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.



  • 1,18 Millionen offene Stellen im vierten Quartal

    1,18 Millionen offene Stellen im vierten Quartal

    231.000 offene Stellen weniger als im vierten Quartal 2019 verzeichnet das Institut für Arbeitsmarkt und Berufsforschung in der aktuellen Stellenerhebung. Demnach ist die Zahl der offenen Stellen gegenüber dem dritten…

    mehr lesen: 1,18 Millionen offene Stellen im vierten Quartal

  • Energiesparen im Homeoffice

    Energiesparen im Homeoffice

    Die vermehrte Arbeit im Homeoffice reduziert die CO2-Emissionen, die beispielsweise durch Pendeln entstehen. Auf der anderen Seite steigt der Stromverbrauch zuhause. Wie dieser reduziert werden kann, zeigen Tipps der Fachgemeinschaft…

    mehr lesen: Energiesparen im Homeoffice

  • Bessere Stimmung in der deutschen Wirtschaft

    Bessere Stimmung in der deutschen Wirtschaft

    Nach 90,3 Punkten im Januar ist der Ifo-Geschäftsklimaindex im Februar gestiegen. Die Unternehmen schätzen dabei nicht nur die aktuelle Lage besser ein sondern sind auch mit Blick auf die kommenden…

    mehr lesen: Bessere Stimmung in der deutschen Wirtschaft

  • Zweistelliger Exportrückgang im Corona-Krisenjahr

    Zweistelliger Exportrückgang im Corona-Krisenjahr

    Die weltweite Corona-Krise hat auch zu hohen Exporteinbußen der Maschinen- und Anlagenbauer geführt. Im Jahr 2020 wurden aus Deutschland Maschinen und Anlagen im Wert von 160 Milliarden Euro exportiert und…

    mehr lesen: Zweistelliger Exportrückgang im Corona-Krisenjahr

  • Firewall für industrielle Infrastrukturen und Betriebsumgebungen

    Firewall für industrielle Infrastrukturen und Betriebsumgebungen

    Das Unternehmen Stormshield, Anbieter von Cybersicherheit für kritische Infrastrukturen, sensible Daten und Betriebsumgebungen, hat sein Lösungsportfolio um eine neue Industrie-Firewall erweitert.

    mehr lesen: Firewall für industrielle Infrastrukturen und Betriebsumgebungen

  • Andreas Zipser erweitert den Vorstand bei Easy Software

    Andreas Zipser erweitert den Vorstand bei Easy Software

    Easy Software bekommt einen neuen Chef. Zum 1. März wird Andreas Zipser zum CEO des Softwareanbieters.

    mehr lesen: Andreas Zipser erweitert den Vorstand bei Easy Software

  • IT-Sicherheitsgesetz 2.0 soll Cybersicherheit erhöhen

    IT-Sicherheitsgesetz 2.0 soll Cybersicherheit erhöhen

    Das neue IT-Sicherheitsgesetz 2.0 des Bundesinnenministeriums steht kurz vor der Verabschiedung. Es sieht unter anderem Veränderungen im Zusammenhang mit dem Schutz kritischer Infrastrukturen (KRITIS) vor.

    mehr lesen: IT-Sicherheitsgesetz 2.0 soll Cybersicherheit erhöhen

  • Softwareplattform für vernetzte Fahrzeuge

    Softwareplattform für vernetzte Fahrzeuge

    Bosch und Microsoft wollen eine Softwareplattform für die nahtlose Vernetzung von Autos und Cloud entwickeln.

    mehr lesen: Softwareplattform für vernetzte Fahrzeuge

  • Automatisierte Cyberangriffe auf Webanwendungen

    Automatisierte Cyberangriffe auf Webanwendungen

    Cyberkriminelle setzen zunehmend auf Bots und Automatisierung, um ihre Angriffe effizienter zu gestalten und einer Entdeckung zu entgehen. Barracuda analysierte eine zweimonatige Datenstichprobe zu Angriffen auf Webanwendungen, die von Barracuda-Systemen…

    mehr lesen: Automatisierte Cyberangriffe auf Webanwendungen

  • Itac Software übernimmt Cogiscan

    Itac Software übernimmt Cogiscan

    Mit der Übernahme des kanadischen Unternehmens Cogiscan will Itac Software sein Portfolio an Industrie 4.0-Lösungen erweitern.

    mehr lesen: Itac Software übernimmt Cogiscan

  • Die Pandemie hat Missstände deutlich gemacht

    Die Pandemie hat Missstände deutlich gemacht

    Rund drei Jahre nach Inkrafttreten der DSGVO und den damit verbundenen Verschärfungen im Umgang mit personenbezogenen Daten, waren sich noch zu Beginn des letzten Jahres immer mehr Unternehmen und Behörden…

    mehr lesen: Die Pandemie hat Missstände deutlich gemacht

  • Neuer Spitzenwert und unsicherer Ausblick

    Neuer Spitzenwert und unsicherer Ausblick

    Im Jahr 2019 haben die Innovationsausgaben deutscher Unternehmen einen neuen Rekordwert erreicht. Für 2020 gehen die Autoren der Innovationserhebung von einem Rückgang der Ausgaben aus.

    mehr lesen: Neuer Spitzenwert und unsicherer Ausblick