Viele laserbasierte Produktionsverfahren erfordern strenge Sicherheitsmaßnahmen, um Maschinenbediener vor Strahlung und gesundheitsschädlichen Emissionen zu schützen. Diese Verfahren erschweren jedoch die Prozessüberwachung. Gemeinsam mit Projektpartnern hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen einen Ansatz entwickelt, der mehr Sicherheit, Transparenz und Steuerbarkeit in die Fertigung verspricht: In einer Virtual-Reality-Umgebung werden aufbereitete Sensordaten nahezu in Echtzeit dargestellt. Als Modellprozess diente das additive Fertigungsverfahren des Laserauftragschweißens mit Draht (LMD-w).
Hier erfordern etwa hohe Temperaturen, die Laserstrahlung sowie die entstehenden Rauchgas- und Partikelemissionen spezielle Schutzmaßnahmen, wie Sicherheitswände mit kleinen, dunkel getönten Fenstern. Dadurch bleibt der direkte Blick auf den Fertigungsprozess stark eingeschränkt, und ein Eingreifen in Echtzeit ist nicht möglich. Fehler werden oft erst nach Abschluss des Fertigungsprozesses sichtbar, was eine Analyse erschwert. Die Folge: eine erhöhte Ausschussrate, die den industriellen Einsatz des Verfahrens trotz seiner vielen Vorteile bislang unattraktiv macht.
Aufbereitete Prozessdaten werden an VR-Brille übertragen
Im Forschungsprojekt ‚Vitamine_5G‘ haben das Fraunhofer IPT und seine Partner eine neue Schnittstelle zwischen Mitarbeitenden an der Maschine, Prozessen und Anlagen geschaffen – gestützt auf 5G-Technologie. Dafür installierten die Forschenden am Fraunhofer IPT Sensorik und eine 5G-Infrastruktur, die eine kabellose Erfassung, Übertragung und Verarbeitung von Prozessdaten ermöglicht.
Zunächst erfassten die Forschenden die Maschine in ihren einzelnen Systemen und definierten die erforderliche Sensorik. Die Maschinenkomponenten wurden als 3D-Modelle aufbereitet und in einer virtuellen Umgebung eingebunden. Anschließend wurden die erfassten Daten mit im Projekt entwickelten Werkzeugbahnen kombiniert und in einer VR-Anwendung visualisiert. Studien mit Nutzerinnen und Nutzern zeigen eine hohe Anwendungsfreundlichkeit; zusätzlich erlaubt eine ebenfalls im Projekt entwickelte Datenbank die strukturierte Datenspeicherung und Weiterverarbeitung der Informationen.
VR-Umgebung zur virtuellen Prozessüberwachung
Um die großen Datenmengen in Echtzeit zu übertragen, nutzten die Forschenden die 5G-Infrastruktur des ‚5G-Industry Campus Europe‘ auf dem RWTH-Campus. Ein 5G-Router und mehrere 5G-HATs wurden bestehende Infrastruktur integriert. Stresstests zeigten die maxiam Fraunhofer IPT installiert und in die malen Transferraten des 5G-Netzes auf, während die Sensoren für eine optimierte Datenaufnahme und -verarbeitung angepasst wurden. Schließlich wurden die Prozessdaten an ein Computersystem übertragen und konnten mithilfe einer VR-Brille nahezu in Echtzeit analysiert werden.
Wegbereiter für die industrielle Serienfertigung
Mit den Ergebnissen des Projekts wollen die Forschenden die Prozessüberwachung beim LMD-w verbessern. Die gewonnene Datenbasis erhöht die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und macht die Produktion effizienter und resilienter. Dies ebne den Weg für eine industrielle Serienfertigung auf höchstem Niveau, betonen die Beteiligten. Unternehmen könnten die Erkenntnisse zudem nutzen, um VR- und 5G-Technologien in ihre eigenen Fertigungsprozesse zu integrieren. Zukünftige Forschungsarbeiten sollen die Interaktion mit der Maschine während des laufenden Prozesses ermöglichen. So könnten die Anwenderinnen und Anwender Fehler in Echtzeit erkennen und eingreifen, bevor ein Bauteil unbrauchbar wird.
