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 zweifeln an Ransomware-Resilienz

    Unternehmen zweifeln an Ransomware-Resilienz

    Unternehmen verwalten heute mehr als zehn Mal so große Datenmengen wie noch vor fünf Jahren. Dabei befürchteten 62 % der Befragten in einer aktuellen Untersuchung von Dell Technologies, ihre Maßnahmen…

    mehr lesen: Unternehmen zweifeln an Ransomware-Resilienz

  • 71 Prozent der Firmen nutzen quelloffene Software

    71 Prozent der Firmen nutzen quelloffene Software

    Bitkom-Umfrage zu Open Source 71 Prozent der Firmen nutzen quelloffene Software In einer aktuellen Befragung des Bitkom gaben 71 Prozent der Teilnehmer an, frei verfügbare Programme im Unternehmen zu nutzen.…

    mehr lesen: 71 Prozent der Firmen nutzen quelloffene Software

  • MES zwischen On-Premise und Cloud-Betrieb

    MES zwischen On-Premise und Cloud-Betrieb

    Der MES-Anbieter Proxia Software kapselt Funktionen seiner Software, um Anwendern mehr Flexibilität beim Cloud-Betrieb ihres Produktionssteuerungssystems zu ermöglichen. Eine Datenvorverarbeitung im sogenannten Fog Layer soll durch eine geringere Anzahl an…

    mehr lesen: MES zwischen On-Premise und Cloud-Betrieb

  • Zwei Neuzugänge bei Igel

    Zwei Neuzugänge bei Igel

    Christiane Ohlgart und Kris Hamner verstärken das Management-Team von Igel. Ohlgart wird als neue Finanzchefin und Hamner als neuer Personalchef zum Executive Team in San Francisco stoßen.

    mehr lesen: Zwei Neuzugänge bei Igel

  • Einheitliche Standards für die Industrie 4.0

    Einheitliche Standards für die Industrie 4.0

    In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Forschungsprojekt InterOpera wollen Forscherinnen und Forscher zusammen mit der Industrie einheitliche Methoden zur Umsetzung der Verwaltungsschale in der Praxis erarbeiten.

    mehr lesen: Einheitliche Standards für die Industrie 4.0

  • BSI fordert den Crashtest für Cyber-Sicherheit

    BSI fordert den Crashtest für Cyber-Sicherheit

    In seinem Branchenbild Automotive spricht sich das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik dafür aus, auch die Cybersicherheit in der Lieferkette der Automobilbauer bzw. in einem frühen Entwicklungsstadium in den…

    mehr lesen: BSI fordert den Crashtest für Cyber-Sicherheit

  • Schnittstellen validieren in regulierten Industrien

    Schnittstellen validieren in regulierten Industrien

    Die Richtlinie VDI/VDE 3516 Blatt 6 ‚Validierung im GxP-Umfeld – Validierung von Schnittstellen‘ ist im August 2021 erschienen. Sie lässt sich zur Validierung von Schnittstellen zwischen computergestützten Systemen im regulierten…

    mehr lesen: Schnittstellen validieren in regulierten Industrien

  • Motek 2021: Montagetechnik-Messe mit echten Menschen

    Motek 2021: Montagetechnik-Messe mit echten Menschen

    Fachbesucher der industriellen Automatisierungsbranche treffen sich vom 5. bis 8. Oktober auf dem Messeduo Motek/Bondexpo in Stuttgart. Beide Messen sollen als Präsenzmesse stattfinden.

    mehr lesen: Motek 2021: Montagetechnik-Messe mit echten Menschen

  • Materialmangel der Industrie verschärft sich

    Materialmangel der Industrie verschärft sich

    Der Materialmangel in der deutschen Industrie hat sich weiter verschärft. 69,2 Prozent der Industriefirmen in Deutschland klagten im August laut einer Umfrage des Ifo Instituts über Engpässe und Probleme bei…

    mehr lesen: Materialmangel der Industrie verschärft sich

  • T-Systems und Google arbeiten an souveräner Cloud

    T-Systems und Google arbeiten an souveräner Cloud

    Gemeinsam wollen T-Systems und Google Cloud ab Mitte 2022 eine souveräne Cloud für Deutschland zur Verfügung stellen. Der Betrieb der Cloud unterliegt dabei der Kontrolle von T-Systems.

    mehr lesen: T-Systems und Google arbeiten an souveräner Cloud

  • Open Industry 4.0 Alliance und Packaging Valley arbeiten zusammen

    Open Industry 4.0 Alliance und Packaging Valley arbeiten zusammen

    Open Industry 4.0 Alliance und Packaging Valley wollen gemeinsam die herstellerübergreifende Integration in der Verpackungsindustrie realisieren. Die Schwerpunkte der Zusammenarbeit liegen auf Master Data Management, Plant Analytics und Predictive Maintenance.

    mehr lesen: Open Industry 4.0 Alliance und Packaging Valley arbeiten zusammen

  • Pepperl+Fuchs übernimmt Aava

    Pepperl+Fuchs übernimmt Aava

    Das finnische Unternehmen Aava gehört ab sofort zur Pepperl+Fuchs-Gruppe. Das Unternehmen bietet u.a. Tablet Computer für die Industrie ab.

    mehr lesen: Pepperl+Fuchs übernimmt Aava