Mit Causal AI gegen Qualitätsverlust in der Fertigung

0:000:00

Elektronikfertigung, Siemens Erlangen.
Elektronikfertigung, Siemens Erlangen. – Bild: Siemens

Im Gegensatz zu vielen traditionellen Machine Learning-Methoden geht Causal AI über einfache Korrelationen hinaus. Sie ermöglicht die Analyse komplexer, oft nichtlinearer Zusammenhänge in hochdimensionalen Daten, wie sie in modernen Produktionsumgebungen üblich sind. Anstatt nur vorherzusagen, wann ein Fehler auftreten könnte, soll sie auch die Gründe offenlegen. So können Anwender selbst in großen und komplexen Produktionsumgebungen versteckte Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen Prozessparametern und Qualitätsmerkmalen identifizieren. Mit Causal AI sollen Unternehmen ihre Fertigungsprozesse so tiefgreifend verstehen und optimieren können, wie nie zuvor.

KI-gestützte Root Cause Analysis (RCA)

Das Ziel jeder RCA ist es, den ursächlichen Mechanismus hinter einer Veränderung von einem erwünschten zu einem unerwünschten Zustand zu ermitteln, um zu verhindern, dass ein Problem erneut auftritt, das etwa zu Stillstandzeiten der Anlagen und Qualitätsmängel bei den hergestellten Produkten führte. Zudem wollen Produzenten unbekannte Wirkzusammenhänge erkennen, um diese später für die Optimierung der Produktionsanlagen und -prozesse zu nutzen.

Beispiel Autobau

In einer modernen Produktionsanlage eines Automobilzulieferers, die über ein integriertes Produktverfolgungssystem im Sinn von Track and Trace verfügt, sind solche Systeme typischerweise in Scada- oder MES-Anwendungen eingebunden. Diese Systeme nutzen eine umfassende Prozessdatenbank (Historian), die viele Beobachtungsdaten bereitstellt. In einem realen Fall sah sich ein Hersteller von Zylinderkopfhauben mit dem Problem konfrontiert, das die Qualität der Zylinderkopfhauben messbar abnahm – insbesondere wiesen sie Mängel in der Dichtigkeit auf. Um die Ursachen für dieses Problem zu ermitteln, richtete das Unternehmen den Fokus auf die vorhandenen Produktionsdaten. Die Firma entschied sich für den Einsatz der Xplain Data Causal AI-Methode, um die Lösung für das Problem zu finden. Diese Methode besteht aus folgenden Komponenten:

ObjectAnalytics: Datenüberführung in ein objektzentriertes Format. Das zu analysierende Root-Objekt war das produzierte Teil, also die Zylinderkopfhaube. Die ObjectAnalytics Datenbank ermöglicht eine lückenlose Analyse aller Daten entlang der Produktionslinie. Der ObjectExlorer arbeitet entlang der Objekthierarchie, zur effizienten Vor- und Nachbereitung der Causal-AI-Modelle. Der CausalDiscoverer hat die Aufgabe, die Faktoren aufzuspüren, die tatsächlich kausalen Einfluss auf einen Effekt haben, in diesem Fall die ‚Not OK‘-Rate. Schließlich kommt der Causal DiscoveryBot zum Einsatz, ein autonomer AI-Agent, der kontinuierlich kausale KI-Scans der Produktionsdaten durchführt und aufkommende Fehlerursachen an das QM-Team meldet.

Überraschende Erkenntnisse der Causal AI-Algorithmen

Es stellte sich heraus, dass die Dichtheitsprüfung im Fertigungsprozess maßgeblich von der Bauteiltemperatur nach dem Waschen abhängt. Eine zu lange Wartezeit vor der Prüfung führte zu Temperaturschwankungen, die häufig fehlerhafte, falsch-negative Prüfergebnisse erzeugten. Diese Teile wurden dann ausgeschleust und unnötig kostspielig manuell nachbearbeitet. Auch Qualitätsunterschiede bei den Gussnestern der Rohteile wurden aufgedeckt. Durch organisatorische Maßnahmen wurde der Effekt abgestellt, der durch die Wartezeit vor der Dichtheitsprüfung auftrat und das fehlerhafte Gussnest ersetzt. Diese und weitere Anpassungen senkten die Fehlerquote in der Produktion von über zehn Prozent auf etwa 1,6 Prozent. Aufgrund der Anlagenkomplexität ließen sich die Einflussfaktor zuvor nur schwer prüfen.

Voraussetzungen, Implementierung und Rollout

Die Implementierung von Causal AI-Methoden ist in allen Produktionslinien mit diskreter Fertigung möglich, das heißt, wenn die produzierten Teile individuell nachverfolgbar sind. Eine Ausweitung dieser Verfahren auf Zulieferbetriebe ist ebenfalls realisierbar. Die Einführung der KI-Tools in eine Produktionsumgebung beginnt typischerweise mit einem Proof-of-Concept-Projekt, dessen Dauer – abhängig von der Datenbereitschaft – in der Regel drei bis sechs Monate beträgt. Das System kann sowohl On-Premise (Linux, Windows) als auch in der Cloud (AWS, Azure etc.) implementiert werden. Nach erfolgreichem Abschluss des PoC ist der Betrieb des Systems ohne ein dediziertes Data-Science-Team beim Produktionsbetrieb möglich.

Herausforderungen in der Fertigung

Die größte Herausforderung beim Einsatz der Tools ist die lückenlose Verarbeitung der enormen Datenmengen moderner Produktionsanlagen. Genau dazu wurde ObjectAnalytics entwickelt – ein patentiertes, objektzentriertes Datensystem, das eine Analyse des produzierten Teils ermöglicht. Es bildet die Grundlage für eine performante Deep Search nach kausalen Faktoren in komplexen Produktionsdaten – und soll Feature Engineering überflüssig machen.

Zusammenfassung

Der Einsatz dieser KI-Tools in der Fertigung soll nicht nur die Entscheidungsfindung verbessern, sondern auch die Kultur der kontinuierlichen Verbesserung. Das Verständnis der zugrundeliegenden Kausalzusammenhänge ermöglicht es den Herstellern, sich an veränderte Bedingungen anzupassen und ihre Prozesse fortlaufend und effizient zu optimieren. Und die Technologie ist im Aufwind. Im Rockwell Smart Manufacturing Report 2024 gaben 1.500 Entscheidungsträger aus 17 der wichtigsten Fertigungsländer an, dass Causal AI einer der wichtigsten Investitionsschwerpunkte in den nächsten zwölf Monaten sein werde.



  • KI und Hochleistungscomputer beschleunigen Forschung

    KI und Hochleistungscomputer beschleunigen Forschung

    Materialwissenschaft KI und Hochleistungscomputer beschleunigen Forschung Forschende gehen davon aus, ihre Arbeit mit einer Kombination aus künstlicher Intelligenz (KI) und Cloud Computing auf ein Tempo beschleunigen zu können, das bis…

    mehr lesen: KI und Hochleistungscomputer beschleunigen Forschung

  • Antrieb 4.0: Forschung für zukunftsfähige Antriebslösungen

    Antrieb 4.0: Forschung für zukunftsfähige Antriebslösungen

    Antriebe der Zukunft entwickeln Antrieb 4.0: Forschung für zukunftsfähige Antriebslösungen Im Forschungsprojekt Antrieb 4.0 sollen Ansätze für mehr Effizienz und Nachhaltigkeit in Antriebssystemen entwickelt werden. Ein Use Case zielt darauf…

    mehr lesen: Antrieb 4.0: Forschung für zukunftsfähige Antriebslösungen

  • Die industrielle Bildverarbeitung in der Automobilbranche

    Die industrielle Bildverarbeitung in der Automobilbranche

    Vergleich zwischen Deutschland und Großbritannien Die industrielle Bildverarbeitung in der Automobilbranche 43 Prozent der deutschen Automotive-Unternehmen setzen KI in der Bildverarbeitung ein. In Großbritannien sind es mehr als die Hälfte.…

    mehr lesen: Die industrielle Bildverarbeitung in der Automobilbranche

  • Warum Unternehmen zu einem APS-System greifen

    Warum Unternehmen zu einem APS-System greifen

    Im Maschinen- und Anlagenbau sind effiziente Fertigungs- und Planungsprozesse unerlässlich. Advanced-Planning-and-Scheduling-Systeme (APS) gewinnen in diesem Zusammenhang an Bedeutung. Der Aachener Softwarespezialist Inform hat in einer Kundenbefragung die Ziele und Einflussfaktoren…

    mehr lesen: Warum Unternehmen zu einem APS-System greifen

  • Welche Security-Themen Unternehmen auf dem Zettel haben sollten

    Welche Security-Themen Unternehmen auf dem Zettel haben sollten

    Kyndryl-Prognosen für Cyber-Sicherheit Welche Security-Themen Unternehmen auf dem Zettel haben sollten Cybersicherheit wird Unternehmen auch im kommenden Jahr nicht loslassen. Für den IT-Dienstleister Kyndryl kristallisieren sich dabei vor allem fünf…

    mehr lesen: Welche Security-Themen Unternehmen auf dem Zettel haben sollten

  • Neue Technologien adaptiv regulieren

    Neue Technologien adaptiv regulieren

    Interdisziplinäre Forschung an der Universität Freiburg Neue Technologien adaptiv regulieren Voraussichtlich 2024 soll der EU AI Act in Kraft treten. Er unterscheidet verschiedene Systeme von künstlicher Intelligenz (KI) nach ihrem…

    mehr lesen: Neue Technologien adaptiv regulieren

  • Fünf Trends in der KI-gesteuerten Authentifizierung

    Fünf Trends in der KI-gesteuerten Authentifizierung

    Künstliche Intelligenz im CIAM Fünf Trends in der KI-gesteuerten Authentifizierung Die Diskussion rund um künstliche Intelligenz reicht von möglichen Einsatzszenarien bis zur Wahrung der Datenschutzrichtlinien. Und laut einer Studie des…

    mehr lesen: Fünf Trends in der KI-gesteuerten Authentifizierung

  • IBM und Meta starten AI Alliance

    IBM und Meta starten AI Alliance

    Gemeinsam mit Meta startet IBM die AI Alliance, die mehr als 50 Unternehmen und Institutionen zusammenbringt. Ziel ist die Förderung offener, sicherer und vertrauenswürdiger künstlicher Intelligenz.

    mehr lesen: IBM und Meta starten AI Alliance

  • Das beliebteste Passwort 2023 ist 123456789

    Das beliebteste Passwort 2023 ist 123456789

    Das Team von Prof. Christian Dörr, Leiter des Fachbereichs ’Cybersecurity – Enterprise Security’ am Hasso-Plattner-Institut, hat Passwortlisten ausgewertet, die durch gehackte Online-Dienste im Netz gelandet sind. Besonderes beliebt ist demnach…

    mehr lesen: Das beliebteste Passwort 2023 ist 123456789

  • Hexagon und JSOL Corporation arbeiten zusammen

    Hexagon und JSOL Corporation arbeiten zusammen

    Virtuelles Prototyping Hexagon und JSOL Corporation arbeiten zusammen Im Rahmen einer strategischen Partnerschaft wollen Hexagon und die JSOL Corporation virtuelles Prototyping von Elektroantriebssträngen vorantreiben.

    mehr lesen: Hexagon und JSOL Corporation arbeiten zusammen

  • Bechtle ernennt Marijke Kasius zur Vice President

    Bechtle ernennt Marijke Kasius zur Vice President

    Neue Position in den Niederlanden Bechtle ernennt Marijke Kasius zur Vice President Das IT-Systemhaus Bechtle verändert die Führungsstruktur und beruft Marijke Kasius zur Vice President für die Bechtle-Unternehmen in den…

    mehr lesen: Bechtle ernennt Marijke Kasius zur Vice President

  • VDMA zeichnet Nachwuchstalente aus

    VDMA zeichnet Nachwuchstalente aus

    Nachwuchspreis ’Digitalisierung im Maschinenbau’ VDMA zeichnet Nachwuchstalente aus 30 Absolventinnen und Absolventen von Deutschen Hochschulen waren für den Nachwuchspreis ’Digitalisierung im Maschinenbau’ nominiert. Vier von ihnen wurden nun für ihre…

    mehr lesen: VDMA zeichnet Nachwuchstalente aus