5 Jahre Start-a-Factory: Modulares Entwicklungs- und Fertigungslabor für Hardware

Im Wedding schlägt das Herz von elektronikbegeisterten Startups, Gründer*innen und mittelständischen Entwicklungsteams höher. Seit Ende 2017 bietet die Start-A-Factory (SAF) am Fraunhofer IZM eine einzigartige Geräteinfrastruktur und Arbeitsumgebung für Hardware-Entwickler*innen. In dem modularen Entwicklungs- und Fertigungslabor wird in projektbezogenen Kooperationen an Hardwareideen – von der ersten PowerPoint-Skizze bis zu Prototypen auf höchstem Niveau – gearbeitet und geforscht.

RealIZM sprach mit Alexandra Rydz und Ulf Oestermann über Unterschiede der SAF zu anderen MakerSpaces und FabLabs in Berlin, aus welchen Gründen Hardware-Projekte scheitern und warum in der SAF eine strenge Hausordnung gilt.

Dort, wo vor 100 Jahren wegweisende Entwicklungen beim Bau von Elektromotoren ihren Ausgang nahmen, stehen heute Übersee-Container, die der rohen Industriehalle eine völlig neue Funktionalität geben und durch Stahlbrücken miteinander verbunden sind. Über zwei der Hochsee-Container erstreckt sich ein großes treppenförmiges Podest.

Oben auf der Plattform befindet sich der Arbeitsplatz von Ulf Oestermann. Wie von einem Adlerhorst aus hat man einen 360° Ausblick auf das Geschehen in der über 10 Meter hohen Halle. Der Diplom-Ingenieur für Mikrosystemtechnik ist seit 2005 am Fraunhofer IZM und ist gemeinsam mit Dr. Stephan Guttowski, seit 2021 Leiter der Geschäftsstelle der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland und des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik, einer der zentralen Ideengeber hinter der SAF gewesen. Als Ansprechpartner vor Ort laufen bei Ulf alle Fäden zusammen und seinen Adleraugen entgeht nichts.

An der Stirnseite dringt durch eine riesige Fensterfront Tageslicht in die Halle. Während auf der östlichen Seite große Glasscheiben den Besucher*innen einen Einblick in einen der IZM Reinräume geben. Hinter diesen Fenstern erhascht das Auge des Besuchers einen Blick in eine andere Welt: Im gelborangen Licht arbeiten hier Wissenschaftler*innen in hellblauen Reinraumanzügen an hochintegrierten Halbleiterstrukturen.

Der SAF-Dresscode ist deutlich relaxter. In unmittelbarer Nachbarschaft zum Reinraum befindet sich das Herzstück der SAF – die Prototypen-Linie. Mike Groß, verantwortlich für die technische Betreuung der Prototypen-Linie, erkennt man an seinem weißen Laborkittel. Ulfs Markenzeichen ist ein Schottenrock.

So bunt wie die Kleidung – so vielfältig sind auch die Nutzer*innen. Ein Teil kommt direkt im Anschluss an ihr Studium an der Technischen Universität Berlin oder der HTW in die SAF, um erste Projektideen zu realisieren. Auch bereits erfahrene Unternehmer, die Unterstützung bei Prozess- oder Technologieentwicklungen benötigen suchen, sind häufig gesehene Gäste. In einem Fall hat einer der SAF-Nutzer bereits vier Firmen gegründet und bei Dreien davon erfolgreich den Exit vollzogen.

Modulares Entwicklungs- und Fertigungslabor für Hardware: Wie alles begann…

Fragt man Ulf nach den Anfängen der SAF, holt er kurz aus: „Mit der Start-A-Factory haben wir 2017 ein Angebot speziell für kleine Unternehmen – vom Start-up bis zum KMU – geschaffen, um diesen bei hardwarespezifischen Fragestellungen technologisch weiterzuhelfen. Wenn wir von Hardware reden, dann meinen wir Aufbau- und Verbindungs-Technologien (AVT). Vereinfacht gesagt, alles was einen Stecker oder eine elektronische Komponente hat.“ Es geht um niederschwellige Angebote, die sich auch zeitlich deutlich von den tradierten Vorgehensweisen eines Fraunhofer Instituts unterscheiden.

Bei der Zusammenarbeit von großen Industrieunternehmen mit Forschungseinrichtungen wie dem Fraunhofer IZM folgen Projekte in der Regel einer bestimmten Struktur. Basierend auf Vorgesprächen wird ein Lastenheft der zu entwickelnden Technologien erstellt, um darauf aufbauend einen Projektplan zu entwickeln. Nach Vertragsabschluss werden die Aufgaben dann in einer festgelegten Zeit abgearbeitet.

In ähnlicher Weise ist der Ablauf bei von der EU, von den BMBF oder mit Drittmitteln geförderten Projekten: erst erfolgt die Antragsstellung, dann die Ausarbeitung des Kooperationsvertrages und die Definition der Arbeitspakete und schließlich die konkrete Projektarbeit über mehrere Jahre. Diese Zeit haben junge und kleine Unternehmen – Start-ups und KMU – einfach nicht! Genau an dieser Stelle setzt die SAF an. Hierher kommen Entwicklungsteams mit sehr konkreten Hardware-Problemen und werden so schnell wie möglich verarztet. „Getting Things Done!“ ist das Motto der SAF.

Was bietet die SAF, was andere MakerSpaces nicht haben?

In Berlin gibt es eine Vielzahl an MakerSpaces, Acceleratoren und Inkubatoren, in denen sich angehende Jungunternehmer*innen ausprobieren können. „Die SAF steht aber nicht in Konkurrenz zu kommerziellen Anbietern wie etwa MotionLab Berlin, Next Big Thing und Bosch Startup Harbour“, erläutert Alexandra Rydz, verantwortlich für die externe Kommunikation bei der SAF. „Wir sehen uns als einen Knotenpunkt innerhalb dieses Netzwerks! Hier spielt der Austausch untereinander und die Zusammenarbeit eine wichtige Rolle. Es ist völlig normal, dass Entwicklungsteams einen bestimmten Teil ihrer Projekte mit der SAF und einen anderen Teil z.B. mit MotionLab Berlin umsetzen. Wichtige Multiplikatoren sind zum Beispiel Berlin Partner und die Investitionsbank Berlin (IBB).“

Anders als in kommerziellen MakerSpaces vermietet die SAF keine Arbeitsplätze und Maschinen zur Nutzung. Stattdessen wird ein Kooperationsvertrag auf Zeit geschlossen. Ferner bietet die SAF kein fest vorgegebenes Programm an, sondern richtet sich nach den individuellen Anforderungen der jeweiligen Entwicklungsteams. Je nach Bedarf können dies Workshops sein, 2- bis 3-wöchige Crashkurse in Mikroelektronik bis hin zur Begleitung von in der Regel 6-monatigen Kooperationen oder auch mehrjährigen EU-geförderten Projekten.

„Uns haben Workshop-Teilnehmer nach zwei Tagen mitgeteilt: Vielen Dank, wir haben es verstanden! Als Nächstes werden wir Geld akquirieren, um einen eigenen Elektronik-Ingenieur anzustellen“, so Ulf. „In anderen Fällen sind wir gefragt, gemeinsam zu analysieren, in welchen Bereichen dringend Weiterbildungsbedarf besteht, um auch tatsächlich Hardware erfolgreich zu entwickeln und später vermarkten zu können.“

Warum scheitern Projekte? 5 Gründe und Lösungsansätze

In den 5 Jahren des Bestehens hat das Team der SAF zahlreiche Erfahrungen und Einblicke in die Zusammenarbeit mit Entwicklungsteams gesammelt. Auf die Frage, womit sich Hardware-entwickler*innen besonders schwertun, führt das Team fünf wesentliche Gründe auf.

#Ohne Dokumentation wirst Du scheitern

Ein zentraler Aspekt, den vor allem kleine Teams am Anfang sehr oft vernachlässigen, ist die Dokumentation. Sie ist das A und O und bildet die Basis für den zukünftigen Projekterfolg. Dokumentation ist unsexy, aber essentiell!

Das Mantra lautet: Wenn etwas ausprobiert wurde, egal ob es geklappt hat oder nicht, schreib es auf! Es spart enorm viel Zeit und auch Frustration, wenn nachvollziehbar ist, was bereits getestet wurde, und wenn dokumentiert ist, was sich unter welchen Rahmenbedingungen bewährt hat. Im jeweiligen Team muss klar sein, wie dokumentiert wird.

Es ist extrem wichtig, im Nachgang nachzuvollziehen, wann und aus welchem Grund Anpassungen vorgenommen wurden um das Widerholen von Fehlern zu vermeiden und auch um das generierte Wissen während der Entwicklung im Team zu halten.

#Kenne den Weg, den Du gegangen bist

Im Laufe der Zeit verändert sich ein Projekt. Viele Teams wenden sich häufig aus Finanzierungsgründen von ihrer ursprünglichen Kernidee ab. Es ist daher wichtig zu verstehen, warum man den ursprünglich geplanten Weg an einem bestimmten Punkt verlassen hat.

#Betrachte Elektronik durch die Brille des Anwenders

In der Anfangszeit der SAF gab es zahlreiche Projekte mit dem Fokus auf angepasste Bedienungsmöglichkeiten für ältere Menschen. „Viele dieser Ideen sind an der fehlenden Benutzungsfreundlichkeit gescheitert. Die Hardware war immer korrekt“, berichtet Ulf.

Um ein erfolgreiches Produkt zu entwickeln, braucht es das Verständnis und die Zeit, Prototypen aus Anwendungssicht zu konzipieren, umzusetzen, zu testen und wenn nötig weiterzuentwickeln.

#Wisse um deine Abhängigkeiten – hätte, hätte, Lieferkette

Ein weiteres Thema, das von Hardware-Entwickler*innen oft unterschätzt wird, sind die Lieferketten. In der Anfangseuphorie wird der Fragestellung, wie die Verfügbarkeit der Komponenten und Bauteile und deren Lieferzeit sind, wenig Beachtung geschenkt.

Als Software-Entwickler*in braucht man als Ausstattung einen Rechner. Als Hardware-Entwickler*in ist man auf Zulieferer und die Verfügbarkeit von zertifizierten Komponenten, Bauteilen und Materialien angewiesen. Gerade in der Halbleiterindustrie existieren definierte Entwicklungsschritte mit z.B. Abkündigungen von Bauelementen, die Unwissende während ihrer Entwicklung hart treffen können.

#Definiere so früh wie möglich dein Produkt

Während Eingriffe und Anpassungen eines Software-Codes (theoretisch) jederzeit möglich sind, sind sogenannte Redesigns bei Hardware deutlich schwieriger und zeitaufwendiger. „Hardware zu designen ist ein sehr kleinteiliger und komplexer Prozess“, führt Alexandra aus.

„In der ersten Produktskizze mag eine Bluetooth-Verbindung keine Rolle spielen. Weiß man jedoch bereits, dass dies eine wichtige Anforderung in einer der nächsten Produktstufen sein wird, ist es empfehlenswert, diese Option von Anfang an auf der Leiterplatte mitzudenken oder gleich vorzusehen.“

Forschung und Entwicklung für zukunftsfähige Elektronik

„Seit der Eröffnung haben zahlreiche Unternehmen die SAF genutzt – von Hörgeräten über intelligente Sicherheitsgurte, neuen Geräten für den 3D-Druck, ultraflachen Netzteile bis zu Sensorik an Pflanzen – wurde hier gearbeitet. „Derzeit ist ein Trend zu verzeichnen. Demnächst wird es verstärkt um das Themenfeld GreenTech gehen“, erläutert Alexandra. Aus Geheimhaltungsgründen kann das SAF-Team leider nicht mehr verraten.

„Wir betreiben hier Forschung und Entwicklung. Zugleich sehen wir uns als Partner. Wir zeigen auf, wie beispielsweise eine Fertigung effizient und kostengünstig umzusetzen ist, so dass sich diese später von einem einzelnen Produkt/ Prototyp auf 1 Milliarde skalieren lässt. Mit Arduino oder Raspberry kann man zwar ein Minimum Viable Product (MVP) betreiben, für ein serienfähiges Produkt ist dies jedoch weder zulässig noch ratsam. Unter anderem weisen wir auf Herausforderungen bei der Markteinführung – insbesondere während der Ramp-up-Phase – hin. Wer vom Weihnachtsgeschäft bei einem großen globalen Online-Portal mit seinem Produkt profitieren möchte, muss zu Ostern seine Ware bereits zertifiziert, getestet und in Produktion haben!“

In der SAF wird eine Mischung aus Forschung und Lehre gelebt. Die Vermittlung von Wissen und Erfahrungen steht an erster Stelle. Auf die Frage, wie sich die Tätigkeiten des SAF-Teams prozentual verteilen, erhält man die Antwort: 50% Wissenstransfer, 30% praktische Arbeit unter Aufsicht an der Prototypen-Linie und 20% allgemeine Beratung.

Bestens vernetzt: Wissenstransfer in der Start-a-Factory

Die ausgebauten Übersee-Container dienen den Start-ups und KMU als Labor- und Bürofläche. Hier werden Ideen generiert, mit Solid Works Gehäuse konstruiert und in Altium die Schaltungen erstellt. Die Start-ups können jederzeit beim SAF-Team anklopfen und um Rat fragen. „Eine unserer Aufgaben ist es, aus technologischer Sicht aufzuzeigen, ob ein Produkt zukunftsfähig ist. D.h. dass das Produkt auch in 5 bis 10 Jahren noch fertigbar ist“, erläutert Ulf.

„Eine große Herausforderung ist, dass die Teams immer wieder bei den einzelnen Schritten mit Wissenslücken konfrontiert werden. Das ist sowohl für uns als auch für die Entwickler*innen nicht einfach. Wir sind quasi ein externer Teil ihres Teams – wie eine dritte Schulter. Niemand braucht eine dritte Schulter! Seien wir jedoch ehrlich, wenn man die Hände voll hat und nicht weiterkommt, ist es gut, sich an eine dritte Schulter anlehnen zu können.“

Wissenstransfer findet auf vielen verschiedenen Ebenen in der SAF statt: in der Halle selbst, im Institut und innerhalb der Stadt und des Landes. Je nach Fragestellung holt das SAF-Team zusätzliche Spezialisten vom IZM an Board. Dieser exklusive Zugang zu dem Experten-Netzwerk und den Fachabteilungen am Forschungsinstitut ist ein wichtiges Merkmal, das die SAF von anderen MakerSpaces in der Hauptstadt unterscheidet. Hinzukommen die zahlreichen externen Kontakte der SAF und des IZMs, die den Jungunternehmer*innen Türen in die Wirtschaft und Industrie öffnen, die ansonsten verschlossen blieben.

Ferner profitieren die Hardware-Entwickler*innen von dem einzigartigen Maschinenpark, der sich in der SAF befindet. Sie haben die Möglichkeit, mit Entwurfszeichnungen auf dem USB-Stick auf Mike zuzugehen und in kürzester Zeit auf den 3D-Druckern ihre Gehäuse zu fertigen und auf der SMT-Linie professionelle Prototypen auf Industriestandard zu fertigen. „Mit unseren Maschinen können wir bis runter zu 01005 Komponenten bestücken. Das sind Bauteile von 200µm x 400µm Größe, quasi zwei halbmillimeterlange Haarabschnitte nebeneinander“, führt Ulf aus.

Prototypen-Linie:
– Optische Inspektion für alle Schritte der Fertigung
– Lotpastenauftrag durch Schablonendruck oder Jetten
– Pick&Place zur SMD-Bestückung (17.500 Bauelemente pro Stunde)
– Dampfphasenreflow: Inline-Dampfphase mit Infrarot-Vorwärmung
– 3D-AOI für die Baugruppeninspektion
– Reparaturstation zum Entfernen/Austausch von Bauteilen
– Verschiedene 3D-Drucker

Die SAF-Hausordnung: Anschauen erlaubt, Anfassen verboten!

Im Laufe unseres Treffens kommt Ulf auf ein Thema zu sprechen, bei dem er keinen Spaß versteht. Ähnlich wie gute Eltern, muss auch er ab und zu die Rolle des Spielverderbers einnehmen. Die Prototypen-Linie, die Technologien und der damit verbundene finanzielle Wert der SAF-Ausstattung geht weit über das hinaus, was man normalerweise in MakerSpaces vorfindet.

Sowohl die Europäische Union als auch der Berliner Senat haben den Aufbau der SAF mit sehr viel Geld gefördert. „Von dieser Investition soll nicht nur ein Entwicklungsteam profitieren, sondern nach Möglichkeit Hunderte Teams, die im Lauf der nächsten zehn Jahre hier arbeiten können“, so Alexandra.

Die Nutzung des Maschinenparks ist mit gewissen Risiken verbunden und muss absolut sicher verlaufen. „Die Bedienung unserer Maschinen setzt spezielle Einweisungen und auch Zertifikate voraus. Ohne Führerschein vom Hersteller läuft da nichts! Eine Millisekunde nicht konzentriert und im schlimmsten Fall ist ein Schaden von bis zu 80.000 Euro entstanden“, erläutert Ulf die Spielregeln, die in der SAF gelten. Allein schon aus versicherungstechnischen Gründen obliegt die Bedienung der Maschinen ausschließlich den technischen Assistent*innen.

Die Zusammenarbeit erfolgt auf Augenhöhe. Man könnte es betreutes Entwickeln nennen. Die Entwicklungsteams sind bei jedem einzelnen Bearbeitungsschritt dabei. Vom Design bis zur Produktion sind sie die Akteure denen das SAFD Team assistierend zur Seite steht. Sie müssen schließlich genau verstehen, was, wann und warum es passiert.

Die Idee und auch das geistige Eigentum gehören dabei grundsätzlich immer den Entwicklern. Die Techniker*innen in der SAF sind das professionelle Werkzeug, um diese Ideen mit Leben zu füllen. „Im Endeffekt sind wir auch die Hüter der Betriebsmittel. Als Wachmänner passen wir ständig darauf auf, dass hier keiner etwas kaputt macht“, fasst Ulf die SAF-Spielregeln zusammen.

Ausblick auf neue Projekte und Besucher*innen

Auf die Frage, was sich das SAF-Team für das neue Jahr vorgenommen hat, erläutert Ulf: „Ich persönlich wünsche mir, Projekte zu unterstützen, bei denen die Themen Reparaturfähigkeit, Wiederverwendbarkeit und Langlebigkeit von Elektronik eine Rolle spielen. Nur der Produktion willen, etwas herzustellen, liegt mir fern. Wir wollen keinen zusätzlichen Müll produzieren. Mehr Nachhaltigkeit in der Elektronik ist gefragt!“ Wie sich vorhandene Elektronik wieder neu nutzen oder einer anderen Anwendung zuführen lässt, darin liegt eine große Chance. Das SAF-Team will und wird dazu seinen Beitrag leisten und sein Wissen weitergeben.

Die SAF ist aber auch ein Begegnungsort für Elektronik-Fans. Von Teilnehmer*innen des Schülerwettbewerbs „Invent a Chip“ über ausländische Wirtschaftsdelegationen aus Australien, Neuseeland und Singapur bis hin zu Partnern und Auftraggeber*innen des Fraunhofer IZM die Türen der SAF stehen Interessierten für ein erstes Kennenlernen offen. Hier schlägt das Herz für Elektronik! Bis nach Ostafrika hat sich das Konzept bereits herumgesprochen. 2020/21 wurden im Auftrag der GIZ verschiedenen Entwickler-Teams, Corona bedingt, per Teams an die Herausforderungen für Hardware-Start-ups herangeführt sowie ein kleines Fertigungslabor eingerichtet und in Betrieb genommen.

Wer das SAF-Team und die Halle näher kennenlernen möchte, schreibt einfach eine E-Mail.

Schreiben Sie einen Kommentar, damit andere Leser*innen von Ihren Erfahrungen profitieren können!

Bilder: Fraunhofer IZM

Video: TOTHO cmp GmbH, Thomas Janze