Der Closed Loop ist noch in der Warteschleife

» Sabine Koll

Werkstücke und Elektroden auf der Bearbeitungsmaschine einspannen und manuell ausrichten – das ist heute gängige Praxis bei Werkzeug- und Formenbauern. Nicht so bei IMT Innovative Metalltechnologien in Nürnberg: „Wer Werkstücke und Elektroden auf einer teuren Bearbeitungsmaschine voreinstellt, der wirtschaftet sich über kurz oder lang ins Aus“, stellt Werner Schumacher, geschäftsführender Gesellschafter, klar. Er rechnet vor, dass sich durch das Voreinstellen auf der teuren Fertigungsmaschine nur bis zu 1.500 Maschinenstunden pro Jahr erzielen lassen. Daher setzt IMT auf das fertigungsbegleitende Voreinstellen von Werkstücken und Elektroden auf einem Nullpunkt-Spannsystem in Kombination mit Koordinatenmessgeräten von Zeiss.

Das funktioniert hochgradig automatisiert innerhalb der Erodierzelle: Das Voreinstellen sowie die Qualitätsprüfung von Elektroden und Werkstücken erfolgt bei IMT mit der Zeiss-Software Preset: Als Erstes wird der Nullpunkt am Spannsystem gesetzt, anschließend wählt der Mitarbeiter ein Makro aus – und Duramax tastet die Elektrode oder das Werkstück an. Im folgenden Schritt steht eine Datei mit den Versatzdaten zur Verfügung, welche an die Job-Manager Software übergeben wird. Die Aufgabe der Job-Manager Software ist es dabei, die Messung zu starten, die Versatzdaten zu empfangen und die Daten an die Fertigungssysteme zu senden.

Bei Versatzdatenkorrekturen ist der Closed Loop oft realisiert

„Versatzdatenkorrekturen nach entsprechend festgestellter Abnutzung oder direkter Korrektur der Bearbeitungsmaschinen gehören zu den Bereichen, in denen der Closed Loop bereits häufig realisiert ist“, sagt Stefan Staab, Business Development Manager bei Wenzel. „Diese Prozesse laufen meist voll automatisch mit standardisierten Schnittstellen der jeweiligen Hersteller von Mess- und Bearbeitungsmaschinen sowie CAQ-, Prozess-Monitoring und CAD-Software-Herstellern.“

„Die konsequente Rückführung von Informationen in Produktionsprozesse ist seit vielen Jahren ein zentrales Ziel bei dem Versuch, die Produktion zu optimieren und nachhaltig zu gestalten. Dabei spielen Messwerte verschiedener prozessintegrierter Sensorik eine zentrale Rolle“, erklärt Dr. Martin Peterek, Geschäftsführender Oberingenieur am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen, das Prinzip des Closed Loop.

Der Aufwand für das Vermessen von Teilen im Nachgang

„Closed Loop Manufacturing kann dazu beitragen, den Aufwand zu senken, den man für reaktive Maßnahmen betreiben muss“, betont Jerome-Alexandre Lavoie, Produktmanager bei Creaform. „Es kann helfen, Frühindikatoren künftiger Probleme zu erkennen und Korrekturmethoden möglich zu machen, die billiger und einfacher umzusetzen sind und die vor allem dafür sorgen, dass große Probleme gar nicht erst entstehen.“

Doch wie weit ist der geschlossene Datenkreislauf heute schon umgesetzt? Laut Peterek ist dies zum Teil schon der Fall – „allerdings ist dies eher von der vorhandenen Infrastruktur und den betrachteten Fertigungsprozessen selbst als von einer Zuordnung zu einer Branche abhängig“. „Closed Loop ist definitiv gelebte Realität“, sagt Christian Janko, Geschäftsführer Bruker Alicona. „Unsere Kunden setzen diese Produktionsstrategie in den unterschiedlichsten Branchen ein, um zum Beispiel eine Produktivitätssteigerung bei gesenkten Werkzeugkosten zu erzielen. Dabei haben sie eines gemeinsam: Es sind immer Anwendungen in der Hochpräzisionsfertigung, wo es um die Produktion und Messung von komplexen Geometrien mit engen Toleranzen geht.“

Janko hält das Closed-Loop-Prinzip für jede Fertigung in jeder Branche interessant: „Wer seine Bauteilqualität erhöhen möchte und dabei gleichzeitig Ausschuss minimieren will, wird an Closed Loop nicht mehr vorbeikommen“, ist er sich sicher. „Der Trend ist eindeutig: Qualitätssicherung wird nicht erst am Ende der Produktion ausgeführt, sondern ist integraler Bestandteil der Fertigung. Das geht nicht ohne Vernetzung von Produktionsmaschinen und Messmittel.“ Lavoie ist hingegen vorsichtiger: „Closed-Loop-Manufacturing-Prozesse werden bei einigen größeren Kunden in manchen Branchen implementiert, aber bei der Mehrheit sind sie noch nicht angekommen.“

Für Wenzel-Manager Staab ist klar, dass der Closed Loop nicht bei der Herstellung von Unikaten geeignet ist, sondern nur bei „Serienfertigungen, bei welchen gleichbleibende Maßhaltigkeit erzielt werden muss“. Der Grund: „Der Aufwand ist dahingehend groß, in Serien Online-Monitoring zu betreiben, sodass zum Beispiel automatisch Korrekturen und Eingriffe bei vorgeschalteten und folgenden Prozessen erfolgen, sobald Merkmale in eine Warngrenze triften.“ „Kosten und Nutzen müssen sich in einem sinnvollen Verhältnis gegenüberstehen. Dehalb sind natürlich Prozesse mit hohen Stückzahlen und hoher Fertigungfrequenz auf den ersten Blick geeigneter für den Closed Loop als eine klassische Werkstattfertigung“, bestätigt auch WZL-Experte Peterek.

Es mangelt noch an
standardisierten Schnittstellen

Was macht die Umsetzung des Closed Loop so aufwändig? Die Experten sehen an erster Stelle große Herausforderungen an die IT. „Ein großer Teil des Aufwands besteht darin, die korrespondierenden Geräte und Systeme von Beginn bis zum fertigen Produkt miteinander über Schnittstellen sowie kommunikationstechnisch miteinander zu verknüpfen“, so Staab. Eine der größten Herausforderungen besteht für ihn darin, „einen gemeinsamen Standard für Schnittstelle und Datenformate für Korrekturen und Ausgangsdaten zu definieren.“ In manchen Fällen könne Wenzel diese Lücke durch eigene Standard-Bausteine zu schließen. Peterek stimmt dem zu: Die Standardisierung von Schnittstellen stelle noch immer eine große Herausforderung darstellt. Er ist indes optimistisch, dass diese in den nächsten Jahren weiter voranschreiten wird – und mit OPC-UA, MQTT, Mtconnect seien bereits „vielversprechende Lösungen“ vorhanden.

Der WZL-Oberingenieur macht auf einen weiteren Punkt aufmerksam: „Die Rückführung von Information in den Prozess, um damit den Prozess als solches zu optimieren, bedarf in erster Linie einer soliden Datenbasis. Diese Datenbasis umfasst dabei Produktions- und Prozessdaten genauso wie Qualitätsparameter. Die konsequente Erhebung, Speicherung und Verfügbarkeit dieser Daten in einer dafür geeigneten und leistungsfähigen Datenbankstruktur ist die zentrale Herausforderung für eine industrielle Umsetzung des Closed Loop. Die zentralen Hürden bilden dabei insbesondere die Infrastruktur zur Kommunikation der teilweise großen Datenmengen genauso wie eine prozessintegrierte Erhebung von Prozessdaten über geeignete Sensorik.“

Vor diesem Hintergrund überrascht es nicht, dass Closed-Loop-Projekte heute eher Einzelprojekte sind: „Ehrlich gesagt bin ich nicht sicher, wann Closed Loop Manufacuring zu einer Lösung ‚von der Stange‘ wird“, sagt Creaform-Manager Lavoie. Wenzel-Manager Staat hingegen betont, dass es sind nicht immer Einzelprojekte seien. „Es können auch Lösungen transferiert werden, da Schnittstellen und Komponenten, welche umgesetzt werden, auch bei anderen Projekten zum Einsatz kommen. So werden Projekte zu „Serienmodellen“. In der Realität geschieht es oft, dass ein bewährter Closed-Loop-Prozess auf andere Fertigungsprozesse transferiert wird.“

Doch was braucht es noch, um den Closed Loop in der Fertigung zu ermöglichen? Das Retrofitting, also die Ausrüstung bereits bestehender Maschinen und Anlagen mit innovativen und leistungsfähigen Sensoren, ist nach Aussagen von Peterek ein häufiger Lösungsansatz. Auch biete der neue Mobilfunkstandard 5G für die Kommunikation der Datenübertragung in der Fabrik großes Potenzial für den Closed Loop.

Künstliche Intelligenz verpasst dem Closed Loop einen Schub

Potenzial sehen die Experten auch im Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) für den Closed Loop in Richtung einer adaptiven beziehungsweise sich selbst steuernden Produktion: „Spannend wird es auch, wenn in einem vernetzten Produktionsprozess weitere Technologien wie Künstliche Intelligenz eingebunden werden, um zum Beispiel Methoden zur adaptiven Montage weiterzuentwickeln“, sagt Bruker-Alicona-Geschäftsführer Janko. „Durch die Anwendung von KI-basierten Methoden lassen sich auch unstrukturierte Daten einer Produktion für den Closed Loop anwendbar machen“, bestätigt Peterek.

So wird zum Beispiel derzeit im Verbundvorhaben „KI-Erosion“ ein KI-basiertes System entwickelt, mit dem die Qualität und Produktivität des kontinuierlichen Drahtfunkenerosionsprozesses online bewertet werden kann. Koordinator des Forschungsprojekts ist Iconpro, ein Spin-Off der RWTH Aachen. Im Projekt werden mit dem Aufbau eines digitalen Zwillings statistische und physikalische Modelle kombiniert, die Maschine und Produkt möglichst genau abbilden. Die Herausforderung dabei: Die Auswahl geeigneter Modelle zur Datenanalyse stochastischer Prozesse ist sehr zeitintensiv. Die Drahtfunkenerosion stellt aufgrund hoher Datenmengen und ihres stochastischen Charakters besonders hohe Anforderungen an die ausgewählten Analysemethoden, denn während einer konventionellen Bearbeitung können mehrere hunderte Millionen von einzelnen Funken zünden. Daher wird im Projekt durch eine systematische Datenaufbereitung und -reduktion mittels eines Algorithmus automatisiert ein geeignetes Modell für die gegebenen Daten ermittelt. Mit Daten aus variablen Prozessbedingungen werden statistische Modelle durch KI-Methoden trainiert. Darüber hinaus werden für die Untersuchungen physikalische Modelle zum Abtragverhalten und zur Spülung entwickelt.