Qualitätssicherung 4.0 für die vernetzte Produktion von morgen

Schöne neue Messtechnikwelt

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Für die vernetzte Fertigung spielen Daten aus der Qualitätssicherung eine elementare Rolle, um fehlerfreie Produkte und Prozesse zu realisieren. Voraussetzung dafür ist, dass die Messtechnik nahe an beziehungsweise sogar inline in die Fertigung wandert. Doch die riesigen Datenmengen stellen die Unternehmen vor neue Herausforderungen.

„Für Industrie 4.0 braucht es eine Qualitätssicherung 4.0“, stellt Dr. Benedikt Sommerhoff, Leiter DGQ (Halle 5, Stand 5412) Regional, klar. Er prognostiziert, dass die Relevanz von Qualitätssicherung für die Fertigung von morgen steigen wird. Die smarte Fabrik der Zukunft ist gekennzeichnet durch eine vollständige Vernetzung. Daraus leitete er auf dem Innovationsforum der Quality Engineering im Oktober vergangenen Jahres ab: „Zur Zeit wird noch viel zu viel händisch gearbeitet. Um sich in die automatisierten Systeme der Smarten Fabrik einfügen zu können, muss die Qualitätssicherung stärker automatisiert werden.“

Voraussetzung sei eine stärkere IT-Ausrichtung der Qualitätssicherung. „Sie muss kompatibel zu den cyber-physischen Systemen werden und zum Beispiel virtuelle Techniken wie Simulationen nutzen“, sagt er.
Ein Beispiel nennt Dr. Jan Linnenbürger, Leiter Messtechnik bei Renishaw (Halle 3, Stand 3304): „Wer in Zukunft wettbewerbsfähig produzieren will, muss mehr Messdaten an seinen Fertigungsmaschinen erfassen. Nur so können Unternehmen Rückschlüsse aus dem Status der Produktion für eine vorausschauende Produktion und Instandhaltung ziehen.“ Ziel ist für ihn die automatisierte Werkstück- und Werkzeugmessung. „Damit werden unerwünschte manuelle Einflüsse beim Werkzeugwechsel oder bei der Erfassung der Werkstücklage eliminiert und die Fertigungsgenauigkeit erhöht. Hier wird geprüft, ob das Werkzeug die richtigen Dimensionen hat. Zudem wird die Ausrichtung des Werkstücks erfasst und in der Steuerung verarbeitet“, argumentiert Linnenbürger.
Die Werkzeugmaschine wird mit Hilfe der Messtechnik im Prozess korrigiert
Je nach Losgröße korrigiere die In-Prozess-Regelung die Schwankungen, die während der Ausführung des Bearbeitungsprogramms in der Werkzeugmaschine auftreten können. Das sind zum Beispiel Werkzeugverschleiß oder Temperaturschwankungen. Linnenbürger: „Gerade bei komplexeren oder sehr großen Bauteilen ist der Vorteil der In-Prozess-Messung signifikant, da eine Nachbearbeitung am Bauteil noch im aufgespannten Zustand ausgeführt werden kann.“
Dass es noch Nachholbedarf hinsichtlich des Automatisierungsgrads in der Qualitätssicherung gibt, bestätigt auch Dr. Boris Peter Selby, Leiter Software Technologie bei Carl Zeiss Industrielle Messtechnik (Halle 3, Stand 3302). Auch er macht dies anhand eines Beispiels klar: Wenn ein Automobilbauer eine Autotür fertigt, dann läuft dies heute bereits fast vollständig automatisch. Die Messung von Prüfmerkmalen wie die Größe der Fensteraussparung erfolgt ebenfalls schon vorwiegend autonom. Und auch die Auswertung der Mess- und Prüfdaten findet schon jetzt komfortabel auf Knopfdruck statt. Doch die Ergebnisse müssen immer noch vom Messtechniker ausgewertet werden.
Liegt etwa ein Merkmal außer Toleranz, muss dies dem Maschinenbediener in der Fertigung in Papier- oder elektronischer Form mitgeteilt werden, damit er Korrekturen einleiten kann. Künftig jedoch, so Selby, werde es autonome Regelkreise zwischen Mess- und Fertigungsmaschinen geben. Das heißt, die Fertigungsmaschinen „erfahren“ dann von der Messmaschine automatisch, wie sie was zu bearbeiten haben.
Kundenprojekte von Zeiss zeigen, dass Messmaschinen beziehungsweise -ergebnisse die Fertigung bereits autonom und effizient steuern können. Bei Erodiermaschinen nutzen sich die Elektroden, mit welchen das Werkstück bearbeitet wird, während der Fertigung ab. Dadurch, dass Koordinatenmessgeräte den Zustand der Elektroden prüfen, können automatisch korrigierende Einstellungen an der Erodiermaschine vorgenommen werden. Die Maschine „weiß“ dann, wie sie gezielt Strom aufbringen muss, um das Werkstück dennoch entsprechend der Vorgaben zu gestalten.
Lässt sich im Industrie-4.0-Zeitalter also eine Werkzeugmaschine in eine Messmaschine verwandeln? „Vielleicht nicht so, dass die Werkzeugmaschine zur Messmaschine wird, aber wir und Kollegen vom WZL und Fraunhofer IPT arbeiten an der Sensorintegration“, sagt Robert Schmitt, Leiter des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen. „Es kommt darauf an, den Großteil potenzieller Messfehler inline zu bestimmen und zu korrigieren. Allerdings muss hier auch etwas bei den Steuerungen geschehen, die bisher noch nicht für Messstrategien ausgelegt sind und strukturell keine Messaufgaben übernehmen können.“
„Für den Mess-Einsatz einer klassischen Dreiachs- oder Fünfachs-Anlage spricht, dass sie die gleiche Kinematik wie eine Koordinatenmessmaschine hat“, erläutert WZL-Gruppenleiter Martin Peterek. „Daher lassen sich auch ähnliche Vorgehensweisen und Richtlinien nutzen.“ Allerdings müsse man sich darüber bewusst sein, dass die Werkzeugmaschine und insbesondere das Arbeitsumfeld einige für das Messen nachteilige Eigenschaften besitze: Gefragt sind unter anderem genaues Bearbeiten und Messen, um so die Störgrößen mit entsprechender Messtechnik und Software zu kompensieren.
Doch auch das Sammeln riesiger Datenmengen in der Qualitätssicherung alleine reicht nicht, wie DGQ-Experte Sommerhoff anmahnt: „Meine Annahme ist, dass in Zukunft viel stärker mit Suchalgorithmen gearbeitet werden wird, die in diesen riesigen Datenmengen Muster erkennen. Natürlich liefert da die klassische Statistik auch viele Beiträge dazu. Aber ich glaube, wir müssen Techniken adaptieren, die auf anderen Feldern für Big Data entstanden sind.“
Hexagon (Halle 5, Stand 5302) hat dies erkannt und deshalb im vergangenen Jahr das Weinheimer Softwarehaus Q-DAS übernommen. Q-DAS stellt gewissermaßen Big-Data-Software für die Qualitätssicherung zur Verfügung. „Daten sind extrem wichtig für unsere Kunden, Daten sind das neue Gold“, sagte Norbert Hanke, Präsident des Bereichs Manufacturing Intelligence, auf der Anwenderkonferenz Hxgn Live in Hongkong im November vergangenen Jahres. „Q-DAS ist der Schlüssel, um aus der großen Mengen an Daten aus der Produktion, also aus Big Data, intelligente Informationen zu generieren. Die Werkzeuge helfen den Kunden, die Datenmengen zu verbinden und zu strukturieren.“ Man könne damit frühzeitig Veränderungen und Trends erkennen sowie die Gründe dafür analysieren.
Auch die beste Statistik-Software ist nicht in der Lage, aus Datenmüll Gold zu produzieren
„Q-DAS wird das Herz oder besser – um im Industriejargon zu sprechen – der Motor unseres Metrology Management Systems werden“, betonte Hanke. Das Metrology Management Systems ist so etwas wie ein Product-Lifecycle-Management-System für die Messtechnik: Hier sind alle relevanten messtechnischen Daten zu Produkten über deren gesamten Lebenszyklus zentral gespeichert, sodass sowohl Qualitätssicherung als auch Entwicklung und Produktion darauf zugreifen können.
Q-DAS-Gründer Edgar Dietrich mahnte die Anwender in Hongkong indes, auf die Qualität ihrer Messdaten zu achten: „Dies ist wichtig, wenn man auf deren Grundlage in der Fabrik Entscheidungen treffen will. Auch die beste Statistik-Software ist nicht in der Lage, aus Müll Gold zu produzieren.“
Eine andere Herangehensweise an das Thema Qualitätssicherung 4.0 haben die Anbieter von Manufacturing Execution Systemen (MES), sie sind schließlich originär im Produktionsumfeld zu Hause und haben ihr Produktportfolio zum Teil auf den Bereich Qualitätssicherung ausgeweitet. „Um eine erfolgreiche Qualitätsstrategie im Sinne von Industrie 4.0 zu leben, muss ein Umdenken stattfinden. CAQ-Systeme werden nicht mehr als autark agierende Satelliten die zukünftigen Prozesse unterstützen. Vielmehr muss Qualität ein integraler Bestandteil der Produktion und somit auch der IT-Systeme sein“, ist Simone Cronjäger, Vorstand von Guardus (Halle 1, Stand 1617), überzeugt. Unternehmen müssen ihrer Meinung nach vielmehr schrittweise ein IT-Rückgrat für einen fertigungsintegrierten Qualitätsmotor etablieren, der in Sachen Prozesssteuerung alle Parameter rund um Mensch, Maschine, Produkt und Werkzeug in Echtzeit vernetzt, überwacht und analysiert.
Damit Unternehmen diesen Wandel vollziehen können, stellt das Ulmer Softwarehaus auf der Control das sogenannte Funktionsnetz „Qualität 4.0“ vor, das aus den Kernelementen Prozessfokussierung, Mobilität, Echtzeitinformationen und Qualifikation besteht. Der Baustein Prozesstransparenz beispielsweise konzentriert sich auf die Bereitstellung einer integriertenDatenbasis im Sinne umfassender Informationen zur automatisierten Steuerung und Überwachung von sich selbstorganisierenden und -optimierenden Produktionsflüssen. Cronjäger fordert: „Die qualitative Bewertung von Produkten und Prozessen darf nichtlänger Stand Alone betrachtet werden, sondern muss immer im direkten Kontext des Herstellungsprozesses stehen. ■

Die Autorin
Sabine Koll
Redaktion
Quality Engineering

Webhinweis
Alle Vorträge und Videos des Quality Engineering Innovationsforums 2015 mit dem Thema „Qualitätssicherung 4.0 – smarte Messtechnik für
Produktion und Messraum“ finden Sie unter
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