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.



  • Weniger Aufträge im ersten Halbjahr

    Weniger Aufträge im ersten Halbjahr

    Die durch Handelsstreitigkeiten und politische Verwerfungen geschwächte Weltkonjunktur wurde durch die Covid-19-Pandemie zusätzlich getroffen. Das zeigt sich auch am deutlichen Orderminus im Maschinen- und Anlagenbau.

    mehr lesen: Weniger Aufträge im ersten Halbjahr

  • Alexander Kläger ist neuer SAP Deutschland-Chef

    Alexander Kläger ist neuer SAP Deutschland-Chef

    Mit Alexander Kläger hat SAP Deutschland seit dem 1. August einen neuen Geschäftsführer. Der 49-Jährige ist seit 2012 für den Software-Konzern tätig.

    mehr lesen: Alexander Kläger ist neuer SAP Deutschland-Chef

  • Schwachstellen priorisieren und beheben

    Schwachstellen priorisieren und beheben

    Mit der Vulnerability Mitigation App (VMA) stellt Tufin eine Applikation zur Verfügung, die es Unternehmen ermöglicht, Bedrohungen zu priorisieren und auf diese Weise eine effektive Fehlerbehebung und automatisierte Risikominderung zu…

    mehr lesen: Schwachstellen priorisieren und beheben

  • Emotet ist zurück

    Emotet ist zurück

    Bereits im Februar 2020 berichteten wir von einem Cyberangriff mit dem Trojaner Emotet auf das Berliner Kammergericht. Mehr als 160 Tage nach der letzten bekannten Verbreitung der Schadsoftware konnten Sicherheitsforscher…

    mehr lesen: Emotet ist zurück

  • Kein Unternehmen kommt ohne IoT-Sicherheit aus

    Kein Unternehmen kommt ohne IoT-Sicherheit aus

    Das Internet der Dinge setzt sich in großem Stil durch, weil die potenziellen Vorteile immens sind. Ob es sich um Gebäude- und Straßenlichtsensoren, Überwachungskameras, IP-Telefone, Point-of-Sale-Systeme, Konferenzraumtechnik und vieles mehr…

    mehr lesen: Kein Unternehmen kommt ohne IoT-Sicherheit aus

  • Unternehmen sollten mehr auf Sicherheitsexperten setzen

    Unternehmen sollten mehr auf Sicherheitsexperten setzen

    In jedem dritten Unternehmen (28 Prozent) gab es im letzten Jahr mindestens einen gravierenden Sicherheitsvorfall. Das sind 2 Prozent mehr als noch ein Jahr zuvor. Meist handelte es sich dabei…

    mehr lesen: Unternehmen sollten mehr auf Sicherheitsexperten setzen

  • Simulation Day in München

    Simulation Day in München

    Welche Am 24. September 2020 lädt Machineering Interessenten zum 4. Simulation Day nach München ein. Vor Ort lernen die Teilnehmer die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten der Simulationssoftware industrialPhysics kennen.

    mehr lesen: Simulation Day in München

  • Mait übernimmt IT-On.Net Süd

    Mait übernimmt IT-On.Net Süd

    Die Mait-Gruppe übernimmt das baden-württembergische IT-Systemhaus IT-On.NET Süd. Mit dem Erwerb will die Unternehmensgruppe ihr IT-Geschäftsfeld ausbauen.

    mehr lesen: Mait übernimmt IT-On.Net Süd

  • IAB-Arbeistmarktbarometer legt weiter zu

    IAB-Arbeistmarktbarometer legt weiter zu

    Nach dem durch die Corona-Krise verursachten Rückgang im April, entwickelt sich das IAB-Arbeitsmarktbarometer weiterhin positiv. Im Juli legte der Frühindikator 3,1 Punkte zu.

    mehr lesen: IAB-Arbeistmarktbarometer legt weiter zu

  • EDAG baut Standort in Ingolstadt aus

    EDAG baut Standort in Ingolstadt aus

    Software- und Digitalisierungs-Hub EDAG baut Standort in Ingolstadt aus Der EDAG-Standort Ingolstadt soll zum ganzheitlichen Entwicklungszentrum und zu einem Software- und Digitalisierungs-Hub ausgebaut werden. Dazu wird der Standort auf über…

    mehr lesen: EDAG baut Standort in Ingolstadt aus

  • Die Stimmung bessert sich

    Die Stimmung bessert sich

    Zum dritten Mal in Folge ist der Ifo-Geschäftsklimaindex gestiegen: Nach 86,3 Punkten im Juni auf 90,5 Punkte im Juli.

    mehr lesen: Die Stimmung bessert sich

  • Energieeffizient lernen

    Energieeffizient lernen

    Ein Forschungsteam an der Technischen Universität Graz hat die KI-Lernmethode E-prop entwickelt, mit der Hardware-Implementierungen von künstlicher Intelligenz energieeffizienter gestaltet werden können.

    mehr lesen: Energieeffizient lernen