Smarte Qualitätsarbeit

„Durch die Vernetzung und Intelligenz von Maschinen eröffnen sich für unsere Produkte und Systemlösungen völlig neue Anwendungsgebiete“, sagt Carsten Georgi, Sales Manager bei Nikon Metrology.. In der Tat klingen die Möglichkeiten vielversprechend, die sich durch Industrie 4.0 ergeben. Die Fabrik wird intelligent, Anlagen agieren weitgehend autonom und Maschinen kommunizieren untereinander sowie mit den Bauteilen.

Vieles von dem, was unter den Schlagwörtern Industrie 4.0 oder Smart Factory derzeit verbreitet wird, ist sicherlich noch eine Vision. Doch schon jetzt zeichnen sich konkrete Anwendungen ab. Und es gibt erste Beispiele aus der Praxis. Häufig geht es dabei um die Qualitätssicherung. Denn für diese lässt schon jetzt ein klarer Nutzen aus Industrie 4.0 erkennen.

Dies ist einer der Gründe, weshalb sich Quality Engineering immer wieder mit diesem Thema beschäftigen wird. Höhepunkt wird im Oktober ein Innovationsforum zu Qualitätssicherung 4.0 sein (siehe Webhinweis).

Der Nutzen für die Qualitätssicherung ergibt sich vor allem aus den Daten. In einer intelligenten, vernetzten Fabrik stehen weitaus mehr Informationen aus vielen verschiedenen Quellen zur Verfügung – und dies in extrem kurzer Zeit. „Wenn Messergebnisse sofort verfügbar sind, lässt sich die Fertigung quasi in Echtzeit überwachen“, sagt Benedikt Sommerhoff, Leiter Regional bei der Deutschen Gesellschaft für Qualität (DGQ).

Messwerte von den Maschinen können mit historischen Daten, mit denen aus geschäftlichen IT-Systemen oder mit Informationen aus dem Feld verknüpft und ausgewertet werden. „So kann man Daten nutzen, die bisher für die Qualitätssicherung gar nicht verfügbar waren“, meint Sommerhoff.

Von diesen Möglichkeiten will zum Beispiel die Saarstahl AG profitieren. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Völklingen produziert jedes Jahr mehr als zwei Millionen Tonnen an Stahlprodukten. Dabei fallen im Laufe eines Jahres über ein komplexes Netzwerk aus Laser-, Ultraschall-, Video-, Schwingungs- und Temperatursensoren zur Qualitätsüberwachung mehr als 100 Terabyte Prozess-Daten an.

Im Rahmen des Industrie-4.0-Projekts iProdict soll dieses Sensornetzwerk nun mit der betriebswirtschaftlichen Ebene verbunden werden. Ziel ist es, durch die Analyse der Daten Qualitätsschwankungen in der Stahlverarbeitung frühzeitig zu entdecken und sie durch Anpassungen der Produktions- beziehungsweise Geschäftsprozesse zu antizipieren.

Auch Autobauer Daimler bringt eine Vielzahl von Daten zusammen, um die Qualität seiner produzierten Bauteile zu kontrollieren – zum Beispiel in der Leichtmetallgießerei im Stuttgarter Werk. Dort produziert das Unternehmen täglich 10 000 Zylinderköpfe. Dabei werden über 500 Merkmale gesammelt – darunter Maße, Zeiten und Temperaturen. Mithilfe einer Analyse-Software überwacht und steuert Daimler den gesamten Produktionsprozess. Werden bestimmte ermittelte Schwellwerte überschritten, meldet sich das System. So können rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um die vorgegebenen Toleranzen am Ende einzuhalten.

IT-Anbieter wie IBM oder die Software AG sind an solchen Projekten beteiligt und stellen die entsprechenden Software-Lösungen bereit. Qualitätsmanagement geht dabei einher mit Predictive Maintenance – also einer vorausschauenden Instandhaltung. Denn nur wenn alle Maschinen einwandfrei laufen, können Unternehmen Qualität produzieren.

CAQ-Spezialist Babtec sieht die Umsetzung einer modernen Instandhaltungsstrategie sogar als zentralen Bestandteil eines effizienten Qualitätsmanagement-Systems. Der Anbieter hat daher ein entsprechendes Modul in seine Qualitätsmanagement-Software Babtec.Q integriert.

Die entscheidenden Informationen für solche und andere Systeme liefern die Sensoren. Nach Meinung von Johannes Giet ist die Sensorik daher ein wesentlicher Bestandteil von Industrie 4.0. Denn sie stehe am Anfang einer Informations- und Verarbeitungskette. Giet ist Vorstandsmitglied bei Isra Vision und dort für Forschung und Entwicklung zuständig.

„Smart Sensoren – heute mehr und mehr vernetzt – bieten die Möglichkeit einer intelligenten Aufbereitung der Daten, einer autonomen Datenanalyse und vor allem ermöglichen sie, Informationen im richtigen Format im Netz zur Verfügung zu stellen“, erklärt Giet. Eine Qualitätssicherung für eine individualisierte Massenproduktion gemäß Industrie 4.0 benötige „einen Verbund aus Multi-Sensoren, der verdichtete, belastbare Daten für die Produktionssteuerung quasi in Echtzeit liefert und erst damit auf Abweichungen autonom im Sinne der Prozessoptimierung und –sicherung reagieren kann“.

Laut Giet beschäftigt sich Isra Vision schon seit langem mit intelligenten Sensoren. Diese seien in der Lage, nicht nur lokal eine Qualitätsaussage an eine Steuerung weiterzugeben, sondern auch ihre Daten in die Cloud zu senden. „Da die Sensoren IP-basiert kommunizieren, kann man im gesamten Netzwerk auf sie zugreifen“, so Giet. „Konfiguration und Wartung werden dadurch erheblich vereinfacht.“

Auch Dirk Moeller sieht Sensoren und Messsysteme als integralen Bestandteil von Industrie 4.0. „Nur Sensoren und Instrumente in Bauteilen, Produktionsanlagen und Prüfsystemen erlauben neue dynamische Modelle beziehungsweise holistische Modellierung“, so Moeller, der bei Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM) das Produktmanagement für den Bereich Industrial Measurement Solutions verantwortet. Die Modelle basierten auf umfassenden Daten von Sensoren und Messsystemen. „Ohne Sensoren keine dynamische Modellierung, ohne dynamische Modellierung keine Industrie 4.0.“

Die Produkte von HBM würden bereits in zahlreichen Projekten zur Modellierung und Zustandsüberwachung eingesetzt, wie Moeller berichtet. Dabei geht es zum Beispiel um die vorbeugende Wartung von Werkzeugmaschinen, Langzeitüberwachung von Bauteilen oder Trenderkennung von Umformprozessen.

Wichtiger Faktor im Industrie-4.0-Konzept ist, dass Maschinen zu einem großen Teil selbständig handeln. Die Technikanbieter im Bereich Messtechnik und Qualitätssicherung haben daher diesen Aspekt ebenfalls im Fokus. „Bei Nikon legen wir ein besonderes Augenmerk auf die automatisierte Qualitätssicherung“, sagt Georgi. Als Beispiel nennt er das Laser Radar MV330/350. Das Gerät bietet die automatisierte, berührungslose Messfunktionen für großvolumige Anwendungen mit einem Radius von bis zu 50 m bietet. Diese neue Generation von Messinstrumenten misst laut Hersteller präzise die Geometrie von sehr großen Bauteilen, ohne dass Photogrammetrie-Targets, SMRs für die Laserortung, Retroreflektoren oder Messtaster erforderlich wären.

Die Eigenregulierung des Fertigungsprozesse ist nach Meinung von Stefan Scherer, das zukunftsweisende Produktionskonzept überhaupt. Scherer ist Geschäftsführer von Alicona. Und sein Unternehmen kann laut eigener Aussage bereits ein Gerät für Industrie 4.0 anbieten. „Durch die Integration von optischen 3D-Messsensoren in ein Makino-Bearbeitungszentren hat Alicona eine Hochpräzisionsmaschine auf Basis von CLM – also Closed-Loop Manufacturing – entwickelt“, berichtet Scherer.

Mit Closed Loop ist ein geschlossener Kreislauf aus Bearbeitung, Messung, Adaptierung und wiederum Bearbeitung gemeint. Die Bauteile werden bereits während ihrer Fertigung kontinuierlich durch hochauflösende Messungen überprüft. Entspricht ein gemessener Wert nicht der Soll-Geometrie, ändert und verifiziert die CLM-Maschine automatisch entsprechende Prozess- beziehungsweise Maschinenparameter für die weitere Fertigung. „Diese schnelle Interaktion zwischen Maschine und Messsensor ist unter anderem aufgrund der hohen Messgeschwindigkeit und hohen vertikalen Auflösung auch über große Messvolumina möglich“, so Scherer.

Automatisierung lautet auch das Stichwort beim Messgerät V-CAD von Dr. Schneider Messtechnik in Verbindung mit der Mess- und Auswerte-Software Saphir QD. „Man kann hier nun durchaus auch von Messtechnik 4.0 sprechen“, meint Uwe Keller, Bereichsleiter Marketing. „Denn das Werkstück bringt sich selbst als Informationsträger ein, ganz ohne RFID-Chip.“

Sobald sich das Werkstück im Bildfeld befindet, läuft die automatische Erkennung des Teils und die Messung wird durchgeführt. Im Anschluss wird das Messprotokoll inklusive dem grafischen Protokoll als Overlay auf dem Livebild angezeigt. Die Protokolle können mit klarem Teilebezug automatisch auf dem Messrechner gespeichert, extern abgelegt oder verteilt werden.

So gehen bereits jetzt schon viele Entwicklungen in Richtung der smarten Fabrik. Doch damit sind nicht nur große Chancen verbunden. Auf die Qualitätssicherung kommen auch viele Herausforderungen zu. Das Thema Industrie 4.0 wird die Qualitätsverantwortlichen daher in den kommenden Jahren noch stark beschäftigen. ■