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.



  • Ifo-Geschäftsklimaindex steigt im Mai

    Ifo-Geschäftsklimaindex steigt im Mai

    Der Ifo-Geschäftsklimaindex steigt im Mai auf 99,2 Punkte und erzielt damit den höchsten Wert seit Mai 2019. Demnach verbesserte sich die Stimmung in allen Sektoren.

    mehr lesen: Ifo-Geschäftsklimaindex steigt im Mai

  • 20Mio.€ für die 5G-Föderung

    20Mio.€ für die 5G-Föderung

    Frankreich und Deutschland wollen 5G-Anwendungen fördern und haben einen Förderaufruf gestartet. Konsortien können bis zum 1.September Förderanträge einreichen.

    mehr lesen: 20Mio.€ für die 5G-Föderung

  • ProAlpha übernimmt CP

    ProAlpha übernimmt CP

    ProAlpha erweitert sein ERP-Portfolio um die Lösungen von CP Corporate Planning. Das Hamburger Unternehmen wird somit Teil der ProAlpha-Gruppe.

    mehr lesen: ProAlpha übernimmt CP

  • Einführung & Migration zu SAP S/4Hana

    Einführung & Migration zu SAP S/4Hana

    Am 29. und 30. Juni widmet sich die Online-Veranstaltung ‚Einführung & Migration zu SAP S/4Hana‘ den Möglichkeiten der SAP-Software-Suite.

    mehr lesen: Einführung & Migration zu SAP S/4Hana

  • Partnerschaft zwischen Cosmo Consult und PAF

    Partnerschaft zwischen Cosmo Consult und PAF

    Die Cosmo Consult-Gruppe und die Process Analytics Factory haben eine Kooperationsvereinbarung getroffen. Dadurch vertreibt das Software- und Beratungsunternehmen zukünftig die Process Mining-Lösung PAFnow.

    mehr lesen: Partnerschaft zwischen Cosmo Consult und PAF

  • Per Software zum passenden Fabriklayout

    Per Software zum passenden Fabriklayout

    Eine Open-Source-Software namens MeFaP, die am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) entwickelt wurde, ermöglicht es in kurzer Zeit Fabriklayouts zu erstellen. Die Software entstand im Rahmen des gleichnamigen Forschungsprojekts.

    mehr lesen: Per Software zum passenden Fabriklayout

  • VDMA veröffentlicht Security-Leitfaden

    VDMA veröffentlicht Security-Leitfaden

    Ein neuer Leitfaden des VDMA unterstützt Maschinen- und Anlagenbauer bei der Security in Betriebsprozessen und der Resilienz der Produkte gegen Cyberangriffe und andere IT-induzierte Schäden im Unternehmen.

    mehr lesen: VDMA veröffentlicht Security-Leitfaden

  • Cybersecurity-Startup gesucht

    Cybersecurity-Startup gesucht

    In eine neue Runde geht der UP21@it-sa Award für Cybersecurity-Startups aus der DACH Region. Er bietet jungen Unternehmen die Chance, sich in Speed-Pitches vor Fachpublikum, Experten und Investoren zu bewähren…

    mehr lesen: Cybersecurity-Startup gesucht

  • Covid-19-bedingte Cyberkriminalität stark gestiegen

    Covid-19-bedingte Cyberkriminalität stark gestiegen

    NTT hat kürzlich seinen Global Threat Intelligence Report 2021 veröffentlicht. Der Bericht zeigt, dass Hacker die derzeitige Ausnahmesituation ausnutzen, indem sie wichtige Branchen und gängige Schwachstellen aus der Umstellung auf…

    mehr lesen: Covid-19-bedingte Cyberkriminalität stark gestiegen

  • IT-Sicherheitsgesetz nur mit ‚fragwürdigem Mehrwert‘?

    IT-Sicherheitsgesetz nur mit ‚fragwürdigem Mehrwert‘?

    Der Digitalverband Bitkom kritisierte das neu verabschiedete IT-Sicherheitsgesetz 2.0 der deutschen Bundesregierung als „eine Kombination aus technischer Zertifizierungsmaschinerie und politisch-regulatorischem Gutdünken mit fragwürdigem Mehrwert für die IT-Sicherheit“.

    mehr lesen: IT-Sicherheitsgesetz nur mit ‚fragwürdigem Mehrwert‘?

  • Kategorisierung von Clouddaten schützt vor Risiken

    Kategorisierung von Clouddaten schützt vor Risiken

    Die Kategorisierung von Clouddaten – also welche Daten in der Cloud verarbeitet werden sollen und welche nicht – kann besonders für unternehmenskritische Daten wichtig sein.

    mehr lesen: Kategorisierung von Clouddaten schützt vor Risiken

  • Alltrotec blickt auf 30+1 Jahre zurück

    Alltrotec blickt auf 30+1 Jahre zurück

    Eigentlich sollte zum 30-jährigen Bestehen bereits im vergangenen Jahr gefeiert werden, jedoch hat die Corona-Pandemie einen Strich durch die Rechnung gemacht.

    mehr lesen: Alltrotec blickt auf 30+1 Jahre zurück