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.



  • Zwischen digitaler Transformation und steigender Komplexität

    Zwischen digitaler Transformation und steigender Komplexität

    CIOs setzen auf Automatisierung und KI, um wachsende Kluft zwischen begrenzten IT-Ressourcen und steigender Cloud-Komplexität zu überbrücken. Dies geht aus einer Studie von Dynatrace hervor.

    mehr lesen: Zwischen digitaler Transformation und steigender Komplexität

  • Aktuelle Lage verbessert, Erwartungen gehen zurück

    Aktuelle Lage verbessert, Erwartungen gehen zurück

    Die Erwartungen an die wirtschaftliche Entwicklung gehen laut aktueller ZEW-Zahlen im Oktober zurück. Die Einschätzung der aktuellen konjunkturellen Lage hat sich jedoch erneut verbessert.

    mehr lesen: Aktuelle Lage verbessert, Erwartungen gehen zurück

  • Neues Trio an der MPDV-Spitze

    Neues Trio an der MPDV-Spitze

    Die MPDV hat seit Oktober drei neue Geschäftsführer. Nathalie Kletti, Thorsten Strebel und Jürgen Petzel stehen an der Spitze des Unternehmens.

    mehr lesen: Neues Trio an der MPDV-Spitze

  • Beschäftigtensituation im Maschinenbau bleibt angespannt

    Beschäftigtensituation im Maschinenbau bleibt angespannt

    Die Beschäftigtensituation im Maschinen- und Anlagenbau bleibt weiter angespannt. Im August ging die Zahl der Beschäftigten im Vergleich zum Vormonat um weitere 2.165 auf 1,025 Millionen zurück. Damit sind fast…

    mehr lesen: Beschäftigtensituation im Maschinenbau bleibt angespannt

  • Flexibel und sicher

    Flexibel und sicher

    Helmholz erweitert sein Portfolio an Industrieroutern. Die bewährten REX-Geräte sind ab sofort auch mit zusätzlicher WAN (Wide Area Network)-Schnittstelle und Fallback-Mechanismus erhältlich.

    mehr lesen: Flexibel und sicher

  • Tower Factory wird Teil von Fuji Europe

    Tower Factory wird Teil von Fuji Europe

    Die Fuji Europe Corparation hat Tower-Factory, einen Anbieter von Lagerlogistiksystemen, übernommen. Kunden von Fuji Europe sollen dadurch Lösungen erhalten, die den gesamten Materialfluss abdecken.

    mehr lesen: Tower Factory wird Teil von Fuji Europe

  • Bereits mehr als 1.200 Teilnehmer für TeDo Webinare

    Bereits mehr als 1.200 Teilnehmer für TeDo Webinare

    Für die Webinare des TeDo Verlags, die im Rahmen des Herbstes der Innovationen durchgeführt werden, haben sich bereits weit über 1.200 Teilnehmer angemeldet. Das SPS-Magazin, die IT&Production, die Robotik und…

    mehr lesen: Bereits mehr als 1.200 Teilnehmer für TeDo Webinare

  • Neuer VDMA-Präsident gewählt

    Neuer VDMA-Präsident gewählt

    Der VDMA hat mit Karl Haeusgen einen neuen Präsidenten. Im Rahmen der Mitgliederversammlung wurde der Vorstandsvorsitzende von Hawe Hydraulik als Nachfolger von Carl Martin Welcker bestimmt. Auch der Verband VDMA…

    mehr lesen: Neuer VDMA-Präsident gewählt

  • Instandhaltung zwischen Kostendruck und digitalem Wandel

    Instandhaltung zwischen Kostendruck und digitalem Wandel

    Maindays 2020 Instandhaltung zwischen Kostendruck und digitalem Wandel Unter dem Motto ‘Instandhaltung zwischen Kostendruck und digitalem Wandel‘ findet die 21. Jahrestagung MainDays vom 24. bis zum 25. November in Potsdam…

    mehr lesen: Instandhaltung zwischen Kostendruck und digitalem Wandel

  • Kurzarbeit geht weiter zurück

    Kurzarbeit geht weiter zurück

    Im September ist die Zahl der Beschäftigten, die in Kurzarbeit sind, weiter zurückgegangen. Das Ifo-Institut schätzt die Zahl der Kurzarbeiter aktuell auf 3,7 Millionen Menschen.

    mehr lesen: Kurzarbeit geht weiter zurück

  • Edge-Cloud vernetzt 20 Fraunhofer-Institute

    Edge-Cloud vernetzt 20 Fraunhofer-Institute

    Das Fraunhofer IPT und die Firma German Edge Cloud arbeiten gerade an der Fraunhofer Edge Cloud, die bald 20 Fraunhofer-Institute vernetzen soll. Die offene Foschungsplattform und Testumgebung hilft später im…

    mehr lesen: Edge-Cloud vernetzt 20 Fraunhofer-Institute

  • CtrlX-Ökosystem für Third-Party-Software geöffnet

    CtrlX-Ökosystem für Third-Party-Software geöffnet

    Bosch erweitert das noch junge Automatisierungssystem CtrlX um Komponenten und Services. Vor allem aber lädt die Unternehmensgruppe Third-Party-Anbieter dazu ein, sich mit eigenen Anwendungen auf der Plattform zu engagieren.

    mehr lesen: CtrlX-Ökosystem für Third-Party-Software geöffnet