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.



  • Avanade ernennt Annika Grosse zum Data & AI Lead

    Avanade ernennt Annika Grosse zum Data & AI Lead

    Annika Grosse soll bei Avanade als Data & AI Lead für Europa die Angebotsentwicklung für Azure-KI leiten.

    mehr lesen: Avanade ernennt Annika Grosse zum Data & AI Lead

  • Autobauer blicken bescheidener in die Zukunft

    Autobauer blicken bescheidener in die Zukunft

    Nach aktuellen Zahlen des Ifo Instituts beurteilen die deutschen Autobauer ihre Geschäftslage derzeit so gut wie seit August 2018 nicht mehr. Bei den Erwartungen zeigen sich die Unternehmen jedoch verhaltener.

    mehr lesen: Autobauer blicken bescheidener in die Zukunft

  • Auftragseingang im Maschinen- und Anlagenbau wächst erneut

    Auftragseingang im Maschinen- und Anlagenbau wächst erneut

    Die Maschinen- und Anlagenbauer konnten im Mai ihre Auftragsbücher erneut füllen. Insgesamt verbuchte die Branche einen Zuwachs der Bestellungen von real 47 Prozent zum – vergleichsweise schwachen – Vorjahr.

    mehr lesen: Auftragseingang im Maschinen- und Anlagenbau wächst erneut

  • Security-Check für Unternehmen

    Security-Check für Unternehmen

    Produzierende Unternehmen, die ihre Maschinen und Anlagen vernetzen, sind durch Sicherheitslücken und Angriffe auf ihre IT-Infrastruktur oftmals gefährdet. Wissenschaftler möchten nun in einem AiF-geförderten Forschungsprojekt gemeinsam mit kleinen und mittleren…

    mehr lesen: Security-Check für Unternehmen

  • 6G-Forschung für die Zukunft

    6G-Forschung für die Zukunft

    Unter Koordinierung des DFKI forschen im Projekt Open6GHub 17 Projektpartner bereits an der nächsten Mobilfunkgeneration 6G.

    mehr lesen: 6G-Forschung für die Zukunft

  • China steigert Industrieroboter-Absatz

    China steigert Industrieroboter-Absatz

    Weltweit waren die Roboterinstallationen im vergangenen Jahr rückläufig, in China stieg jedoch die Zahl der verkauften Industrieroboter. Für Europa und Nordamerika erwartet die International Federation of Robotics ein starkes Wachstum…

    mehr lesen: China steigert Industrieroboter-Absatz

  • Partnerschaft zwischen AWS und Salesforce

    Partnerschaft zwischen AWS und Salesforce

    Salesforce und AWS wollen ihre jeweiligen Lösungen im Rahmen einer Partnerschaft neu integrieren, so dass Anwender die Lösungen in Kombination nutzen können.

    mehr lesen: Partnerschaft zwischen AWS und Salesforce

  • Paul Repmann wird Manager Sales & Marketing in Chicago

    Paul Repmann wird Manager Sales & Marketing in Chicago

    MPDV will mit Paul Repmann als Manager für Sales & Marketing die Präsenz in Nordamerika stärken.

    mehr lesen: Paul Repmann wird Manager Sales & Marketing in Chicago

  • Positive Aussichten für den Arbeitsmarkt

    Positive Aussichten für den Arbeitsmarkt

    Das IAB-Arbeitsmarktbarometer hat im Juni gegenüber dem Vormonat um 2,7 Punkte auf 107,4 Punkte zugelegt. Der Frühindikator des Instituts für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung erreicht damit den höchsten Stand seit Beginn…

    mehr lesen: Positive Aussichten für den Arbeitsmarkt

  • Exporterwartungen legen zu

    Exporterwartungen legen zu

    Die Exporterwartungen des Ifo Instituts sind im Juni gestiegen, auf den höchsten Wert seit Januar 2011. Nahezu alle Branchen rechnen in der aktuellen Erhebung mit steigenden Exporten.

    mehr lesen: Exporterwartungen legen zu

  • Preisgestaltung oftmals nicht transparent genug

    Preisgestaltung oftmals nicht transparent genug

    Cloud-Produkte sind in den meisten Unternehmen und Branchen etabliert. Details liefert diesbezüglich eine Umfrage der Deutschsprachigen SAP-Anwendergruppe e.V. (DSAG). Zu den Ergebnissen zählt unter anderem, dass die Transparenz der Preisgestaltung…

    mehr lesen: Preisgestaltung oftmals nicht transparent genug

  • Partnerschaft zwischen Photocentric und CoreTechnologie

    Partnerschaft zwischen Photocentric und CoreTechnologie

    Im Rahmen einer Partnerschaft wollen der Softwareanbieter CoreTechnologie und der Druckmaschinenhersteller Photocentric gemeinsame Lösungen anbieten.

    mehr lesen: Partnerschaft zwischen Photocentric und CoreTechnologie