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.



  • Unternehmen setzen auf Individualsoftware

    Unternehmen setzen auf Individualsoftware

    Jedes Unternehmen hat andere Bedürfnisse, wenn es um den Einsatz von Software geht. Standardlösungen können dies oftmals nicht ausreichend abbilden. Daher setzt laut einer Techconsult-Studie jedes zweite Unternehmen auf Individualsoftware.

    mehr lesen: Unternehmen setzen auf Individualsoftware

  • Allgeier erwirbt Mehrheit an Evora IT Solutions

    Allgeier erwirbt Mehrheit an Evora IT Solutions

    Allgeier übernimmt Evora IT Solutions, einen Spezialisten für Kundenservice- und Instandhaltungslösungen. Damit will Allgeier seine SAP- und ServiceNow Beratung ausbauen.

    mehr lesen: Allgeier erwirbt Mehrheit an Evora IT Solutions

  • Zu wenig sozialer Kontakt im Homeoffice

    Zu wenig sozialer Kontakt im Homeoffice

    Wo ist die Arbeitsbelastung höher – im Büro oder im Homeoffice? Dieser Frage ist die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung nachgegangen und hat im Rahmen einer Studie ermittelt, dass die Arbeitsbelastung nicht…

    mehr lesen: Zu wenig sozialer Kontakt im Homeoffice

  • Arbeitslosigkeit sinkt langsamer

    Arbeitslosigkeit sinkt langsamer

    Trotz des dritten Rückgangs in Folge verbleibt das IAB-Arbeitsmarktbarometer noch auf einem hohen Niveau. Einen größeren Rückschlag durch die vierte Pandemie-Welle erwarten die Experten des Instituts für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung…

    mehr lesen: Arbeitslosigkeit sinkt langsamer

  • Diego Rapela wird CTO bei Auvesy

    Diego Rapela wird CTO bei Auvesy

    Zusätzlich zu CEO Dr. Tim Weckerle und COO Stefan Jesse wird zukünftig auch Dr. Diego Ricardo Rapela dem Auvesy-Management-Team angehören. Er übernimmt die neugeschaffene Position des Chief Technology Officers.

    mehr lesen: Diego Rapela wird CTO bei Auvesy

  • Keine Erholung beim Materialmangel

    Keine Erholung beim Materialmangel

    Nach einem leichten Rückgang im vergangenen Monat, hat sich der Materialmangel in der Industrie im November wieder verstärkt. Rund drei Viertel der Unternehmen klagen über Engpässe.

    mehr lesen: Keine Erholung beim Materialmangel

  • Exportindustrie mit verbesserten Erwartungen

    Exportindustrie mit verbesserten Erwartungen

    Nach einem Rückgang im Oktober haben sich die Exporterwartungen der deutschen Unternehmen im November wieder verbessert. Nach Angaben des Ifo Instituts erwarten dabei vor allem die Automobilindustrie und Hersteller elektrischer…

    mehr lesen: Exportindustrie mit verbesserten Erwartungen

  • Congatec und Sysgo gehen Partnerschaft ein

    Congatec und Sysgo gehen Partnerschaft ein

    Congatec gibt seine strategische Partnerschaft mit Sysgo bekannt. Ziel ist es, den Märkten für kritische Systeme – wie Industrieautomation, Medizintechnik, Smart Energy, Eisenbahn, kommerzielle und autonome Fahrzeuge oder Baumaschinen -…

    mehr lesen: Congatec und Sysgo gehen Partnerschaft ein

  • CAS und ELO kooperieren

    CAS und ELO kooperieren

    Enterprise Content Management und Customer Relationship Management näher aneinander rücken ist das Ziel der Kooperation zwischen ELO Digital Office und CAS Software.

    mehr lesen: CAS und ELO kooperieren

  • Fünf IT-Trends für 2022

    Fünf IT-Trends für 2022

    Auch 2022 werden sich die IT-Systeme von Unternehmen weiterentwickeln. Oliver Rozić, Vice President Product Engineering bei Sage, weiß wie und welche Trends dabei eine Rolle spielen könnten.

    mehr lesen: Fünf IT-Trends für 2022

  • Digitalisierungsschub überdauert die Pandemie

    Digitalisierungsschub überdauert die Pandemie

    Unternehmen gehen digital gestärkt ins dritte Corona-Jahr, so das Ergebnis einer Bitkom-Befragung unter 602 Unternehmen. Demnach will die große Mehrheit ihre Digitalisierungs-Projekte fortsetzen. Diese Aufbruchsstimmung müsse genutzt werden, so Bitkom-Präsident…

    mehr lesen: Digitalisierungsschub überdauert die Pandemie

  • Mittelmaß bei der Digitalisierung

    Mittelmaß bei der Digitalisierung

    Im internationalen Vergleich belegt Deutschland bei der Digitalisierung keine Spitzenposition, sondern tendiert eher zum Mittelfeld. So zumindest legt es eine Studie des Ifo Instituts nahe. Demnach sei nicht nur die…

    mehr lesen: Mittelmaß bei der Digitalisierung