrektem Einbau	gering, aber Verschmutzung kann stören
Planungsbedarf	Betätigungskraft und Weg	Schaltabstand, PNP oder NPN, bündiger Einbau	Reichweite, Reflexion, Fremdlicht

Die Projektentscheidung lautet: Ein vom Ausbildungsbetrieb freigegebener induktiver 24-V-DC-Sensor wird auf einer gefertigten Halterung montiert. PNP- oder NPN-Ausgang, Öffner- oder Schließerfunktion und zulässige Last werden aus dem konkreten Datenblatt übernommen. Ohne diese Angaben darf nicht verdrahtet werden.

Arbeitsplan, Informations- und Materialfluss

Ein prüfbarer Arbeitsplan enthält Tätigkeit, Voraussetzung, Werkzeug oder Software, Risiko, Prüfkriterium und Dokument. Für den Beispielauftrag gilt folgende Reihenfolge:

Schritt	Tätigkeit	Mittel	Prüfkriterium
1	Auftrag klären und Systemgrenze festlegen	Lastenblatt, Rückfragenliste	Abnahmekriterien schriftlich bestätigt
2	Gefährdungen und sichere Alternative bestimmen	betriebliche Gefährdungsbeurteilung, Unterweisung	Freigabe durch verantwortliche Fachkraft
3	Blockbild, Maßskizze, Stromlauf- und Hydraulikplan erstellen	CAD oder Zeichnung, Simulationssoftware	eindeutige Bezeichnungen und Versionsstand
4	Stückliste und Materialbereitstellung prüfen	Herstellerdaten, Lagerliste	Typ, Menge, Zustand und Freigabe stimmen
5	Sensorhalterung anreißen, bohren, entgraten und messen	freigegebene Werkzeuge, Messschieber	Maße und Kanten entsprechen Prüfplan
6	24-V-Schaltung spannungsfrei aufbauen	Schulungsnetzteil, Leitungen, Sensor, Relais, Leuchten	Sichtprüfung gegen Schaltplan bestanden
7	Hydraulikzweig simulieren	FluidSIM oder gleichwertige freigegebene Software	Druck, Kraft und Bewegungsablauf nachvollziehbar
8	Unter Aufsicht prüfen, Fehler eingrenzen und korrigieren	geeignetes Messgerät, Prüfliste	Soll-Ist-Vergleich dokumentiert
9	Ergebnis übergeben und reflektieren	Übergabeprotokoll, Präsentation	Kunde kann Funktion, Grenzen und Restpunkte nachvollziehen

Der Materialfluss wird durch Stückliste, Entnahme, Kennzeichnung, Restmaterial und Rückgabe dokumentiert. Der Informationsfluss umfasst aktuelle Zeichnungen, Datenblätter, Dateinamen, Freigaben und Änderungsstände. Ein häufiger Qualitätsfehler entsteht, wenn am Werkstück nach einer alten Zeichnung gearbeitet wird. Deshalb trägt jede Datei mindestens Titel, Datum, Versionsnummer und verantwortliche Freigabe.

Fachrechnen für die Planung

Für die Beispielschaltung werden synthetische Planwerte angenommen: Sensor 0,03 A, Relais 0,06 A, grüne Leuchte 0,04 A und gelbe Leuchte 0,04 A. Im ungünstigen vorgesehenen Betriebszustand sind alle vier Verbraucher zu berücksichtigen.

Gesamtstrom: $I_{\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{s}}=\mathrm{0,03}A+\mathrm{0,06}A+\mathrm{0,04}A+\mathrm{0,04}A=\mathrm{0,17}A$

Mit 25 Prozent Planungsreserve: $I_{\mathrm{P}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{n}}=\mathrm{0,17}A\cdot \mathrm{1,25}=\mathrm{0,2125}A$

Ein freigegebenes, strombegrenztes 24-V-Netzteil mit mindestens 0,5 A Nennstrom bietet rechnerisch Reserve. Diese Rechnung ersetzt nicht die Prüfung von Einschaltströmen, Leitungsquerschnitten, Sicherungen, Schutzkonzept und Herstellerangaben durch die verantwortliche Fachkraft.

Elektrische Leistung im angenommenen Zustand: $P=U\cdot I=24V\cdot \mathrm{0,17}A=\mathrm{4,08}W$

Wird dieser Zustand an 200 Ausbildungstagen jeweils 15 Minuten genutzt, beträgt die rechnerische Energie: $E=\mathrm{4,08}W\cdot \mathrm{0,25}h\cdot 200=204Wh=\mathrm{0,204}kWh$

Der kleine Wert rechtfertigt dennoch kein unnötiges Einschalten. Strombegrenzung, Abschaltung nach Gebrauch, wiederverwendbare Grundplatten und sortenreine Reststoffsammlung verbinden Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit.

Mechanisches Teilsystem herstellen

Zeichnung, Maße und Toleranzen

Die Sensorhalterung besteht im Beispiel aus einem Aluminium-Flachstück mit 80 mm Länge, 40 mm Breite und 3 mm Dicke. Zwei Durchgangsbohrungen mit 5,5 mm Durchmesser liegen auf einer Mittellinie; ihr Abstand beträgt 60,0 mm ±0,2 mm. Die Sensoröffnung richtet sich nach dem konkreten Sensorgewinde und darf nicht aus einem erfundenen Standardmaß übernommen werden.

Toleranz bezeichnet die erlaubte Abweichung vom Nennmaß. Für den Lochabstand ergibt sich der zulässige Bereich:

$\mathrm{60,0}mm-\mathrm{0,2}mm=\mathrm{59,8}mm$

bis

$\mathrm{60,0}mm+\mathrm{0,2}mm=\mathrm{60,2}mm$

Ein gemessener Abstand von 60,1 mm ist maßlich zulässig. Ein Wert von 60,3 mm ist außerhalb der Toleranz und darf nicht als „fast richtig“ abgenommen werden. Vor einer Nacharbeit wird geprüft, ob sie technisch zulässig ist oder das Werkstück neu gefertigt werden muss.

Abbildung: Messschieber zur Längen- und Durchmessermessung. Urheber: Santeri Viinamäki; Lizenz: CC BY-SA 4.0; Dateinachweis.

Fertigungsfolge und Arbeitsschutz

Eine mögliche Fertigungsfolge lautet: Rohmaß prüfen, Bezugskante festlegen, Maße anreißen, körnen, Werkstück sicher spannen, mit freigegebener Drehzahl bohren, Kanten entgraten, reinigen und messen. Die konkrete Ausführung richtet sich nach Werkstoff, Maschine, Werkzeug, Betriebsanweisung und Unterweisung.

Typische Fehler und ihre Folgen:

1. Bezugskante verwechselt: Lochbild wird spiegelverkehrt oder versetzt.
2. Werkstück nicht sicher gespannt: Verletzungsgefahr und ungenaue Bohrung.
3. Falscher Bohrerdurchmesser: Schraube passt nicht oder hat zu viel Spiel.
4. Nicht entgratet: Schnittgefahr, schlechte Auflage und beschädigte Leitungen.
5. Messschieber verkantet: scheinbar korrekter, tatsächlich falscher Messwert.
6. Messwert ohne Einheit oder Prüfmittelnummer: Ergebnis ist nicht rückverfolgbar.

Schutzbrille, geeignete Kleidung, zusammengebundene Haare und ein aufgeräumter Arbeitsplatz richten sich nach Betriebsanweisung und Gefährdungsbeurteilung. Handschuhe dürfen an rotierenden Maschinen wegen Einzugsgefahr ungeeignet sein; die verbindliche Festlegung trifft der Betrieb. Späne werden mit vorgesehenem Hilfsmittel entfernt, nicht mit bloßer Hand.

Vollständig erläuterter mechanischer Prüffall

Nach der Fertigung werden folgende synthetische Messwerte erfasst:

Merkmal	Soll	Ist	Bewertung
Länge	80,0 mm ±0,5 mm	79,8 mm	erfüllt
Breite	40,0 mm ±0,5 mm	40,2 mm	erfüllt
Lochabstand	60,0 mm ±0,2 mm	60,1 mm	erfüllt
Bohrungsdurchmesser	5,5 mm nach Zeichnung	mit freigegebenem Prüfmittel bestätigt	erfüllt
Kanten	gratfrei	Sicht- und Tastprüfung ohne scharfe Grate	erfüllt

Das prüfbare Arbeitsergebnis ist nicht nur „Halterung fertig“, sondern: Die Halterung ist eindeutig gekennzeichnet, entspricht der freigegebenen Zeichnung Version 1.2, liegt innerhalb der angegebenen Maße, weist keine scharfen Kanten auf und kann ohne Verspannung montiert werden. Erst dann wird sie für den nächsten Arbeitsschritt freigegeben.

Elektrik, Hydraulik und sichere Inbetriebnahme

Elektrische Schutzorganisation

Auch bei einem 24-V-Modellaufbau gelten klare Zuständigkeiten. Eine Kleinspannung kann Kurzschluss, Erwärmung, Lichtbogen an ungeeigneten Kontakten oder unerwartete Bewegung nicht automatisch ausschließen. Das Netzteil muss für den Ausbildungszweck freigegeben, strombegrenzt und unbeschädigt sein. Der Aufbau wird spannungsfrei erstellt und zunächst durch Sichtprüfung mit Schaltplan, Klemmenbezeichnung und Herstellerdaten verglichen.

Für Arbeiten an elektrischen Anlagen sind insbesondere die DGUV Vorschrift 3, die DGUV Information 203-001 und die jeweils geltenden elektrotechnischen Regeln relevant. Die fünf Sicherheitsregeln lauten: freischalten, gegen Wiedereinschalten sichern, Spannungsfreiheit feststellen, erden und kurzschließen sowie benachbarte unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken. Welche Regeln im konkreten Fall anzuwenden sind und wer sie durchführen darf, entscheidet die verantwortliche Elektrofachkraft. Auszubildende führen keine eigenmächtigen Arbeiten an Netzspannung oder offenen aktiven Teilen aus.

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Video: „Die fünf Sicherheitsregeln im Elektrohandwerk“ von BG ETEM. Einbettung über YouTube; Rechte verbleiben beim Anbieter, eine freie Nachnutzungslizenz wird nicht behauptet.

Als technische Bezugspunkte werden vor Einsatz die aktuelle betriebliche Normenliste und Herstellerunterlagen geprüft. Bei Veröffentlichung dieses Kurses war DIN EN 60204-1:2026-06 für die elektrische Ausrüstung von Maschinen als aktuell gekennzeichnet. DIN VDE 0100-600:2017-06 behandelt die Erstprüfung elektrischer Anlagen. Ob und in welchem Umfang diese Normen auf einen konkreten Schulungsaufbau anzuwenden sind, entscheidet die fachlich verantwortliche Stelle; der Kurs kopiert keine Normtexte.

Messen ohne Messfehler und Gefährdung

Eine Spannungsmessung erfolgt parallel zum betrachteten Bauteil. Eine Strommessung erfolgt in Reihe; ein falsch parallel angeschlossenes Strommessgerät kann einen Kurzschluss verursachen. Eine Widerstandsmessung darf nur am spannungsfreien, gegen Wiedereinschalten gesicherten und für die Messung geeigneten Stromkreis erfolgen. Vor jeder Messung werden Messgröße, Messbereich, Buchsen, Leitungen, Gerätezustand und Messkategorie geprüft. Die verantwortliche Fachkraft legt das Verfahren fest.

Abbildung: Digitalmultimeter als Beispiel für ein elektrisches Messgerät. Urheber: André Karwath; Lizenz: CC BY-SA 2.5; Dateinachweis.

Beispiel für einen Soll-Ist-Vergleich am freigegebenen 24-V-Modell: Am Netzteilausgang werden 24,1 V gemessen, am Sensor unter Last 23,8 V. Die Differenz beträgt 0,3 V. Das allein beweist noch keinen Fehler. Zuerst werden Messunsicherheit, Leitungsweg, Kontakte, Lastzustand und zulässiger Bereich laut Datenblatt betrachtet. Ein typischer Analysefehler wäre, sofort ein Bauteil zu tauschen, ohne eine Hypothese und eine bestätigende Messung zu formulieren.

Relais, Sensor und Schutzdiode

Ein Relais trennt Steuer- und Lastpfad funktional und schaltet Kontakte elektromagnetisch. Bei einer Gleichstromspule entsteht beim Abschalten eine Induktionsspannung. Eine geeignete Schutzbeschaltung kann diese Spannung begrenzen; Polung, Bauteilwert und Eignung müssen aus Herstellerdaten oder freigegebenem Schaltplan stammen. Falsch gepolte Schutzdioden können den Stromkreis kurzschließen.

Animation: Relais mit Freilaufdiode. Urheber: Cloullin; Lizenz: CC BY-SA 4.0; Dateinachweis.

Für eine sichere Fehlerlogik wird im Beispiel gefordert: Ist die Sensorleitung unterbrochen oder die Versorgung nicht vorhanden, darf die grüne Bereitschaftsleuchte nicht leuchten. Diese Forderung wird im Schaltplan und im Prüfplan als konkreter Fehlerfall aufgenommen. Ein bloßer Funktionstest im fehlerfreien Zustand reicht nicht.

Hydraulischer Rechen- und Simulationsfall

Der Hydraulikzweig wird zunächst nur simuliert. Angenommen werden ein Zylinder mit 20 mm Kolbendurchmesser, 50 mm Hub, 20 bar Betriebsdruck und ein idealisierter Volumenstrom von 1 Liter pro Minute. Die reale Auswahl eines Zylinders, Ventils oder Schlauchs erfordert Herstellerangaben, Sicherheitsfaktoren und fachliche Freigabe.

Kolbenfläche: $A=\frac{\pi \cdot d^2}{4}=\frac{\pi \cdot (\mathrm{0,020}m{)}^2}{4}=\mathrm{3,14}\cdot 10^{-4}{m}^2$

Theoretische Kraft: $F=p\cdot A=\mathrm{2,0}\cdot 10^{6}Pa\cdot \mathrm{3,14}\cdot 10^{-4}{m}^2\approx 628N$

Bei einem angenommenen Gesamtwirkungsgrad von 0,80: $F_{\mathrm{n}\mathrm{u}\mathrm{t}\mathrm{z}}\approx 628N\cdot \mathrm{0,80}\approx 502N$

Ölvolumen für den 50-mm-Hub: $V=A\cdot s=\mathrm{3,14}\cdot 10^{-4}{m}^2\cdot \mathrm{0,050}m=\mathrm{1,57}\cdot 10^{-5}{m}^3=\mathrm{15,7}c{m}^3$

Ein Liter pro Minute entspricht etwa 16,7 Kubikzentimetern pro Sekunde. Die idealisierte Ausfahrzeit beträgt daher: $t=\frac{\mathrm{15,7}c{m}^3}{\mathrm{16,7}c{m}^3/s}\approx \mathrm{0,94}s$

Das Ergebnis zeigt, dass schon ein kleiner Zylinder eine erhebliche Kraft erzeugen kann. Deshalb werden Quetschstellen, gespeicherte Druckenergie, Leckagen, Schlauchzustand und unkontrollierte Bewegungen ernst genommen. Für reale hydraulische Systeme sind unter anderem DIN EN ISO 4413 und Herstellerangaben zu beachten. Druck wird vor Arbeiten sicher abgebaut und der drucklose Zustand fachgerecht festgestellt. Im ersten Ausbildungsjahr ist die Software-Simulation die bevorzugte Alternative, wenn kein freigegebener didaktischer Hydraulikstand und keine befugte Aufsicht vorhanden sind.

Abbildung: vereinfachter hydraulischer Schaltkreis mit Richtungssteuerung. Urheber: Duk; SVG-Bearbeitung: P neves; Lizenz: CC BY-SA 3.0 und GFDL; Dateinachweis.

Eine geeignete sichere Simulationsmöglichkeit ist FluidSIM oder eine gleichwertige, vom Betrieb freigegebene Software. Die offizielle Festo-Seite beschreibt die Simulation pneumatischer, hydraulischer und elektrischer Schaltungen. In der Simulation werden Bauteilparameter, Messpunkte, Signalverlauf und erwartete Endlage dokumentiert. Die Simulation ersetzt nicht automatisch eine spätere fachgerechte Sicherheitsprüfung eines realen Systems.

Prüfen, Fehler analysieren und dokumentieren

Prüfplan und sichere Inbetriebnahme

Eine Inbetriebnahme beginnt nicht mit dem Einschalten, sondern mit festgelegten Prüfschritten. Für den Demonstrator gilt:

Prüfschritt	Methode	Sollkriterium	Reaktion bei Abweichung
Dokumentenprüfung	Versionen von Zeichnung, Schaltplan und Datenblättern vergleichen	alle Unterlagen freigegeben und konsistent	Ausführung stoppen und Version klären
Mechanische Sicht- und Maßprüfung	Kanten, Befestigung, Lochabstand und Sensorposition prüfen	gratfrei, fest, innerhalb Toleranz	nach Freigabe nacharbeiten oder neu fertigen
Elektrische Sichtprüfung	Leitungswege, Klemmen, Polung und Schutzbeschaltung gegen Plan prüfen	keine lose oder falsch zugeordnete Verbindung	spannungsfrei korrigieren
Freigabe zur Energiezufuhr	verantwortliche Fachkraft bestätigt Schutzmaßnahmen	schriftliche oder betriebsübliche Freigabe liegt vor	nicht einschalten
Funktionsprüfung	Werkstück einlegen und entfernen	grüne Anzeige nur bei erkanntem Werkstück und freigegebenem Zustand	Fehlerbild dokumentieren und systematisch eingrenzen
Fehlerfallprüfung	Sensorleitung im freigegebenen Prüfaufbau simuliert unterbrechen	keine falsche Bereitschaftsmeldung	Logik und Verdrahtung prüfen
Hydrauliksimulation	Druck, Kraft, Hub und Zeit im Modell vergleichen	Rechenweg und Simulation plausibel	Parameter, Einheiten und Modellgrenzen prüfen
Abschlussprüfung	Abnahmeliste vollständig durchgehen	alle Pflichtkriterien erfüllt oder Restpunkte eindeutig benannt	keine Übergabe als mängelfrei

Die Prüfung vor erster Inbetriebnahme oder nach Änderung elektrischer Betriebsmittel erfolgt gemäß DGUV Vorschrift 3 durch eine Elektrofachkraft oder unter deren Leitung und Aufsicht. Ein Auszubildender kann vorbereiten, dokumentieren und unter Anleitung messen, darf aber keine Befugnis vortäuschen.

Systematische Fehleranalyse

Fehleranalyse folgt einer überprüfbaren Kette: Fehlerbild beschreiben, sicheren Zustand herstellen, Systemgrenze festlegen, mögliche Ursachen ordnen, eine Hypothese bilden, gezielt prüfen, Ergebnis bewerten, Ursache beheben und Gesamtfunktion erneut testen.

Beispiel: Die grüne Leuchte bleibt aus, obwohl ein Metallwerkstück vor dem Sensor liegt.

1. Sichtprüfung: Ist der Sensor korrekt positioniert und unbeschädigt?
2. Informationsprüfung: Passen Sensortyp, Anschlussbild und Last zum freigegebenen Schaltplan?
3. Energieprüfung: Liegt die zulässige Versorgungsspannung am Sensor an?
4. Signalprüfung: Ändert sich der Sensorausgang beim Werkstückwechsel?
5. Verarbeitung: Schaltet das Relais und sind Kontaktbezeichnung sowie Schutzdiode korrekt?
6. Anzeige: Ist die Leuchte funktionsfähig und richtig angeschlossen?
7. Abschluss: Nach jeder Korrektur werden Normalbetrieb und definierter Fehlerfall erneut geprüft.

Es wird immer nur eine begründete Änderung zurzeit vorgenommen. Andernfalls ist nicht erkennbar, welche Maßnahme wirksam war. Ausgetauschte Teile werden nicht ungeprüft entsorgt; Ursache, Befund und Verbleib werden dokumentiert.

Digitale Dokumentation und Datenschutz

Die Projektdokumentation enthält keine echten Kunden-, Betriebs-, Beschäftigten- oder Schülerdaten. Stattdessen werden Kennungen wie „Kunde A“, „Auftrag M-01“ und synthetische Messwerte verwendet. Dateien werden nur in freigegebenen Systemen gespeichert. Zugriffsrechte folgen dem Erforderlichkeitsprinzip, und Freigabelinks werden nicht öffentlich geteilt. Fotos werden so aufgenommen, dass keine Namensschilder, Gesichter, Bildschirme, Seriennummern oder vertraulichen Produktionsdetails sichtbar sind.

Ein sinnvoller Dateiname lautet beispielsweise `M01_Stromlaufplan_V1-2_2026-10-25.pdf`. Änderungen werden in einer Liste mit Datum, Version, Anlass und Freigabe vermerkt. Dadurch bleibt der Informationsfluss nachvollziehbar. Ein Screenshot ohne Quelle, Version oder Kontext ist kein belastbarer technischer Nachweis.

Vollständiges Arbeitsergebnis und Bewertungsraster

Der vollständig erläuterte Praxisfall gilt als erfolgreich bearbeitet, wenn folgende Produkte vorliegen:

1. freigegebene Auftragsklärung mit messbaren Abnahmekriterien,
2. Blockbild mit Material-, Informations- und Energieflüssen,
3. Gefährdungsbeurteilung und dokumentierte Unterweisung,
4. Arbeitsplan, Stückliste, Zeitansatz und begründete Variantenentscheidung,
5. maßhaltige, entgratete Sensorhalterung,
6. geprüfter 24-V-Modellaufbau unter fachlicher Aufsicht,
7. Hydraulikrechnung und funktionsfähige Simulation,
8. Prüfprotokoll mit Soll-Ist-Werten und mindestens einem untersuchten Fehlerfall,
9. datensparsame digitale Dokumentation,
10. Kundenübergabe mit Grenzen, Restpunkten und Verbesserungsvorschlag.

Bewertungsbereich	Punkte	Volle Leistung
Sicherheit und Gefährdungsbeurteilung	20	Gefährdungen, Zuständigkeiten, Schutzmaßnahmen und Simulationsalternative sind vollständig und werden eingehalten.
Systemanalyse	15	Funktionen sowie Material-, Informations- und Energieflüsse sind richtig, übersichtlich und mit Schnittstellen dargestellt.
Planung und Fachrechnen	15	Arbeitsplan, Stückliste, elektrische und hydraulische Rechnungen sind nachvollziehbar, einheitenrichtig und begründet.
Mechanische und elektrische Ausführung	20	Halterung und freigegebener 24-V-Aufbau entsprechen Zeichnung, Schaltplan, Herstellerangaben und Qualitätskriterien.
Prüfung und Fehleranalyse	15	Prüfplan, Messwerte, Fehlerhypothese, Korrektur und Wiederholungsprüfung sind systematisch dokumentiert.
Dokumentation und Kundenkommunikation	10	Unterlagen sind versioniert, datensparsam, verständlich und für die Übergabe geeignet.
Nachhaltigkeit und Reflexion	5	Material-, Energie- und Verbesserungsaspekte werden konkret bewertet.

Die Summe beträgt 100 Punkte. Das Raster ist ein Lern- und Rückmeldeinstrument. Es ist keine amtliche Prüfung, keine Prüfungszulassung und keine Anerkennung durch eine Kammer. Betrieb, Schule und zuständige Kammer können Kriterien und Gewichtung an ihre verbindlichen Vorgaben anpassen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Fachwissen prüfen

Welche Zuordnung beschreibt im Modellarbeitsplatz einen Informationsfluss? (Der Sensor meldet das erkannte Werkstück an die Auswertung) (!Das Werkstück bewegt sich durch die Führung) (!Das Netzteil liefert elektrische Energie) (!Der Bohrer trägt Material von der Halterung ab)

Wie wird die elektrische Spannung an einer 24-V-Leuchte fachgerecht gemessen? (Parallel zur Leuchte) (!In Reihe mit der Leuchte) (!Mit kurzgeschlossenen Messleitungen) (!Im Widerstandsbereich unter Spannung)

Welcher Wert liegt innerhalb der Toleranz 60,0 mm plus oder minus 0,2 mm? (60,1 mm) (!60,3 mm) (!59,7 mm) (!60,5 mm)

Welche Aussage zur hydraulischen Zylinderkraft ist fachlich richtig? (Sie wächst bei gleicher Kolbenfläche mit steigendem Druck) (!Sie ist unabhängig von Druck und Kolbenfläche) (!Sie wird allein durch die Hublänge bestimmt) (!Sie sinkt zwingend bei größerer Kolbenfläche)

Welches Verhalten erfüllt die festgelegte sichere Fehlerlogik? (Bei unterbrochener Sensorleitung bleibt die Bereitschaftsanzeige aus) (!Bei unterbrochener Sensorleitung leuchtet die Bereitschaftsanzeige dauerhaft) (!Bei fehlender Versorgung wird ein korrekter Betriebszustand angezeigt) (!Bei unbekanntem Fehler wird die Prüfung ohne Dokumentation fortgesetzt)

Warum wird eine gebohrte Sensorhalterung entgratet? (Um scharfe Kanten und eine fehlerhafte Auflage zu vermeiden) (!Um den Lochabstand automatisch zu vergrößern) (!Um die elektrische Spannung zu erhöhen) (!Um den Sensor ohne Datenblatt auswählen zu können)

Was muss vor der Verdrahtung eines induktiven Sensors geklärt sein? (Anschlussbild, Versorgung und Ausgangsschaltung des konkreten Sensors) (!Nur die Farbe des Sensorgehäuses) (!Nur der Preis des Sensors) (!Nur die Länge der Grundplatte)

Welche Angabe macht ein Prüfprotokoll technisch rückverfolgbar? (Messwert mit Einheit, Prüfpunkt, Prüfmittel und Versionsstand) (!Eine Bewertung ohne Messwert) (!Ein Foto ohne Datum und Zuordnung) (!Eine mündliche Erinnerung ohne Dokument)

Welche Maßnahme schützt vertrauliche Daten in der Projektdokumentation? (Synthetische Kennungen verwenden und Zugriffe auf Erforderliche begrenzen) (!Echte Kundendaten in öffentlichen Freigabelinks speichern) (!Passwörter in den Dateinamen schreiben) (!Ungeprüfte Bildschirmfotos veröffentlichen)

Welche Aussage zur Inbetriebnahme des elektrischen Modellaufbaus ist richtig? (Die Energiezufuhr erfolgt erst nach Sichtprüfung und Freigabe durch die verantwortliche Fachkraft) (!Der Aufbau wird während der Verdrahtung dauerhaft eingeschaltet) (!Eine Funktionsprüfung ersetzt die Gefährdungsbeurteilung) (!Ein 24-V-Aufbau benötigt grundsätzlich keine Schutzorganisation)

Memory-Spiel

Blockschaltbild	Darstellung von Funktionen und ihren Schnittstellen
Toleranz	Zulässiger Bereich um ein Nennmaß
Sensor	Wandelt eine physikalische Größe in ein nutzbares Signal um
Aktor	Wandelt Energie und Steuersignal in eine Wirkung oder Bewegung um
Prüfprotokoll	Dokumentiert Prüfkriterien, Messwerte und Ergebnisse
Gefährdungsbeurteilung	Ermittelt Risiken und legt geeignete Schutzmaßnahmen fest

Zuordnungsaufgabe

Ordne die fachlich passende Beschreibung zu.	Begriff
Spannungsmessung	Messgerät parallel zum Bauteil
Strommessung	Messgerät in Reihe im freigegebenen Stromkreis
Widerstandsmessung	Messung nur im spannungsfreien geeigneten Stromkreis
Hydraulikzylinder	Wandelt Druckenergie in eine lineare Bewegung um
Versionsstand	Macht den gültigen Informationsstand rückverfolgbar

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Bauteil erkennt im Projekt das metallische Werkstück?
Aktor	Wie heißt ein Bauteil, das ein Signal und Energie in eine Wirkung umsetzt?
Toleranz	Wie heißt der zulässige Bereich um ein Nennmaß?
Hydraulik	Welche Fluidtechnik arbeitet im Rechenfall mit Druckflüssigkeit?
Stromkreis	Wie heißt der geschlossene Weg des elektrischen Stroms?
Prüfplan	Welches Dokument legt Kriterien, Methoden und Sollwerte vor der Kontrolle fest?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Ein mechatronischer Auftrag beginnt mit der eindeutigen . Im Blockbild werden Funktionen und übersichtlich dargestellt. Der elektrische Aufbau wird vor der Verdrahtung gehalten. Eine Spannung misst du fachgerecht zum betrachteten Bauteil. Die zulässige Abweichung von einem Nennmaß heißt . Bei der Hydraulikrechnung ergibt sich die theoretische Kraft aus Druck und . Ein Prüfprotokoll vergleicht jeden Istwert mit dem zugehörigen . Für die digitale Dokumentation werden statt echter Personendaten Kennungen verwendet. Nach einer Fehlerkorrektur folgt eine erneute . Die Übergabe benennt Funktion, Grenzen und offene .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Auftragsmerkmale markieren: Untersuche den synthetischen Kundenauftrag und kennzeichne Funktion, Randbedingungen, Abnahmekriterien, Terminrisiken und offene Rückfragen.
2. Flüsse unterscheiden: Zeichne für den Modellarbeitsplatz je einen Pfeil für Material-, Informations- und elektrischen Energiefluss und beschrifte Anfang sowie Ende.
3. Toleranz prüfen: Bewerte die Messwerte 59,7 mm, 59,9 mm, 60,2 mm und 60,4 mm für das Sollmaß 60,0 mm ±0,2 mm und begründe jede Entscheidung.
4. Sicherheitsgrenzen erklären: Erstelle ein Hinweisschild, das verständlich erklärt, welche Tätigkeiten nur unter befugter Aufsicht stattfinden und welche Simulation als sichere Alternative dient.

Standard

1. Arbeitsplan entwickeln: Erstelle einen Arbeitsplan mit mindestens acht Schritten, Werkzeugen, Risiken, Prüfkriterien und zugehörigen Dokumenten für die Sensorhalterung und den 24-V-Aufbau.
2. Sensorvarianten vergleichen: Vergleiche mechanischen, induktiven und optischen Sensor anhand von mindestens fünf technischen Kriterien und begründe eine Auswahl für ein metallisches Werkstück.
3. Prüfprotokoll erstellen: Entwickle ein datensparsames Prüfprotokoll mit Sollwerten, Istwerten, Prüfmitteln, Ergebnis, Abweichung, Korrektur und Wiederholungsprüfung.
4. Kundengespräch simulieren: Führe mit verteilten Rollen eine technische Auftragsklärung und Übergabe durch; dokumentiere drei präzise Rückfragen und zwei verständliche Erklärungen für Nichtfachleute.

Schwer

1. Hydrauliksimulation aufbauen: Erstelle in einer freigegebenen Simulation den beschriebenen Zylinderkreis, variiere Druck und Volumenstrom und erkläre die Auswirkungen auf Kraft und Bewegungszeit.
2. Fehlerbaum entwickeln: Entwickle für die Störung „Bereitschaftsleuchte bleibt aus“ einen Fehlerbaum mit mindestens drei Ursachenbereichen, sicheren Prüfhandlungen und eindeutigen Entscheidungspunkten.
3. Varianten wirtschaftlich bewerten: Vergleiche zwei technische Lösungen anhand von Anschaffung, Arbeitszeit, Energie, Wiederverwendbarkeit, Wartung, Sicherheit und Datenschutz und formuliere eine begründete Empfehlung.
4. Praxisauftrag vollständig nachweisen: Bearbeite den gesamten Auftrag als Team mit freigegebener realer Niederspannungspraxis oder vollständiger digitaler Alternative und präsentiere Arbeitsplan, Ergebnis, Prüfprotokoll, Bewertungsraster und konkrete Verbesserung.

Lernkontrolle

1. Systemgrenze begründen: Begründe, welche Funktionen zum Modellarbeitsplatz gehören und welche bewusst außerhalb des Auftrags bleiben; zeige die Folgen für Prüfung und Verantwortung.
2. Messstrategie planen: Entwickle für eine ausbleibende Sensoranzeige eine sichere Messfolge und erkläre, wie jede Messung eine Fehlerhypothese bestätigt oder widerlegt.
3. Rechenweg übertragen: Berechne Kraft und idealisierte Ausfahrzeit für einen anderen vorgegebenen Kolbendurchmesser, Hub, Druck und Volumenstrom und bewerte die Plausibilität.
4. Qualitätsabweichung entscheiden: Entscheide anhand eines vorgegebenen Maß- und Funktionsprotokolls, ob nachgearbeitet, neu gefertigt oder mit dokumentierter Kundenfreigabe abgewichen werden darf.
5. Schutzkonzept prüfen: Analysiere einen fehlerhaften Arbeitsplan, in dem Verdrahtung unter Spannung, fehlende Freigabe und reale Hydraulik ohne Druckabbau vorgesehen sind, und ersetze jeden Punkt durch eine sichere Vorgehensweise.
6. Dokumentation auditieren: Prüfe einen synthetischen Projektordner auf Versionsstand, Datenminimierung, Rückverfolgbarkeit, Vollständigkeit und verständliche Kundenübergabe.

Lernnachweis

Der konkrete Lernnachweis ist ein vollständiges, datensparsames Projektportfolio zum Modellarbeitsplatz. Es enthält:

1. eine unterschrifts- oder freigabefähige Auftragsklärung mit messbaren Kriterien,
2. ein Blockbild mit Material-, Informations-, elektrischen und hydraulischen Energieflüssen,
3. eine Gefährdungsbeurteilung mit Zuständigkeiten und sicherer Simulationsalternative,
4. Arbeitsplan, Stückliste, Termin- und Variantenentscheidung,
5. technische Zeichnung und Maßprotokoll der Sensorhalterung,
6. freigegebenen Stromlaufplan sowie dokumentierte Sicht- und Funktionsprüfung des 24-V-Aufbaus,
7. vollständige elektrische und hydraulische Rechenwege mit Einheiten,
8. Simulationsdatei oder aussagekräftige, datenschutzkonforme Auswertung,
9. Fehleranalyse mit Hypothese, Prüfung, Korrektur und Wiederholungsprüfung,
10. Übergabeprotokoll und Selbsteinschätzung anhand des 100-Punkte-Rasters.

Als Kompetenznachweis gilt nicht allein das funktionierende Produkt. Entscheidend ist, dass du technische Entscheidungen begründen, Sicherheitsgrenzen einhalten, Messwerte bewerten, Fehler systematisch eingrenzen und das Ergebnis adressatengerecht dokumentieren kannst. Lehrkraft oder Ausbilder geben zu jedem Rasterbereich eine konkrete Rückmeldung. Offene Mängel werden als Lernauftrag festgehalten und nach Bearbeitung erneut geprüft.

OER und Wikipedia

Verbindliche und fachliche Ausgangsquellen

1. BIBB-Berufsprofil Mechatroniker: Berufsprofil, Ausbildungsdauer, Ausbildungsinhalte und Verweise auf Ordnungsmittel.
2. Mechatroniker-Ausbildungsverordnung: aktuelle amtliche Fassung; für den konkreten Ausbildungsgang sind zusätzlich betrieblicher Ausbildungsplan und Kammerhinweise zu beachten.
3. KMK-Rahmenlehrplan Mechatroniker: Lernfelder und schulische Kompetenzbeschreibungen.
4. DGUV Vorschrift 3: elektrische Anlagen und Betriebsmittel.
5. DGUV Information 203-001: Sicherheit bei Arbeiten an elektrischen Anlagen.
6. DGUV Vorschrift 1: Grundsätze der Prävention, Gefährdungsbeurteilung und Unterweisung.
7. DIN EN 60204-1:2026-06: elektrische Ausrüstung von Maschinen; Anwendbarkeit und aktuelle Ausgabe vor Projektbeginn prüfen.
8. DIN EN ISO 4413:2011-04: allgemeine Regeln und Sicherheitsanforderungen für Hydraulikanlagen; aktuelle Ausgabe prüfen.
9. DIN EN ISO 12100:2011-03: Risikobeurteilung und Risikominderung; aktuelle Ausgabe prüfen.
10. Festo FluidSIM: offizielle Beschreibung einer Simulationsumgebung für pneumatische, hydraulische und elektrische Schaltungen.

Geprüfte Medien und Rechteangaben

Medium	Urheber oder Anbieter	Rechteangabe	Fachlicher Einsatz
File:MechatronicsDiagram.png	Gengiskanhg	CC BY-SA 3.0 und GFDL	Fachgebiete der Mechatronik
File:Inductive proximity sensor.jpg	Ekbsensor	CC BY-SA 4.0	induktive Werkstückerkennung
File:Vernier caliper 2016.jpg	Santeri Viinamäki	CC BY-SA 4.0	mechanische Maßprüfung
File:Digital Multimeter Aka.jpg	André Karwath	CC BY-SA 2.5	elektrische Messung
File:Relay animation with flyback diode.gif	Cloullin	CC BY-SA 4.0	Relais und Schutzdiode
File:Hydraulic circuit directional control.svg	Duk und P neves	CC BY-SA 3.0 und GFDL	hydraulische Richtungssteuerung
Die fünf Sicherheitsregeln im Elektrohandwerk	BG ETEM	Einbettung nach YouTube-Bedingungen; keine freie Nachnutzungslizenz behauptet	elektrische Arbeitssicherheit

Die Commons-Medien dürfen nur unter Einhaltung der jeweils verlinkten Lizenzbedingungen weiterverwendet werden. Für das Video verbleiben die Rechte beim Anbieter. Vor einer externen Veröffentlichung werden Verfügbarkeit, Urheberangabe und Lizenz erneut geprüft.

Verknüpfte Lernbereiche

Praxisauftrag Mechatronik Analysieren von Funktionszusammenhängen in mechatronischen Systemen Herstellen mechanischer Teilsysteme Installieren elektrischer Betriebsmittel unter Beachtung sicherheitstechnischer Aspekte Untersuchen der Energie- und Informationsflüsse in elektrischen und hydraulischen Baugruppen Kommunizieren mit Hilfe von Datenverarbeitungssystemen Fachrechnen Qualitätsmanagement Fehleranalyse Arbeitssicherheit Datenschutz Nachhaltigkeit

Das Projekt verbindet Metalltechnik, Elektrotechnik, Fluidtechnik, Technische Kommunikation, Informationstechnik, Mathematik, Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz. Es kann mit weiteren Vorhaben wie einem digitalen Wartungsprotokoll, einer energieoptimierten Anzeige, einer Sensorvergleichsstation oder einem sicheren virtuellen Inbetriebnahmeszenario verknüpft werden. Jede Erweiterung benötigt eine neue Auftragsklärung, Gefährdungsbeurteilung, Versionsführung und Abnahme.

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