Höhere Rentabilität, höhere Effizienz und verbesserte Nachhaltigkeit, das sind einige der Ziele, an deren Umsetzung die Experten der Abteilung Produktionsmonitoring am Fraunhofer EZRT in Fürth intensiv arbeiten. Mit Dr. Steven Oeckl, dem Leiter der Abteilung, sprach inspect über eine Vision, die sich Schritt für Schritt der industriellen Umsetzung annähert.

Der Begriff Prüfung ist im industriellen Produktionsprozess gang und gäbe, sei es mit Blick auf die Qualität oder Quantität von Produkten. Was ist gemeint, wenn Sie in ihrem Bereich von Monitoring sprechen.

S. Oeckl:
Prüfung im klassischen Sinne bedeutete in der Vergangenheit, dass ein Produkt aufgrund eines Prüfergebnisses als gut oder schlecht im Sinne der zu prüfenden Parameter eingestuft wurde. Entsprechend waren auch die Prüfsysteme in der Produktion ausgelegt.

Monitoring hingegen bedeutet, dass pro Bauteil nicht nur eine Gut-Schlecht-Entscheidung getroffen wird, sondern dass zusätzlich die gesammelten Daten ausgewertet werden, und dass der jeweilige Prozess auf der Basis der Erkenntnisse, die aus der Datenauswertung abgeleitet werden können, geregelt wird.

Das heißt, der Prozess wird kontinuierlich erfasst. Dabei werden ganz besonders solche Fehler beobachtet, die zunächst weder die Stabilität noch die Funktionalität des Produktes negativ beeinflussen würden, sich aber im Laufe der Produktion über mehrere Tage hinweg verändern können. Verändern sich diese Fehler in Richtung einer kritischen Größe, möchten wir rechtzeitig gegensteuern.

Bei erkannten negativen Trends wird nachgeregelt, so dass der Prozess möglichst im optimalen Bereich verbleiben kann und fehlerhafte Produkte vermieden werden. Dieser Monitoringprozess muss allerdings permanent fortlaufen. Er kommt sozusagen zu keinem Ende, an dem entschieden werden könnte, dass der Fertigungsprozess jetzt dauerhaft im optimalen Bereich verbleiben wird. Es muss kontinuierlich beobachtet und gegengesteuert werden, mit dem Ziel, das schließlich jedes Bauteil verwendbar ist.

Beim Monitoring geht es also besonders darum, Trends zu erkennen, die uns dabei helfen, die ausschussfreie Produktion zu verwirklichen.

Wird bei einem Produkt ein Fehler identifiziert, ist es Ausschuss, weil kein Unternehmen fehlerhafte Produkte ausliefern will! - Wie würden Sie diesen Satz kommentieren?

S. Oeckl:
Zunächst würde ich bestätigen, dass kein fehlerhaft produziertes Teil an einen Kunden ausgeliefert werden darf. Es stellt sich dabei allerdings die Frage, was der Begriff „fehlerhaft“ genau bedeutet.

Wir haben beispielsweise umfangreiche Erfahrungen im Bereich der Gießerei. Dort werden die Bauteile bereits im Rohgusszustand auf Fehler überprüft. Wird bei dieser Prüfung beispielsweise eine so genannte Ungänze, wie etwa ein Lunker, identifiziert, kommt es entscheidend darauf an, an welcher Stelle des Bauteils diese Pore liegt. Liegt sie in einem Bereich, der später durch die Nachverarbeitung abgetragen wird, zum Beispiel durch eine Bohrung an dieser Stelle, dann führt diese temporäre Ungänze nicht zu einem fehlerhaften Produkt.

Weiterhin ist es denkbar, dass in bestimmten Regionen des Bauteils auch gezielt Fehler zugelassen werden, solange sie eine bestimmte Größe nicht überschreiten. An der Oberfläche des Bauteils werden solche Fehler selbstverständlich nicht akzeptiert, tiefer im Bauteil können die gleichen Fehler hingegen unproblematisch sein. Das heißt also, dass auch ein Produkt mit sogenannten Ungänzen ein fehlerfreies Produkt sein kann. Und um genau dies entscheiden zu können, ist es erforderlich, im Zuge des Monitorings die relevanten Daten zu sammeln.

Im Idealfall sollen die Fehler durch das Monitoring und das Nachregeln an eine Position verschoben werden, an der sie weder die Stabilität noch die Funktion eines Bauteils beeinträchtigen und im schlimmsten Fall gefährden. Das Bauteil ist dann gegebenenfalls nicht fehlerfrei, aber es ist auch kein Ausschuss und kann bedenkenlos eingesetzt werden.

Hier wird noch einmal deutlich, dass die Unterscheidung zwischen einer fehlerfreien und einer ausschussfreien Produktion sehr wichtig ist.

Wie unterscheidet sich die Strategie eines Produktionsmonitoring von Strategien wie der klassischen Qualitätsprüfung und der Rückverfolgbarkeit?

S. Oeckl:
Wie schon erwähnt, geht es bei der klassischen Qualitätsprüfung um eine grundsätzliche „Gut-Schlecht-Entscheidung“. Bei der Rückverfolgbarkeit geht es im Wesentlichen um eine Datensammlung, welche die Produktqualität belegt und die einzelnen Produktionsschritte dokumentiert.. Diese Dokumentation wird aber meist erst im Schadensfall relevant.

Dagegen gilt für das Monitoring, das eben auch Regelungsvorgänge beinhaltet, dass die Daten nicht nur gesammelt und dokumentiert, sondern auch kontinuierlich ausgewertet und genutzt werden.

Es werden sozusagen Metadaten erzeugt, auf deren Basis dann Korrelationen, beispielsweise zwischen den Gießparametern für eine Gießmaschine und den Fehlerbildern aus dem CT-System, abgeleitet werden können. Dabei werden Algorithmen aus der künstlichen Intelligenz oder auch Methoden wie Deep Learning eingesetzt, um die Informationen für anschließende Regel- und Steuerprozesse nutzbar zu machen.

Die Röntgen-Computertomographie scheint ein Verfahren zu sein, das im Zuge des Produktionsmonitoring eine besondere Rolle übernehmen kann. Was prädestiniert diese Technologie dafür?

S. Oeckl:
Die Röntgen-Computertomographie ermöglicht die komplette Erfassung von dreidimensionalen Objekten. Sie erzeugt ein komplettes 3D Modell eines Bauteils. Allerdings sind die Ungänzen, von denen ich zuvor gesprochen habe, Strukturen, die im Bauteil liegen. Die Röntgen-CT ist dazu prädestiniert, solche Strukturen im Bauteil zerstörungsfrei sichtbar zu machen und zu vermessen. Die Informationen zur genauen Lage einer solchen Struktur erhalte ich nur unter Verwendung der Röntgen-CT.

Darüber hinaus lässt sich mit dieser Technologie auch die Maßhaltigkeit eines Bauteils exakt bestimmen. Aufgrund der gewonnenen exakten Oberflächendaten lässt sich sogar Metrologie betreiben.

Nicht alle Materialien oder Produkte eignen sich für die CT-Untersuchung. Welche anderen Verfahren könnten im Rahmen des Produktionsmonitoring eingesetzt werden?

S. Oeckl:
Grundsätzlich lassen sich hier alle zerstörungsfreien Messmethoden einsetzen. Taktile Methoden, Ultraschall, Thermografie, Wirbelstromverfahren oder auch optische Verfahren. Auch die Magnetresonanztomographie wird bereits eingesetzt. Mit ihr lassen sich Messungen durchführen, die mit der Computertomographie nicht machbar sind. Dies ist zum Beispiel ein vielversprechender Ansatz für die Lebensmittelindustrie.

Die Computertomographie lässt sich bei allen Materialien einsetzen, deren Kernladungszahl für dieses Verfahren geeignet ist und die ein Röntgenstrahl durchdringen kann. Das gilt zum Beispiel idealerweise für Aluminium, aber auch für Faserverbundwerkstoffe und die meisten Kunststoffe. Schwierig wird es beispielsweise bei Stahl oder Grauguss, wenn die Wandstärken der zu überprüfenden Bauteile zu groß sind.

Es spielt aber auch eine wichtige Rolle, ob das Bauteil einen Wert hat, der eine 100 % Kontrolle tatsächlich rechtfertigt. Bei günstig herzustellenden Kunststoffbauteilen kann es durchaus sein, das nur in Stichproben geprüft wird und im ungünstigsten Fall eine Charge dann einfach als Ausschuss entsorgt wird. Bauteile, die relativ teuer oder sicherheitsrelevant sind, wie etwa eine Radaufhängung, sind dagegen für eine 100 % Kontrolle prädestiniert.

Bis zu einer lückenlosen Erfassung des Produktlebenszyklus von der Rohstoffgewinnung über die Produktion bis zum Recycling des Produktes, ist es ein weiter Weg. Welche Wegabschnitte sind schon begehbar und wo liegen die besonders unwegsamen Passagen?

S. Oeckl:
Schauen wir auf die einzelnen Stufen eines Produktlebenszyklus, beginnend beim Rohstoff über die Produktion bis hin zum Recycling, können wir zumindest für die Röntgentechnik festhalten, dass wir insbesondere die Produktionsprozesse schon relativ gut verstanden haben. Bis ein Monitoring, wie ich es zuvor beschrieben habe, beispielsweise für den Gießereisektor realisiert ist, wird es aber noch eine Weile dauern.

Um dem Ziel näher zu kommen, sind wir mit Universitäten in Kontakt und kooperieren mit anderen Fraunhofer-Instituten. Die bereits vorhandenen Kompetenzen können sich so ergänzen. Wir am EZRT arbeiten auf dem Gebiet es Monitorings, weil wir die dafür erforderlichen intelligenten Sensoren entwickeln. Andere Partner haben das Prozess-Know-how. So gibt es beispielsweise gute Ansätze aus der künstlichen Intelligenz, wie Deep Learning, neuronale Netzwerke oder Predictive Analytics. Die Entwicklung von Algorithmen macht hier große Fortschritte: Es gibt zahlreiche Programme und Projekte zu diesem Thema. Daher glaube ich, dass es erste Versionen für diese Art der Prozess-Rückkopplung schon in den nächsten Jahren geben kann. 

Bezogen auf den gesamten Produktlebenszyklus, in dem auch Korrelationen zwischen den einzelnen Feldern erfolgen sollen, ist vieles noch ungelöst. Bei faserverstärkten Kunststoffen im Automobilbau gibt es zum Besispiel nur wenige Erfahrungen zum Umgang mit den Materialien im Zuge der Verwendung von Produkten. Etwa bei der Bewertung und eventuellen Reparatur von Unfallschäden. Gutachtern fällt es aktuell schwer, solche Schäden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Fahrzeugstabilität und die Fahrsicherheit einzuschätzen und geeignete Reparaturmaßnahmen vorzuschlagen.

Für die Zukunft halte ich es für wichtig und notwendig, dass in der Produktentwicklung nicht nur ein Augenmerk auf bestimmte funktionelle Kriterien oder Designkriterien gelegt wird, sondern auch darauf, die Prüfbarkeit und am Schluss auch das Recycling zu vereinfachen. Das ist tatsächlich gegenwärtig eines der besonders wichtigen und großen Aufgabengebiete.

Letztendlich läuft es idealerweise auf eine enge Kooperation und Kommunikation der relevanten Akteure mindestens innerhalb der jeweils benachbarten Felder des Produktlebenszyklus hinaus. Bis das vollständig erreicht ist, wird es aber sicher noch ein längerer Weg sein.

Mit dem Produktionsmonitoring, wie Sie es beschreiben, dürften auch Begriffe wie Industrie 4.0 oder Big Data eng verbunden sein. In welchem Zusammenhang steht die Arbeit Ihrer Abteilung mit diesen Begriffen.                                                                                 

S. Oeckl:
Das, was wir im Bereich der Prozessrückkopplung entwickeln, fügt sich grundsätzlich sehr gut in die Thematik der Industrie 4.0 ein. Denn die Prozesse der Industrie 4.0 erzeugen zahlreiche Daten:Produkte bzw. Komponenten erhalten eigene Identitäten und können Informationen miteinander austauschen. Dies trägt dazu bei, Rückschlüsse für die Regelung des Prozesses zu ziehen.

Wir wollen noch einen Schritt weitergehen –auch getrieben durch die Strategie der Industrie 4.0. Hier fällt immer wieder der Begriff „Losgröße 1“. Wenn sich die Entwicklung in Richtung „Losgröße 1“ fortsetzt, werden Produkte entstehen, die noch nie zuvor ein Monitoring-System durchlaufen haben. Und diese Produkte werden sich darüber hinaus in einem evolutionären Prozess immer wieder im Detail verändern. Das hat zur Folge, dass sich die Strategien für deren Prüfung und Monitoring in gleichem Maße automatisch anpassen müssen.

Für den Röntgensensor, also das CT-System, heißt das zum Beispiel, dass es je nach Aussehen des Bauteils automatisch festlegen muss, aus welchen geeigneten Positionen die nötigen Bildserien aufgenommen werden müssen. Es geht also um selbstlernende kognitive Sensoren. Diese „sehen“ ein Bauteil, erfassen dessen Identität und greifen auf dessen CAD-Informationen, Materialinformationen und jedes dokumentierte Produktionsdetail zu. Diese Informationen nutzt das System, das wiederum eine eigene Identität hat. Es kennt die eigenen integrierten Röntgenquellen sowie Achssysteme und legt auf der Basis künstlicher Intelligenz binnen kürzester Zeit die individuell an das Bauteil angepasste Prüf- und Auswerteprozedur fest. Die Prüfstrategie wird also aufgrund der vorhandenen kognitiven Sensorik angepasst.

Wir selber haben die gesamte Kette der Röntgenprüfung in der Hand, arbeiten aber mit Systemintegratoren zusammen, z. B. Spezialisten für Automatisierung. In größeren Projekten, etwa auf EU-Ebene, setzen sich die Konsortien zudem so zusammen, dass eine enge Kooperation mit benachbarten Bereichen, wie etwa der Automation, sichergestellt ist. Industrie 4.0 ist dann fast unvermeidbar ein wichtiges Thema.

Wann und in welchen Bereichen der industriellen Fertigung oder Branchen könnte die Vision des vollständigen Produktionsmonitoring zuerst Wirklichkeit werden?

S. Oeckl:
Wir selbst verfügen im Gießereiwesen über ein sehr gutes Netzwerk mit sehr kompetenten Industriepartnern. Aufgrund seiner vielen Parameter ist der Gießprozess komplex und es gibt keinen im klassischen Sinne fehlerfreien Guss. Hier geht es daher um den ausschussfreien Guss, was sehr herausfordernd ist. Andererseits gibt es hier ein hohes Potential, das die Entwicklung besonders lohnend erscheinen lässt.

Nach meiner Einschätzung ist aber auch die Elektronikbranche sehr interessant. Dort werden bei der Prüfung von Lötstellen oder Leiterbahnen dreidimensionale Verfahren immer wichtiger.

Für die Automobilbranche gilt, dass sie hinsichtlich der Industrie 4.0 in der Automatisierung und Digitalisierung bereits sehr weit ist. Dort werden wir uns weiter stark engagieren und sind schon bei der robotergestützten Prüfung (Roboter-CT) von Fügeverbindungen involviert. Die Roboter-CT wird auch für neue Materialien interessant sein und eröffnet ein hohes Einsparpotential.

Letztendlich ist die Automobilbranche zurzeit das attraktivste und vielversprechendste Feld, in dem Fortschritte zu erwarten sind. Ihre Infrastruktur, die im Zuge der Industrie 4.0 weit entwickelt ist, wird eine wichtige Basis sein, um unsere ganze intelligente Algorithmik und die kognitiven Sensoren effizient zum Einsatz zu bringen..