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.



  • Bosch Rexroth erzielt Umsatz auf Vorjahresniveau

    Bosch Rexroth erzielt Umsatz auf Vorjahresniveau

    Bosch Rexroth hat 2019 mit 6,2Mrd.€ einen Umsatz auf Vorjahresniveau erzielt. Profitiert hat das Unternehmen dabei vor allem von seinem soliden Kerngeschäft mit Hydraulik sowie dem weiteren Ausbau des Angebots…

    mehr lesen: Bosch Rexroth erzielt Umsatz auf Vorjahresniveau

  • Maschinenbau in China fährt langsam wieder hoch

    Maschinenbau in China fährt langsam wieder hoch

    Eine 2. Blitzumfrage des VDMA in China zeigt, dass die Auswirkungen der Corona-Pandemie dort als weniger schlimm eingeschätzt werden als noch im März. Dennoch erwarten die Unternehmen kräftige Umsatzeinbußen.

    mehr lesen: Maschinenbau in China fährt langsam wieder hoch

  • Zertifizierung während der Corona-Krise

    Zertifizierung während der Corona-Krise

    Unternehmen sind derzeit in vielerlei Hinsicht gefordert: Sie müssen ihr wirtschaftliches Überleben sichern, Mitarbeiter ins Homeoffice oder in Kurzarbeit schicken und neue Strategien entwickeln. Sind Managementsysteme für Qualität, Umwelt, Energie…

    mehr lesen: Zertifizierung während der Corona-Krise

  • ZVEI-Umfrage

    ZVEI-Umfrage

    Die Elektroindustrie bekommt die Auswirkungen der Corona-Pandemie zunehmend zu spüren. Das ergab eine Umfrage des ZVEI unter seinen Mitgliedsunternehmen.

    mehr lesen: ZVEI-Umfrage

  • Nvidia wird Gesellschafter beim DFKI

    Nvidia wird Gesellschafter beim DFKI

    Das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) hat mit Nvidia einen neuen Gesellschafter. Beide Unternehmen forschen gemeinsam in den Bereichen Machine Learning und Deep Learning.

    mehr lesen: Nvidia wird Gesellschafter beim DFKI

  • CDOs vor allem in großen Unternehmen etabliert

    CDOs vor allem in großen Unternehmen etabliert

    Bezogen auf die Gesamtwirtschaft haben 19 Prozent der Unternehmen die Position eines Chief Digital Officers bzw. eines Leiters Digitalisierung geschaffen. Das geht aus einer Befragung des Digitalverbands Bitkom hervor.

    mehr lesen: CDOs vor allem in großen Unternehmen etabliert

  • Corona und die Folgen für die Wirtschaft in Deutschland

    Corona und die Folgen für die Wirtschaft in Deutschland

    Die Auswirkungen von COVID-19 auf unsere Gesellschaft und die Wirtschaft sind enorm und betreffen uns alle.

    mehr lesen: Corona und die Folgen für die Wirtschaft in Deutschland

  • AI-fähige Microlearning-Lösung für die Industrie 4.0

    AI-fähige Microlearning-Lösung für die Industrie 4.0

    Aveva und Axonify wollen gemeinsam eine KI-Microlearning-Lösung für die Industrie anbieten. Beide Unternehmen haben sich diesbezüglich auf eine strategische Partnerschaft geeinigt.

    mehr lesen: AI-fähige Microlearning-Lösung für die Industrie 4.0

  • Industry Show: Virtuelle Messe für alle Bereiche der Industrie

    Industry Show: Virtuelle Messe für alle Bereiche der Industrie

    Der TeDo Verlag veranstaltet ab dem 4. Mai eine virtuelle Messe rund um unsere Themen Automatisierung, Robotik und Energieverteilung, Schaltschrankbau, Industrielle IT, IIoT usw. Wir wollen so eine Lösung finden,…

    mehr lesen: Industry Show: Virtuelle Messe für alle Bereiche der Industrie

  • IoT-Geräte als Köder für Cyberangreifer

    IoT-Geräte als Köder für Cyberangreifer

    Attivo Networks hat seine auf der Deception-Technologie basierende ThreatDefend-Plattform in das Microsoft Azure Security Center integriert. Dadurch wird die Erkennungsrate und Reaktionszeit bei Angriffen auf den Microsoft-Dienst Azure IoT Edge…

    mehr lesen: IoT-Geräte als Köder für Cyberangreifer

  • Zoom-Nutzer verstärkt im Visier

    Zoom-Nutzer verstärkt im Visier

    Die Corona-Pandemie stellt uns alle vor große Herausforderungen – nicht nur im privaten Bereich, sondern auch beruflich. Unzählige Menschen weltweit arbeiten derzeit erstmals im Homeoffice.

    mehr lesen: Zoom-Nutzer verstärkt im Visier

  • Auftragseingang im Maschinenbau im Februar 2020

    Auftragseingang im Maschinenbau im Februar 2020

    Im Februar verfehlten die Auftragseingänge im deutschen Maschinenbau ihr Vorjahresniveau real um 4 Prozent. Während die Bestellungen der inländischen Kunden um 6 Prozent sanken, lagen die Auslandsorders um 3 Prozent…

    mehr lesen: Auftragseingang im Maschinenbau im Februar 2020