Digitalgestützte 100-Prozent-Prüfungen in der Präzisionsfertigung

image1
Bild: Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen – Arz/116661

Die Herstellung von präzisen Bauteilen, z.B. für die Medizintechnik und Luftfahrt, unterliegt strengen Qualitätsanforderungen und häufig einer Dokumentationspflicht, weshalb produzierende Unternehmen oft 100-Prozent-Prüfungen durchführen. Aktuell erledigen diese Kontrollen meist Fachkräfte manuell. Angesichts des Fachkräftemangels wird es für Unternehmen zunehmend schwieriger, geeignetes Personal für Qualitätskontrollen zu gewinnen. Dies betrifft insbesondere Nacht- und Wochenendschichten. Eine Automatisierung dieser Kontrollen mit herkömmlichen Messsystemen ist in der Regel mit hohen Nebenzeiten verbunden. Zudem wird in beiden Fällen die Bauteilqualität erst nach Ende des Fertigungsprozesses festgestellt. Folglich werden Prozessstörungen erst verspätet erkannt und Ausschussbauteile durchlaufen ebenfalls aufwendige Qualitätskontrollen. Insgesamt entstehen etwa 25 bis 30 Prozent der Herstellungskosten durch die Qualitätssicherung.

Vorausschauende Prüfungen

Im Projekt QPredict wird daher ein modulares, adaptives Fertigungssystem entwickelt, das auf dem Prinzip der virtuellen Qualitätskontrolle (Predictive Quality, PQ) basiert. Das Vorhaben wird im Rahmen des ‚Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand‘ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert und läuft von Januar 2026 bis Mai 2028. Ziel ist es, Qualitätsabweichungen nicht erst nach der Fertigung, sondern bereits während des laufenden Prozesses zu erkennen und gezielt gegenzusteuern, ohne zusätzliche Nebenzeiten zu verursachen. Dadurch sollen sich Ausschuss und Nacharbeit reduzieren, die Herstellkosten senken und ein wirtschaftlicher Drei-Schicht-Betrieb realisieren lassen. Das System ist in vier aufeinander aufbauende Module gegliedert und umfasst die strukturierte Datenerfassung in digitalen Werkstückzwillingen, eine prozessparallele Anomalie-Detektion, eine Qualitätsprädiktion auf Basis von maschinellem Lernen mit bedarfsgerechter Endkontrolle sowie eine automatisierte Prozessadaption.

Datenfundament errichten

Die im Projekt geplanten, datengetriebenen Funktionen setzen eine umfassende Datengrundlage voraus. Daher werden im ersten Schritt sämtliche bauteilbezogenen Informationen, wie Prozessstellgrößen und -signale sowie Qualitätsdaten und relevante Ereignisse, aufgezeichnet und strukturiert in digitalen Werkstückzwillingen gespeichert. Im weiteren Projektverlauf werden die Werkstückzwillinge schrittweise um zusätzliche Informationen ergänzt, beispielsweise um Modellprognosen und vorgenommene Prozessanpassungen.

Sämtliche bauteilbezogenen Daten werden automatisiert und strukturiert gespeichert.
Sämtliche bauteilbezogenen Daten werden automatisiert und strukturiert gespeichert. – Bild: Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen – Arz/116662

Labeln vor dem Training

Derzeit wird das Modul für die Erzeugung der digitalen Werkstückzwillinge entwickelt. Die bauteilbezogenen Informationen werden über einen Edge-PC aus unterschiedlichen Datenquellen automatisiert ausgelesen und vorverarbeitet. Der Großteil der relevanten Informationen liegt in der NC und PLC vor. Hierzu zählen hochfrequente Antriebssignale sowie qualitäts- und prozessbezogene Informationen. Zusätzlich werden Schwingungen im Prozess über einen Beschleunigungssensor erfasst. Zudem ermöglicht eine visuelle Nutzeroberfläche der Fachkraft Auffälligkeiten im Fertigungsprozess direkt zu vermerken (Labeln). Diese Label bilden einen wesentlichen Baustein für das spätere Modelltraining für die nachfolgenden Module.

Modular durch MQTT-Broker

Die zentrale Kommunikationslogik basiert auf einer skalierbaren Broker-Architektur über MQTT, an welche die spezialisierten Vorverarbeitungsdienste ihre Daten übermitteln. Hochfrequente Signale wie das Spindeldrehmoment (10kHz) werden dabei in sogenannten Batches gebündelt, um eine effiziente Weiterverarbeitung zu ermöglichen. Durch diese modulare Struktur der Architektur kann das System mit geringem Aufwand um zusätzliche Datenquellen oder Vorverarbeitungsdienste erweitert, aktualisiert und auf weitere Maschinen ausgeweitet werden. Eine besondere Herausforderung besteht dabei in der Heterogenität der Daten. Die erfassten Informationen sind multimodal, weisen unterschiedliche Abtastraten auf, treffen zeitlich versetzt ein und erzeugen zum Teil hohe Datenvolumina. Um diese Daten für die spätere Modellentwicklung nutzbar zu machen, werden sie strukturiert und synchronisiert, bevor sie anschließend in einer PostgreSQL-Datenbank komprimiert gespeichert werden. Abschließend können über eine einzelne Datenbankabfrage sämtliche Bauteilinformationen, z.B. positionsaufgelöst für ein spezifisches Formelement, ausgegeben werden.

Testlauf beim Zerspaner

Das System wird derzeit bei CNC-Technik Mack Burgrieden anhand eines Beispielbauteils entwickelt und in Betrieb genommen. Durch die vollautomatisierte und kontinuierliche Datenerfassung entsteht in den kommenden Monaten eine umfangreiche Datenbasis, die im weiteren Projektverlauf fortlaufend erweitert wird. Darauf aufbauend folgen die Entwicklung und Validierung der Module zur Anomalie-Detektion, Qualitätsprädiktion und Prozessadaption.



  • Peter Leibinger als neuer BDI-Präsident vorgeschlagen

    Peter Leibinger als neuer BDI-Präsident vorgeschlagen

    Nach zwei Amtszeiten als BDI-Präsident wird Siegfried Russwurm am Jahresende das Amt satzungsgemäß abgeben.

    mehr lesen: Peter Leibinger als neuer BDI-Präsident vorgeschlagen

  • Neue Höchstzahl an Industrierobotern in Deutschland

    Neue Höchstzahl an Industrierobotern in Deutschland

    Die deutsche Wirtschaft hat 28.355 neue Industrieroboter installiert – ein neues Allzeithoch: 2023 stieg der Absatz um 7 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Der operative Bestand erreichte den neuen europäischen…

    mehr lesen: Neue Höchstzahl an Industrierobotern in Deutschland

  • Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

    Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

    Arvato Systems und Advanco, ein Anbieter von Track & Trace-Systemen für die Pharma- und Life Science-Branche, bündeln ihre Expertise und starten eine Partnerschaft.

    mehr lesen: Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

  • Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

    Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

    Im September 2024 hat der SAP-Gold-Partner und Cloudspezialist Innovabee seine Geschäftsführung um Saskia Fontanive und Christian Schweizer erweitert.

    mehr lesen: Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

  • Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

    Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

    Siemens plant, sein eMobility-Geschäft auszugliedern. Im Jahr 2018 bündelte das Unternehmen seine Ladeaktivitäten für Elektrofahrzeuge und überführte diese 2022 in eine eigene Geschäftseinheit.

    mehr lesen: Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

  • Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

    Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

    Cybersicherheitsforschende stehen mitunter gefühlt mit einem Bein im Gefängnis – es herrscht viel Unsicherheit darüber, was rechtlich im Rahmen von Wissenschaft erlaubt ist und was nicht.

    mehr lesen: Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

  • DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

    DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

    Das Taiwan AI Center of Excellence (AICoE) und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) haben eine Absprache zur wissenschaftlichen Zusammenarbeit geschlossen.

    mehr lesen: DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

  • Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

    Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

    Der Auftragsbestand in der Industrie ist nach vorläufigen Angaben des Statistischen Bundesamtes (Destatis) im Juli 2024 gegenüber Juni 2024 saison- und kalenderbereinigt um 1 Prozent gestiegen.

    mehr lesen: Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

  • Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

    Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

    Die Weidmüller-Gruppe gibt zum 1. Oktober 2024 Veränderungen in der ersten Führungsebene bekannt: Dr. Sebastian Durst, bisher Vorstand Operations, übernimmt die neu geschaffene Position des Chief Executive Officer (CEO).

    mehr lesen: Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

  • Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

    Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

    Jörg Ziesmann (Bild) ist neuer Sales Director beim KI-Robotik-Spezialisten Sereact.

    mehr lesen: Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

  • RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

    RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

    Der Lehrstuhl ‚Production Engineering of E-Mobility Components‘ (PEM) der RWTH Aachen erarbeitet mit Partnern aus der Forschung und der Industrie in den nächsten drei Jahren ein nachhaltiges elektrochemisches Speicherkonzept auf…

    mehr lesen: RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

  • Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

    Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

    Theobald Software, ein Spezialist für SAP-Integration, strukturiert seine Führungsspitze neu und geht damit den nächsten Schritt in der Unternehmensgeschichte.

    mehr lesen: Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf