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.



  • Hesthaven neuer KIT-Präsident

    Hesthaven neuer KIT-Präsident

    Jan S. Hesthaven folgt auf Holger Hanselka Hesthaven neuer KIT-Präsident Prof. Jan S. Hesthaven wird neuer Präsident des Karlsruher Instituts für Technologie. Er folgt auf Prof. Holger Hanselka, der Mitte…

    mehr lesen: Hesthaven neuer KIT-Präsident

  • Nostradamus arbeitet an europäischer Quanten-Testinfrastruktur

    Nostradamus arbeitet an europäischer Quanten-Testinfrastruktur

    Kommunikationsnetz mit Quantenverschlüsselung Nostradamus arbeitet an europäischer Quanten-Testinfrastruktur Ein von der Telekom geführtes Konsortium verantwortet den Aufbau von Quanten-Testinfrastruktur für Europa. Die Europäische Union will damit die Sicherheit ihrer Kommunikationsnetze,…

    mehr lesen: Nostradamus arbeitet an europäischer Quanten-Testinfrastruktur

  • Unternehmen ziehen gemischte LkSG-Bilanz

    Unternehmen ziehen gemischte LkSG-Bilanz

    Ein Jahr Lieferkettensorgfaltspflichtengesetz Unternehmen ziehen gemischte LkSG-Bilanz Eine Studie von IntegrityNext zeigt, dass Unternehmen ab 3.000 Mitarbeitenden eine mäßig positive Bilanz nach dem ersten Jahr des Lieferkettensorgfaltspflichtengesetzes (LkSG) ziehen. Als…

    mehr lesen: Unternehmen ziehen gemischte LkSG-Bilanz

  • Umati eröffnet Showroom in China

    Umati eröffnet Showroom in China

    Ab sofort können sich Interessierte auch in China live von den Vorteilen offener, standardisierter Schnittstellen auf Basis von OPC UA überzeugen und Umati besser kennenlernen. Die gemeinsame Konnektivitätsinitiative von VDW…

    mehr lesen: Umati eröffnet Showroom in China

  • Vagner Rego wird neuer Chef von Atlas Copco

    Vagner Rego wird neuer Chef von Atlas Copco

    Ab Mai in neuer Position Vagner Rego wird neuer Chef von Atlas Copco Zum 1. Mai übernimmt der Brasilianer Vagner Rego beim schwedischen Industriekonzern Atlas Copco die Position des Präsidenten…

    mehr lesen: Vagner Rego wird neuer Chef von Atlas Copco

  • Mehr Sicherheit für 5G/6G-Infrastrukturen

    Mehr Sicherheit für 5G/6G-Infrastrukturen

    Forschungsprojekt RealSec5G Mehr Sicherheit für 5G/6G-Infrastrukturen Im Projekt ’RealSec5G’ sollen die Anforderungen der Datensicherheit in Kommunikationsgeräten für 5G/6G-Infrastrukturen in einem deterministischen Time-Sensitive-Netzwerk (TSN) erprobt werden. Im Projekt konzipiert das Fraunhofer-Institut…

    mehr lesen: Mehr Sicherheit für 5G/6G-Infrastrukturen

  • Synostik stellt Geschäftsführer Maik Ekert vor

    Synostik stellt Geschäftsführer Maik Ekert vor

    Mit sofortiger Wirkung Synostik stellt Geschäftsführer Maik Ekert vor Der IT-Dienstleister Synostik gibt Veränderungen in der Führungsebene bekannt und hat Maik Ekert mit sofortiger Wirkung zum Geschäftsführer ernannt.

    mehr lesen: Synostik stellt Geschäftsführer Maik Ekert vor

  • Aleph Alpha erweitert Führungsteam

    Aleph Alpha erweitert Führungsteam

    Jan Hiesserich ist neuer Vice President of Strategy & Communications bei Aleph Alpha. Er kommt vom US-Datenanalyse-Spezialisten Palantir Technologies zum Heidelberger KI-Startup.

    mehr lesen: Aleph Alpha erweitert Führungsteam

  • Fabian Kuttenkeuler leitet Vertrieb

    Fabian Kuttenkeuler leitet Vertrieb

    Wechsel bei Kontron Electronics Fabian Kuttenkeuler leitet Vertrieb Kontron Electronics hat einen neuen Vertriebsleiter. Fabian Kuttenkeuler übernimmt das Amt von Franz Ott, der neuer Business Development Manager des Unternehmens wird.

    mehr lesen: Fabian Kuttenkeuler leitet Vertrieb

  • KI und Hochleistungscomputer beschleunigen Forschung

    KI und Hochleistungscomputer beschleunigen Forschung

    Materialwissenschaft KI und Hochleistungscomputer beschleunigen Forschung Forschende gehen davon aus, ihre Arbeit mit einer Kombination aus künstlicher Intelligenz (KI) und Cloud Computing auf ein Tempo beschleunigen zu können, das bis…

    mehr lesen: KI und Hochleistungscomputer beschleunigen Forschung

  • Antrieb 4.0: Forschung für zukunftsfähige Antriebslösungen

    Antrieb 4.0: Forschung für zukunftsfähige Antriebslösungen

    Antriebe der Zukunft entwickeln Antrieb 4.0: Forschung für zukunftsfähige Antriebslösungen Im Forschungsprojekt Antrieb 4.0 sollen Ansätze für mehr Effizienz und Nachhaltigkeit in Antriebssystemen entwickelt werden. Ein Use Case zielt darauf…

    mehr lesen: Antrieb 4.0: Forschung für zukunftsfähige Antriebslösungen

  • Die industrielle Bildverarbeitung in der Automobilbranche

    Die industrielle Bildverarbeitung in der Automobilbranche

    Vergleich zwischen Deutschland und Großbritannien Die industrielle Bildverarbeitung in der Automobilbranche 43 Prozent der deutschen Automotive-Unternehmen setzen KI in der Bildverarbeitung ein. In Großbritannien sind es mehr als die Hälfte.…

    mehr lesen: Die industrielle Bildverarbeitung in der Automobilbranche