Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTPredictive Quality in der Zerspanung: Daten aus der Produktion unterstützen bei der Qualitätssicherung
Die Herstellung von Produkten in der metallverarbeitenden Industrie wie der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik ist regelmäßig mit sehr hohen Kosten verbunden. Ein erheblicher Anteil dieser Kosten entsteht dabei nicht in der eigentlichen Fertigung, sondern in der nachgelagerten Qualitätssicherung. Mit dem Ziel die damit verbundenen Kosten zu senken, hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen ein datengestütztes Verfahren zur Qualitätsprognose entwickelt, das jetzt im EXIST-Forschungstransfer-Projekt »Quantify« in einer eigens entwickelten Software umgesetzt wird. Damit lässt sich die Bauteilqualität bereits während der Fertigung auf Grundlage von Maschinendaten vorhersagen. Das Projekt-Team plant, die Software bis zur Marktreife weiterzuentwickeln und die neue Predictive-Quality-Lösung noch in diesem Jahr mit einer Ausgründung der zerspanenden Industrie zur Verfügung zu stellen.
Die Qualitätsbeurteilung spanend gefertigter Produkte erfolgt meist mit Hilfe optischer oder taktiler Messtechnik, die in der Regel äußerst kostenintensiv sind und besonders bei komplexen Bauteilen fallen lange Messzeiten an – je nach Branche entfallen bis zu 20 Prozent der Durchlaufzeit und bis zu 25 Prozent der Herstellungskosten spanend gefertigter Bauteile auf die Qualitätssicherung.
Das Fraunhofer IPT hat ein Verfahren zur Qualitätssicherung entwickelt, mit dem sich die Produkt- und Prozessqualität vorhersagen und so Kosten und Zeit einsparen lassen. Die internen Daten der Produktionsmaschinen und Sensoren übersetzt die Software direkt in verwertbare Informationen zur Qualität des gefertigten Bauteils. Der digitale Zwilling des gefertigten Bauteils kann mit dem vorab erstellten CAD-Modell abgeglichen werden, sodass Abweichungen zwischen Modell und Bauteil einfach und schnell erkannt werden. Gleichzeitig erleichtert die Software auch die herkömmliche Qualitätssicherung, da der Blick zielgerichtet auf kritische Bauteilbereiche gelenkt werden kann. Das kann dazu beitragen, Prüf- und Produktkosten weiter zu senken.
Daten und Technologie-Know-how als Schlüssel zur Qualitätsprognose
Neu an der Software des Fraunhofer IPT sind die ausgereiften Technologiemodelle, die die Übersetzung der erfassten Maschinen- und Sensordaten in konkrete Informationen über den Bauteilzustand möglich machen: Diese Modelle bilden komplexe Wechselwirkungen im Zerspanprozess präzise ab und berücksichtigen beispielsweise Positionsabweichungen der Maschine, Prozesskräfte, den Werkzeugverschleiß und die Bauteil- und Werkzeugabdrängung. Die aufbereiteten Informationen werden direkt in der Maschinensteuerung, auf einem Tablet oder anderen Devices anhand des digitalen Zwillings dargestellt. Die Software erlaubt so eine präzise Bewertung der Bauteilgenauigkeit des gefertigten Werkstücks direkt nach der Bearbeitung. Sie stellt außerdem nutzerfreundliche Werkzeuge zur Datenanalyse bereit und bietet leicht konfigurierbare Workflows zur Automatisierung sich wiederholender Analyseaufgaben. Zusätzlich können geeignete Korrekturmaßnahmen abgeleitet und an die Produktionsmaschine zurück übertragen werden.
Prozesse und Produkte nachhaltig verstehen und gezielt optimieren
Nach der Entwicklung einer ersten Stand-Alone-Lösung für die Qualitätsprognose in der Fertigung sollen ein Plug-in für CAM-Systeme entwickelt und standardisierte Schnittstellen zu den Softwaresystemen der Qualitätssicherung bereitgestellt werden. Die Software kann so zukünftig in gängige Industrial-Internet-of-Things (IIoT)-Plattformen integriert werden und als zentraler Knotenpunkt der datengestützten und -durchgängigen Qualitätsbeurteilung entlang der gesamten Wertschöpfungskette aus Planung, Fertigung und Qualitätssicherung dienen. Die Daten, die in den unterschiedlichen Phasen der Fertigung gewonnen werden, werden mit Hilfe künstlicher Intelligenz analysiert, sodass Wechselwirkungen sichtbar werden.
Produzierende Unternehmen können so Wissen über ihre Produkte und Fertigungsprozesse erlangen, das zuvor nicht oder nur in Form impliziten Erfahrungswissens zugänglich war. So lassen sich Ursachen für Qualitätsmängel aufdecken und geeignete Maßnahmen zur Optimierung ableiten, um die Bauteilqualität zu verbessern und die Produktionskosten nachhaltig zu senken.
Softwareentwicklung gemeinsam mit metallverarbeitender Industrie
Im engen Schulterschluss soll die Software gemeinsam mit Unternehmen aus der Industrie ab Sommer dieses Jahres weiterentwickelt und für die individuellen Anforderungen modifiziert werden. Interessierte Unternehmen sind herzlich eingeladen, das Projektteam zu kontaktieren.
Das Forschungsprojekt »Quantify« wird im Rahmen des Förderprogramms EXIST Forschungstransfer, einem Programm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie BMWi, und durch den Europäischen Sozialfonds ESF gefördert. EXIST Forschungstransfer unterstützt herausragende forschungsbasierte Gründungsvorhaben, die mit aufwändigen und risikoreichen Entwicklungsarbeiten verbunden sind. Im Projekt werden nicht nur die Entwicklungsarbeiten gefördert, sondern auch die Entwicklung eines Prototypen, die Erstellung des Businessplans und schließlich die in diesem Jahr geplante Unternehmensgründung, durch die die Software der metallverarbeitenden Industrie zur Verfügung gestellt wird.