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.



  • Vier neue Vertriebspartner für Universal Robots

    Vier neue Vertriebspartner für Universal Robots

    Universal Robots (UR) baut sein Vertriebsnetz in Deutschland aus. Mit SCS Robotik, JDT Robotics, PTS Automation sowie der Somack sind vier neue Partner hinzugekommen.

    mehr lesen: Vier neue Vertriebspartner für Universal Robots

  • Cyberangriffe gefährden die Digitalisierung

    Cyberangriffe gefährden die Digitalisierung

    Im seinem neuen Lagebericht zur IT-Sicherheit in Deutschland fordert das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik der Cybersicherheit eine stärkere Bedeutung beizumessen. Die Gefährdungslage sei hoch, so Bundesinnenminister Horst Seehofer.

    mehr lesen: Cyberangriffe gefährden die Digitalisierung

  • Materialise eröffnet Metall-Kompetenzzentrum für 3D-Druck

    Materialise eröffnet Metall-Kompetenzzentrum für 3D-Druck

    Der 3D-Druck-Spezialist Materialise vergrößert seinen Bremer Standort und hat ein Metall-Kompetenzzentrum für 3D-Druck eröffnet, das künftig 120 Mitarbeitern Platz bieten soll.

    mehr lesen: Materialise eröffnet Metall-Kompetenzzentrum für 3D-Druck

  • Moxa und Crosser arbeiten zusammen

    Moxa und Crosser arbeiten zusammen

    Mit dem Ziel Komplettlösungen für das Industrial Internet of Things anbieten zu können, arbeiten Moxa Europe und Crosser zukünftig zusammen. Dazu integriert Moxa den Low-Code-Ansatz von Crosser in seine Lösungen.

    mehr lesen: Moxa und Crosser arbeiten zusammen

  • Neuer Geschäftsführer bei Sage

    Neuer Geschäftsführer bei Sage

    Christoph Stoica verantwortet als neuer Geschäftsführer zukünftig die Landesgesellschaften in Zentraleuropa von Sage. Er übernimmt das Amt zum 1. November.

    mehr lesen: Neuer Geschäftsführer bei Sage

  • Höchstes Budget für Nachhaltigkeit im Maschinenbau

    Höchstes Budget für Nachhaltigkeit im Maschinenbau

    68 Prozent der deutschen Maschinen und Anlagenbauer haben Nachhaltigkeit in der Unternehmensstrategie verankert, 39 Prozent von ihnen – und damit mehr im Vergleich zu anderen Branchen – stellen spezielles Budget…

    mehr lesen: Höchstes Budget für Nachhaltigkeit im Maschinenbau

  • Aras ernennt Roque Martin zum CEO

    Aras ernennt Roque Martin zum CEO

    Roque Martin wird neuer CEO beim Low-Code-Spezialisten Aras. Der bisherige CEO und Unternehmensgründer Peter Schroer wechselt in das Board of Directors.

    mehr lesen: Aras ernennt Roque Martin zum CEO

  • Angriffsflächen-Management verbessert IT-Sicherheit

    Angriffsflächen-Management verbessert IT-Sicherheit

    Unter der digitalen Angriffsfläche versteht man alle Angriffsvektoren, über die ein unautorisierter Nutzer versuchen kann, Daten einzubringen oder zu entwenden.

    mehr lesen: Angriffsflächen-Management verbessert IT-Sicherheit

  • Neuer CEO bei IoT Inspector

    Neuer CEO bei IoT Inspector

    Jan C. Wendenburg übernimmt die Leitung von IoT Inspector der Analyse-Plattform für Sicherheit im Internet der Dinge (IoT). Er kommt von Cergate zum IoT-Spezialisten.

    mehr lesen: Neuer CEO bei IoT Inspector

  • Verbände fordern Schulterschluss zwischen Autobauern und Zulieferern

    Verbände fordern Schulterschluss zwischen Autobauern und Zulieferern

    Die Branchenverbände IBU, IMU, DSV und VDFI sehen in einem gemeinsam veröffentlichten Brandbrief den „Standort Deutschland gefährdet“. Die Lieferkette der Automobilindustrie stehe vor dem Kollaps, heißt es darin.

    mehr lesen: Verbände fordern Schulterschluss zwischen Autobauern und Zulieferern

  • Interaktion zwischen Mensch und KI verbessern

    Interaktion zwischen Mensch und KI verbessern

    Im Forschungsprojekt ’GeMeKI’ entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktiontsechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit elf Partnern drei KI-gestützte Assistenzsysteme für das Fügen, Trennen und Umformen, die komplexes menschliches Expertenwissen in ihre…

    mehr lesen: Interaktion zwischen Mensch und KI verbessern

  • ZEW-Konjunkturerwartungen gehen erneut zurück

    ZEW-Konjunkturerwartungen gehen erneut zurück

    Mit einem Rückgang um 4,2 Punkte verzeichnet die ZEW-Konjunkturumfrage im Oktober den fünften Rückgang in Folge. Erstmals seit Februar verschlechtert sich auch die Einschätzung der aktuellen konjunkturellen Lage.

    mehr lesen: ZEW-Konjunkturerwartungen gehen erneut zurück