Mit Dr. Daniel Carl, Abteilungsleiter des Geschäftsfeldes Produktionskontrolle am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg, sprach inspect über die Anwendung moderner optischer Messtechnik in der Linie und ihre Stellung innerhalb einer sich durch die Industrie 4.0 verändernden Produktion.

inspect: Innerhalb des Fraunhofer-Instituts für physikalische Messtechnik IPM, repräsentiert die Produktionskontrolle eines von fünf Geschäftsfeldern. Welche Besonderheiten weist dieses Geschäftsfeld innerhalb des Gesamtthemenspektrums des Fraunhofer IPM auf?

D. Carl: Zunächst ist die Produktionskontrolle das größte Geschäftsfeld am Fraunhofer IPM. Eine weitere Besonderheit ist die Tatsache, dass wir mit der Produktionskontrolle einen sehr hart umkämpften Markt adressieren. Auf diesem sind sowohl andere Institute als auch Firmen extrem aktiv. Wir sind da keineswegs konkurrenzlos. Und das, was wir entwickeln, ist auch nicht per se ein Selbstläufer. Denn anders als bei uns finden sich viele Geschäftsfelder im Fraunhofer-Umfeld in den High End Bereichen und adressieren erst einmal entsprechende Nischenmärkte exklusiv.
Wir kommen in der Regel dann zum Zuge, wenn ein Kunde mit einer ungelösten Aufgabe oft nach Jahren der vergeblichen Suche und diversen Firmenkontakten zu uns kommt. Wir rollen dann die Fragestellung noch einmal komplett neu auf,  indem wir Problem-Lösungs-orientiert Forschung und Entwicklung betreiben, was in hervorragender Weise dem Fraunhofer-Gedanken gerecht wird.
Es gibt Projekte in unserem Geschäftsfeld, bei denen wir die komplette Wertschöpfungskette abdecken, von der Idee/Grundlagenforschung bis hin zum schlüsselfertigen System, das wir selbst beim Endanwender installieren. Das ist durchaus ungewöhnlich.
Nehmen wir als Beispiel die schnelle 3D-Messtechnik. Die ist bei uns ein riesiges Thema, mit dem wir uns seit ziemlich genau 10 Jahren befassen. Wir haben ganz grundlegende Forschungen an diesem Verfahren betrieben und es über Jahre hinweg weiterentwickelt, teils in öffentlich geförderten Vorhaben, teils mit Fraunhofer-Geld, aber auch in bilateralen Projekten mit Industriepartnern. Und mittlerweile läuft diese Technologie bei einem Automobilzulieferer im Sekundentakt rund um die Uhr in der Linie. Und so wie wir am Anfang die grundlegenden Experimente gemacht haben, sind wir jetzt am Ende für die Installation und sogar für den Service zuständig – ganz einfach, weil es kein anderer kann.

inspect: Für das Geschäftsfeld Produktionskontrolle des Fraunhofer IPM werden drei Themenfelder genannt: Oberflächenanalytik, 100%-Qualitätsprüfung und Inline-Produktionsüberwachung und -Regelung. Warum ist es gerade diese Einteilung?

D. Carl: Die Einteilung wird möglicherweise verständlicher, wenn ich es so beschreibe, dass wir Oberflächenanalytik für die 100%-Qualitätssicherung machen und diese dann bis in die Linie bringen. Also mehr als Folge aufeinander aufbauender Themen.
Wenn wir uns darauf beschränken würden, einzelne Messverfahren zu entwickeln, wären wir eigentlich zu nah an der universitären Arbeitsweise. Wir müssen aber das Bindeglied zwischen Universität und Industrie darstellen. Endanwender ist schließlich der Industriekunde und niemand sonst. Und daher müssen wir uns zumindest anwendungsseitig der klassischen Arbeitsweise eines Industrieunternehmens annähern.
Eine Schwierigkeit dabei ist, dass es auf der einen Seite Technologien bzw. Technologiefelder gibt und auf der anderen Seite Geschäftsfelder. Und ein Technologiefeld passt nicht immer zwangsweise zu einem Geschäftsfeld. Daher verwenden wir viel Zeit darauf, uns Geschäftsfelder anzusehen und nicht einfach nur Technologie ins Blaue zu entwickeln. Wir identifizieren gezielt die besonderen Probleme in bestimmten Bereichen.
So haben wir uns z. B. im Bereich der Drahtindustrie extrem intensiv mit den Problemen beim Drahtziehen beschäftigt. Denn ohne wirklich fundierte Kenntnisse über die Prozesse, bliebe unklar, was gemessen werden muss, was geprüft werden muss und wie die Umgebungsbedingungen sind, unter denen das Ganze umgesetzt werden soll.
Wir verwenden den Begriff Themenfeld auch, um ein bisschen flexibler sein zu können, wenn nicht klar von einem Geschäftsfeld oder einer Technologie gesprochen werden kann. Bezogen auf das Thema Drahtinspektion ist das Geschäftsfeld eigentlich die „optische Messtechnik für drahtproduzierende Unternehmen“. Und die Technologie ist die extrem schnelle parallel prozessierte Bildverarbeitung. Das Ganze ist dann noch verpackt in eine extrem robuste Gehäusetechnologie.

inspect: Produktionskontrolle klingt für einen Uneingeweihten zunächst eher nach industrieller Routine. Wie spannend ist das Thema tatsächlich?

D. Carl: Ich denke, was das angeht, haben wir es bei Fraunhofer sehr gut. Dadurch, dass wir bezogen auf den Anspruch der Aufgaben, die an uns herangetragen werden, eine gewisse Sonderstellung einnehmen, bearbeiten wir Themenfelder, mit denen es auf keinen Fall langweilig wird. Wir bewegen uns fast immer mindestens mit einem Teil des Projektes, manchmal auch mit mehreren Aspekten, an der Grenze des Machbaren. Das können z. B. besonders raue Umgebungsbedingungen sein, unter denen noch nie jemand vergleichbare Messungen durchgeführt hat. Sei es das Messen einer Geometrie oder auch eines Spektrums oder etwas anderes. Ein Aspekt kann auch die Geschwindigkeit sein.
Messtechnik wird auch oft erst dann eingesetzt, wenn etwas vielleicht nicht zuverlässig funktioniert oder es sicherheitskritisch wird, und ein Ausfall nicht akzeptabel ist. Von der Messtechnik wird dann aber erwartet, dass sie schon entsprechend weit entwickelt und einsatzfähig ist. Doch das ist nicht der Fall, wenn die Prozesse so speziell, die Umgebungsbedingungen so spezifisch und oftmals so rau sind, dass verfügbare Standardmesstechnik die Aufgabe nicht lösen kann. Da genau kommen wir ins Spiel. Und das ist natürlich hochspannend.
In solchen Projekten bekommen wir Einblick in die Kernprozesse der Herstellung, sozusagen in das „Allerheiligste“ der Firmen. Und das ist unglaublich beeindruckend und Außenstehende würden das so normalerweise nie zu sehen bekommen.  Ein bisschen schade ist es, dass wir – außer in Ausnahmefällen mit expliziter Freigabe – darüber niemals sprechen.

inspect: In Verbindung mit dem Stichwort Industrie 4.0 entsteht gelegentlich der Eindruck, als würden Entwicklungen auf das neue Label umetikettiert, die ohnehin ihren Weg genommen hätten? Wie beeinflusst Industrie 4.0 Ihren Bereich?

D. Carl: Industrie 4.0 ist zunächst ein abstrakter Begriff.  Bezogen auf unsere Aktivitäten steht er dafür, dass nicht einfach nur gemessen und kontrolliert wird, sondern dass die Ergebnisse der Messungen wieder in die Prozesse einfließen. Das wurde früher schon gemacht. Aber jetzt erfolgt es automatisch und in Echtzeit. Und das ist Industrie 4.0.
In der Fertigung von absoluten High-End-Produkten, wie zum Beispiel im Bereich Aerospace, ist Industrie 4.0 besonders am Ende der Wertschöpfungskette schon gelebte Realität. Es gibt also Branchen und Firmen, die dieses Prinzip mit der Zeit zur Reife entwickelt und dann erfolgreich eingeführt haben. Dann hat eine größere Community erkannt, dass dieses Potential, das einige schon nutzen, auf andere Zweige übertragen werden kann. Genau in dem Moment musste ein geeigneter und einprägsamer Begriff gefunden werden: Industrie 4.0.
Und jetzt müssen die Hersteller mehr über ihre Prozesse lernen. Dafür müssen sie Ihre Produkte vermessen. Wenn sie das in Echtzeit in der Produktion machen wollen, kommen sie nicht darum herum, zukünftig in der Linie zu messen und automatisiert in Echtzeit auszuwerten. Basierend auf solchen Echtzeit-Auswertungen lassen sich dann auch Entscheidungen treffen und in den Prozess rückkoppeln. Das ermöglicht nötigenfalls ein frühzeitiges Gegensteuern und verhindert, dass erst dann eine Reaktion ausgelöst wird, wenn bereits Ausschuss produziert wird.
Wenn wir zusätzlich sehen, dass nahezu jedes Teil seinen Anfang als banales Halbzeug hat, und verstehen, dass wir am Ende viel Wertschöpfung verlieren, wenn die Qualitätssicherung nicht stimmt, muss Industrie 4.0 meiner Meinung nach genau hier ansetzen. Dementsprechend sind wir in unserer strategischen Entwicklung stark von diesem Gedanken getrieben, dafür die passenden Lösungen zu entwickeln, die dann wieder dazu beitragen, für Industrie 4.0 neue Felder zu erschließen und in Bereiche vorzudringen,  in denen sie bisher nicht mal ein Begriff ist. Also etwa bei den Drahtziehern oder vielleicht in einer Gießerei. In diesem Zusammenhang sehen wir uns auch ein Stück weit als Enabler.

inspect: Wenn Sie für jedes der Themenfelder ein aktuelles Highlight benennen sollten, welche drei wären das?

D. Carl: Ein solches Highlight ist die Inline-Dichtflächenprüfung. Einer unserer Kunden, ein Mittelständler aus dem Schwarzwald, stellt Dichtungen für Motoren her. Diese Kleinteile sind enormen Drücken ausgesetzt und es ist eine 100%-Kontrolle erforderlich. Das heißt, dass die münzgroßen Kleinteile im Sekundentakt vollflächig im Submikrometerbereich vermessen werden müssen. Wir haben dort ein Messsystem mit einer auf Interferometrie basierenden Technologie in der Fertigung installiert. Allgemein heißt es, dass Interferometrie nur bei Laborbedingungen auf schwingungsisolierten Tischen funktioniert. Dort funktioniert sie im Produktionsumfeld und misst im Sekundentakt.
Mit dem Verfahren haben wir zudem den schnellsten 3D-Sensor der Welt, mit mittlerweile neun Millionen 3D-Punkte in einer zehntel Sekunde. Die eigentliche Messung dauert sogar nur 60 Millisekunden. Dann brauchen wir noch ein paar Millisekunden für die Auswertung. Wir brauchen pro 3D-Messung weniger Bilder als andere Verfahren, dafür ist das Verfahren an sich auch ein bisschen aufwendiger. Wir beleuchten das Bauteil kohärent, verwenden dann aber eine Kamera, die das Hologramm digital aufzeichnet. Unter anderem deswegen heißt es digitale Holographie.
Ebenfalls direkt in die Linie haben wir außerdem im letzten Jahr mehrere Inline-Mikroskopiesysteme für die 100%-Kontrolle bei der Medizingeräteproduktion gebracht. Es geht dabei um Ateminhalationsgeräte, die extrem komplexe Qualitätssicherungsschritte durchlaufen. Im Rahmen dieser Vorhaben arbeiten wir sehr eng mit Handlingspezialisten aus der Region zusammen.
Ein weiteres thematisches Highlight, das wir jetzt gerade angehen, ist die markerfreie Bauteilverfolgung. Für viele Optimierungen oder auch um feststellen zu können, warum am Ende eine Baugruppe nicht funktioniert, muss bekannt sein, wo die Teile hergekommen sind, aus denen diese Baugruppe besteht. Oder es muss festgestellt werden, ob eine Charge ein systematisches Problem aufwies. Allerdings sind viele Teile nicht markierbar.  Wenn beispielsweise auf die Dichtfläche einer Dichtung ein Data-Matrix-Code aufgelasert werden würde, wäre sie nicht mehr dicht. Mit diesem Projekt stehen wir an der Schwelle zur ersten prototypischen Umsetzung.

inspect: Als Forscher und Entwickler versuchen Sie und Ihre Kolleginnen und Kollegen die Grenzen des Machbaren oder besser des Anwendbaren stetig zu erweitern. Wo liegen aus Ihrer Erfahrung heraus aktuelle Grenzen der Anwendbarkeit in Ihren Themenfeldern?

D. Carl: Zu allererst sind hier die Umgebungsbedingungen zu nennen. Die setzen uns immer wieder Grenzen. Aber wir versuchen diese Grenzen zu überwinden beziehungsweise zu unseren Gunsten auszuweiten. Das passiert immer dann, wenn wir Verfahren, die im Labor auf kleinen Flächen gut funktionieren, für die industrielle Anwendung hochskalieren müssen. Auch die Rechenzeit setzt einem Projekt gelegentlich Grenzen, denn oftmals ist die Auswertung das Bottleneck.
Tatsächlich werden zahlreiche Fragestellungen an uns herangetragen, die wir so, wie es sich die Unternehmen vorstellen, heute noch nicht realisieren können. Kommen jedoch mehrere Unternehmen mit demselben Problem zu uns, werden wir natürlich hellhörig. Dann fangen wir an, darüber nachzudenken, was technologisch zu tun wäre, um einer Lösung näher zu kommen. Und wenn wir eine Idee haben, dann schauen wir, ob wir auch das notwendige Know-how haben. Ist das der Fall, können wir diese Firmen, die diese Fragestellung an uns herangetragen haben, auch aktiv in einen strategischen Prozess einbinden.
Zu alledem bewegen wir uns immer im Spannungsfeld zwischen technischer Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit. Das heißt ganz einfach, dass ohne ROI keine Umsetzung erfolgen kann. Wir wollen natürlich eine tolle Technologie entwickeln, aber der Kunde möchte eine möglichst preiswerte Lösung. Und die Wahrheit liegt oft dazwischen.

inspect: Welchen Forschungsthemen trauen Sie zu, zukünftig bestehende Grenzen zu überwinden und neue Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen?

D. Carl: Es gibt zwei große Felder, die wir permanent im Auge behalten. Zum einen besuchen wir wissenschaftliche Tagungen und lesen wissenschaftliche Veröffentlichungen. Daher sind wir up-to-date, bezüglich dessen, was an den Universitäten und im Bereich der anderen Forschungseinrichtungen geschieht.
Aber für uns ist neben dem Wissen über die Verfahren und über die prinzipielle Machbarkeit auch das Wissen über bereits erfolgte Umsetzungen wichtig. Und da haben wir erkannt, dass wir den Markt der Konsumerproduktion auf dem Schirm haben müssen. Das ist ein sehr interessanter Aspekt, der in den letzten Jahren zunehmen Bedeutung erlangt hat.
Nehmen wir das Beispiel der Holographie. Wollten wir vor etwa 15 Jahren zum Beispiel eine Millionen 3D-Punkte erzeugen, haben wir auf einen Knopf gedrückt und konnten dann erste einmal in aller Ruhe eine Kaffeepause einlegen, bis der Prozess abgeschlossen war. Heute erzeugen wir neun bis zehn Millionen 3D-Punkte in einer Zehntelsekunde. Warum können wird das heute so schnell?
Das können wir heute so schnell, weil Firmen wie beispielsweise Nvidia Grafikkarten entwickelt haben, mit denen sich virtuelle Monster extrem realistisch in 3D über den Bildschirm jagen lassen. Und die Algorithmen, die dafür verwendet werden, sind mehr oder weniger exakt die Algorithmen, die wir brauchen, um Hologramme numerisch zu rekonstruieren.
Einer meiner Kollegen, Dr. Markus Fratz, hat das sehr früh erkannt. Daher haben wir schon vor vielen Jahren, als es noch nicht weit verbreitet war, auf Grafikkarten zu rechnen, die strategisch die Entscheidung getroffen, genau das zu probieren. Ursprünglich hatten wir damals geplant, unser Projekt auf FPGA umzusetzen. Und da Grafikkarten für den Konsumermarkt hergestellt werden sind sie auch abwärtskompatibel. Die Programme von damals laufen heute noch problemlos auf der neuen Grafikkarten-Generation.
Naturgemäß haben wir es oft mit Problemen zu tun, die lange nicht zu lösen waren und erkennen dann plötzlich, dass es jetzt eine Komponente gibt, mit der das Problem lösbar wird. Oft sind das sogar Low- Cost-Artikel. Zum Beispiel tauchte irgendwann mit der LED eine neuartige Lichtquelle auf, die manche Problemlösungen erst jetzt möglich macht. Eine LED kostet nur wenige Euro. Das hat uns zum Beispiel auch bei der Drahtinspektion geholfen.
Natürlich lässt sich nicht alles, was es im Konsumerbereich gibt, für die industrielle Messtechnik einsetzen. Aber es kommen gelegentlich neue Produkte, die dann plötzlich eine messtechnische Lösung ermöglichen. Dabei muss die Messtechnik auch zukünftig eine solide Sache bleiben. Also bevor irgendwas in die Fertigung kommt, muss es wirklich Hand und Fuß haben. Erst dann ist es ein ganz solides Engineering. Aber um dahin zu kommen, müssen wir auch einmal unkonventionell denken dürfen.
Grundsätzlich halte ich es für wahrscheinlich, dass die größten Entwicklungsschübe zukünftig aus Richtungen kommen werden, die heute noch niemand auf dem Plan hat. Wir müssen also möglichst interdisziplinär Augen und Ohren offen halten.