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.



  • 1,18 Millionen offene Stellen im vierten Quartal

    1,18 Millionen offene Stellen im vierten Quartal

    231.000 offene Stellen weniger als im vierten Quartal 2019 verzeichnet das Institut für Arbeitsmarkt und Berufsforschung in der aktuellen Stellenerhebung. Demnach ist die Zahl der offenen Stellen gegenüber dem dritten…

    mehr lesen: 1,18 Millionen offene Stellen im vierten Quartal

  • Energiesparen im Homeoffice

    Energiesparen im Homeoffice

    Die vermehrte Arbeit im Homeoffice reduziert die CO2-Emissionen, die beispielsweise durch Pendeln entstehen. Auf der anderen Seite steigt der Stromverbrauch zuhause. Wie dieser reduziert werden kann, zeigen Tipps der Fachgemeinschaft…

    mehr lesen: Energiesparen im Homeoffice

  • Bessere Stimmung in der deutschen Wirtschaft

    Bessere Stimmung in der deutschen Wirtschaft

    Nach 90,3 Punkten im Januar ist der Ifo-Geschäftsklimaindex im Februar gestiegen. Die Unternehmen schätzen dabei nicht nur die aktuelle Lage besser ein sondern sind auch mit Blick auf die kommenden…

    mehr lesen: Bessere Stimmung in der deutschen Wirtschaft

  • Zweistelliger Exportrückgang im Corona-Krisenjahr

    Zweistelliger Exportrückgang im Corona-Krisenjahr

    Die weltweite Corona-Krise hat auch zu hohen Exporteinbußen der Maschinen- und Anlagenbauer geführt. Im Jahr 2020 wurden aus Deutschland Maschinen und Anlagen im Wert von 160 Milliarden Euro exportiert und…

    mehr lesen: Zweistelliger Exportrückgang im Corona-Krisenjahr

  • Firewall für industrielle Infrastrukturen und Betriebsumgebungen

    Firewall für industrielle Infrastrukturen und Betriebsumgebungen

    Das Unternehmen Stormshield, Anbieter von Cybersicherheit für kritische Infrastrukturen, sensible Daten und Betriebsumgebungen, hat sein Lösungsportfolio um eine neue Industrie-Firewall erweitert.

    mehr lesen: Firewall für industrielle Infrastrukturen und Betriebsumgebungen

  • Andreas Zipser erweitert den Vorstand bei Easy Software

    Andreas Zipser erweitert den Vorstand bei Easy Software

    Easy Software bekommt einen neuen Chef. Zum 1. März wird Andreas Zipser zum CEO des Softwareanbieters.

    mehr lesen: Andreas Zipser erweitert den Vorstand bei Easy Software

  • IT-Sicherheitsgesetz 2.0 soll Cybersicherheit erhöhen

    IT-Sicherheitsgesetz 2.0 soll Cybersicherheit erhöhen

    Das neue IT-Sicherheitsgesetz 2.0 des Bundesinnenministeriums steht kurz vor der Verabschiedung. Es sieht unter anderem Veränderungen im Zusammenhang mit dem Schutz kritischer Infrastrukturen (KRITIS) vor.

    mehr lesen: IT-Sicherheitsgesetz 2.0 soll Cybersicherheit erhöhen

  • Automatisierte Cyberangriffe auf Webanwendungen

    Automatisierte Cyberangriffe auf Webanwendungen

    Cyberkriminelle setzen zunehmend auf Bots und Automatisierung, um ihre Angriffe effizienter zu gestalten und einer Entdeckung zu entgehen. Barracuda analysierte eine zweimonatige Datenstichprobe zu Angriffen auf Webanwendungen, die von Barracuda-Systemen…

    mehr lesen: Automatisierte Cyberangriffe auf Webanwendungen

  • Softwareplattform für vernetzte Fahrzeuge

    Softwareplattform für vernetzte Fahrzeuge

    Bosch und Microsoft wollen eine Softwareplattform für die nahtlose Vernetzung von Autos und Cloud entwickeln.

    mehr lesen: Softwareplattform für vernetzte Fahrzeuge

  • Die Pandemie hat Missstände deutlich gemacht

    Die Pandemie hat Missstände deutlich gemacht

    Rund drei Jahre nach Inkrafttreten der DSGVO und den damit verbundenen Verschärfungen im Umgang mit personenbezogenen Daten, waren sich noch zu Beginn des letzten Jahres immer mehr Unternehmen und Behörden…

    mehr lesen: Die Pandemie hat Missstände deutlich gemacht

  • Itac Software übernimmt Cogiscan

    Itac Software übernimmt Cogiscan

    Mit der Übernahme des kanadischen Unternehmens Cogiscan will Itac Software sein Portfolio an Industrie 4.0-Lösungen erweitern.

    mehr lesen: Itac Software übernimmt Cogiscan

  • Neuer Spitzenwert und unsicherer Ausblick

    Neuer Spitzenwert und unsicherer Ausblick

    Im Jahr 2019 haben die Innovationsausgaben deutscher Unternehmen einen neuen Rekordwert erreicht. Für 2020 gehen die Autoren der Innovationserhebung von einem Rückgang der Ausgaben aus.

    mehr lesen: Neuer Spitzenwert und unsicherer Ausblick