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Wie 5G und Sensorik zum Steigbügel für Qualitässicherung 4.0 werden

Sensorik
Sensordaten in Echtzeit für Qualitässicherung 4.0

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Zu den Vorteilen des 5G Release 16 gehören vor allem hohe Geschwindigkeiten, geringe Latenz und Verlässlichkeit Bild: sdecoret/stock.adobe.com
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5G ist weit mehr als die nächste Mobilfunkgeneration: In privaten Netzwerken kann 5G die Qualitätssicherung in der Fabrik auf ein Echtzeit-Level heben. Notwendig sind dafür Sensoren, die gerne auch als die Sinnesorgane von Industrie 4.0 bezeichnet werden. Verschiedene Institute forschen in Deutschland daran.

„Echtzeitfähige Kommunikation ist ein Erfolgsfaktor für Industrie 4.0. Mithilfe von 5G werden sich Flexibilität, Wandelbarkeit und Produktivität der industriellen Fertigung deutlich erhöhen“, sagte Professor Martin Ruskowski, Vorstandsvorsitzender der Technologie-Initiative Smart Factory KL, kürzlich auf dem 5G Industrie Summit, den die Deutsche Messe Technology Academy im September gemeinsam mit dem Konradin Verlag veranstaltete. Im Zusammenspiel mit Künstlicher Intelligenz ermögliche 5G die nahtlose Integration autonomer Systeme und mobiler Plattformen ohne Kabelbindung und somit ganz neue Fertigungsmethoden.

Sensoren räumt Ruskowski eine zentrale Rolle ein, um Qualitätsdaten aus der Fertigung zu generieren: „Wenn ich etwa eine Spritzgießmaschine mit angeschlossenem Roboter habe, muss ich heute bei Problemen herausfinden, ob es am Roboter oder an der Spritzgießmaschine oder aber an der Konnektivität liegt. Das ist für uns der falsche Ansatz. Industrie 4.0 geht von einer Autonomie der Fertigungsressourcen aus: Die Produktionszelle wird als eine Einheit greifbar gemacht und zu flexiblen Linien zusammengeschaltet. Smarte Maschinen bekommen dabei ein ‚Gehirn‘ mit Intelligenz verpasst. Dafür brauchen wir neue Kommunikationstechnologien wie 5G“, betont Ruskowski.

Während die großen öffentlichen Netzbetreiber in Deutschland bereits 5G in der Fläche ausrollen, wird es allerdings noch dauern, bis die Technologie in Campusnetzen ihre vollen Möglichkeiten ausspielen kann. Denn die Features, welche die großen Vorteile für die Fabrikautomatisierung versprechen, stehen erst mit Release 16 zur Verfügung. Und diese Version hat die internationale Standardisierungsorganisation 3GPP im Juli 2020 veröffentlicht. Nun muss die Implementierung auf Chipsets und Produkten erfolgen. Ewald Kuk, Vice President Product Management Industrial Communication and Identification bei Siemens, rechnet damit, dass private 5G-Standalone-Netze 2022 oder 2023 möglich sein werden – und das zu erschwinglichen Lizenzpreisen. Er nannte auf dem 5G Industrie Summit die Summe von 5730 Euro für zehn Jahre für das 5G-Campusnetz im Siemens-Werk Karlsruhe.

Zu den Features, die Release 16 mit sich bringt, gehören vor allem Geschwindigkeiten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde sowie Latenz und Verlässlichkeit: Bei privaten Netzen sind Latenzen, also Verzögerungen im Submilisekundenbereich sowie eine Verlässlichkeit von 99,9999 % gegeben. Diese Rate impliziert eine erwartete Ausfallzeit von nur 5 min Minuten pro Jahr. Dies entspricht der Leistung von Ethernet-Netzwerken. Auch eine massive Dichte von Sensoren wird mit Release 16 möglich sein, nämlich bis zu eine Million pro Quadratkilometer.

Wie die Kombination aus Sensorik und 5G in der digitalen Fabrik für eine Qualitätssicherung in Echtzeit sorgen kann, das erforscht derzeit das Fraunhofer IPT in Aachen anhand mehrerer Use Cases. Ein Beispiel ist die spanende Herstellung sogenannter Blade Integrated Disks (Blisks), die etwa in Strahltriebwerken verwendet werden. Blisks werden auf Werkzeugmaschinen in einem Prozess aus einem Stück Metall gefräst. Dabei sind Präzision und Genauigkeit gefragt, um teuren Ausschuss zu vermeiden. „Welligkeit auf dem Bauteil ist zum Beispiel ein Qualitätsmangel“, erklärte Niels König, Abteilungsleiter Produktionsmesstechnik am Fraunhofer IPT während seines Vortrags auf dem 5G Industrie Summit.

So hat das Institut einen Schwingungssensor entwickelt, der aus einem Piezoaufnehmer besteht und auf das Bauteil aufgeklebt wird. Eine Sensorelektronik und ein 5G-Gateway sorgen für die Übertragung der Schwingungsdaten über 5G in eine Cloud. Dort werden die Daten prozessnah weiterverarbeitet. König: „Auf dem digitalen Zwilling des Bauteils also im 3D-Modell, lassen sich die kontinuierlich aus Maschine und Werkzeug generierten Daten mit diesen Daten aus dem Schwingungssensor überlagern. Eine rote Färbung zeigt dem Metallverarbeiter dann auf einen Blick kritische Schwingungen, die sich auf der Bauteiloberfläche bemerkbar machen, sodass er Gegenmaßnahmen ergreifen kann.“ In diesem Fall spielt die sehr geringe Latenzzeit von 5G eine entscheidende Rolle. „Allerdings muss man sagen, dass es Stand heute auch noch zu wenige geeignete Sensoren für diese Art von Use Cases gibt“, wendet König ein. ■

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Steinbachstraße 17
52074 Aachen
Tel. +4924189040
www.ipt.fraunhofer.de

Technologie-Initiative SmartFactory KL e. V.
Trippstadter Str. 122
67663 Kaiserslautern
Tel. +49631205753401
www.smartfactory.de


Die Autorin

Sabine Koll
Redaktion
Quality Engineering

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