QUALITY ENGINEERING: "Digitale Transformation in der Qualitätssicherung"

In der Qualitätssicherung eines herstellenden Betriebes müssen unterschiedlichste Produktmerkmale schnell und fehlerfrei kontrolliert werden. Dies erfolgt üblicher Weise durch das Prüfen von Stichproben im Messlabor oder Sichtkontrollen am Ende des Herstellungsprozesses. Im Zuge der digitalen Transformation wird dieser Prozess aber sukkzessive durch eine fertigungsbegleitende, bis hin zu einer in die Produktion integrierte Qualitätskontrolle, ersetzt.


Insbesondere berührungslose Messsysteme und die Industrielle Bildverarbeitung (Machine Vision) spielen hier eine maßgebliche Rolle, um Materialeigenschaften und -zustand, wie Rissfreiheit, Farbe, Oberflächenbeschaffenheit, oder aber Stückzahl, Form und Maßhaltigkeit „inline“ zu prüfen und prozesssicher zu dokumentieren. In einer Serienfertigung sind berührungslose Messsysteme einfacher zu integrieren als taktile, da im besten Fall die Durchlaufgeschwindigkeit beibehalten werden kann und eine 100% Kontrolle möglich ist. Vorreiter dieser Entwicklung ist die Automobil- und Ihre Zulieferindustrie, die mit hohen Stückzahlen und Null-Fehler Zielen produziert, und so das Bild der „Smart Factory“ entwickelt hat. Aber auch in anderen Branchen, insbesondere im Maschinenbau, besteht erhebliches Portenzial, Prozesse zu optimieren und die Qualität der Produkte durch eine weitestgehend automatisierte Kontrolle zu verbessern.     

Wer nun seinen Fertigungsprozess und seine Qualitätssicherung im Zuge von „Industrie 4.0“ digitalisieren und automatisieren möchte, steht häufig vor dem Problem, dass er weder für die Planung dieses Projektes, noch für die technische Umsetzung auf interne Mitarbeiter zurück-greifen kann. Selbst Unternehmen mit Wissensträgern in IT, Soft- und Hardwareentwicklung, können diese normalerweise nicht für interne Aufgaben aus laufenden Projekt- und Produktentwicklungen herausziehen. 

Für das Projektmanagement und die Systemspezifikation einer fertigungsintegrierten Qualitätskontrolle, einschließlich deren technischer Umsetzung, greifen die meisten Unternehmen deshalb auf externe Spezialisten zurück, die das Wissen über aktuelle Technologien und Messverfahren besitzen und Erfahrung in der Umsetzung solcher Projekte haben. Eine weitere Herausforderung stellt oft auch die erforderliche Integration des neuen Konzeptes in bestehende Maschinenparks mit den notwendigen Hard- und Softwareschnittstellen dar. Auf der einen Seite sollen Vorgaben wie Maße und Toleranzen automatisch an das Messsystem in der Fertigung gegeben werden können, auf der anderen sollen alle erfassten Werte digital und am besten in Echtzeit an die Qualitätssicherung übertragen werden. Im nächsten Schritt erfolgt dann häufig die Einbindung in die Prozesslandschaft der gesamten Wertschöpfungskette, inklusive Zugriff auf externe Portale und Datenbanken. Auch diese Arbeit kann in der Regel nicht von den Unternehmen selbst geleistet werden.

Das folgende Projektbeispiel zeigt, wie man mit der Auswahl geeigneter Messtechnik, vor allem aber durch einen definierten, digitalisierten Qualitätsprozess, erhebliche Vorteile nebst Einsparungen für Zulieferer, Maschinenhersteller und Endkunde erreichen kann.   

Ausgangssituation beim Endkunden
Der Endkunde, ein Produzent von Metallfolien, reklamiert, dass auf dem Endprodukt, teilweise „wellenförmige“ Strukturen auftreten, für die es zunächst keine Erklärung im Zusammenhang mit dem bestehenden Produktionsprozess gibt. Die Vermutung ist, dass dafür Defekte auf der hochglanzverchromten Oberfläche des zugehörigen Werkzeugs verantwortlich sind. Das Werkzeug bezieht der Maschinenhersteller von einem Zulieferer. Die wesentlichen Probleme beim Auftreten solcher Fehler, sind neben dem produzierten Ausschuß, die hohen Kosten für den Tausch des Werkzeugs und natürlich die lange Stillstandszeit der Maschine. Bereits bei der Inbetriebnahme können schon im Anlaufprozess durch die Produktion von mangelhaften Folien Kosten in Höhe von mehreren zehntausend Euro entstehen. Hinzu kommen die Kosten für den Austausch des Werkzeuges, so dass schnell ein Betrag von ca. Euro 50.000,- bis Euro 80.000,- zusammen kommt.

Ziel des Projektes ist es daher, diese Kosten durch eine möglichst frühzeitige Qualitätskontrolle des Werkzeuges zu vermeiden und den zugehörigen Prozess für alle Beteiligten vom Werkzeugmacher, über den Maschinenhersteller, bis hin zum Endkunden (Fertiger) zu optimieren.

Projektschritt 1 (Analyse)
Die  Werkzeugoberfläche wird beim Maschinenhersteller mit verschiedenen optischen Sensoren analysiert, die speziell zur Oberflächenanalyse und dem Messen von 3D-Strukturen eingesetzt werden  (u.a. konfokal, Streulicht, Weißlichtinterferometrie). Bei der Auswertung der Messdaten des Streulichtsensors (hier: Hersteller OpoSurf GmbH) zeigen sich regelmäßig wiederkehrende Muster, die als „wellenförmig“ interpretiert werden können. Bei weiteren Tests mit einem „Gutteil“ und einem „Schlechtteil“ wird deutlich, dass nicht die verchromte Oberfläche die störenden Strukturen erzeugt, sondern offenbar der Untergrund, auf den die Hochglanzverchromung aufgetragen wurde, nicht ebenmäßig genug ist.

Projektschritt 2 (Konzept)
Es wird ein Konzept entwickelt, um folgende Ziele zu erreichen:
•    Vermeidung der Auslieferung fehlerhafter Werkzeuge seitens des Maschinenherstellers an seine Endkunden durch eine dezidierte Wareneingangskontrolle.
•    Implementierung einer Datenbank mit Zugriff auch für den Werkzeughersteller (Zulieferer), um „online“ eine  Überprüfung und Nachverfolgungsmöglichkeit aller Werkzeuge zu ermöglichen.
•    Zukünftig: Überwachung des Herstellungsprozesses mittels geeigneter Messtechnik, um Werkzeuge entsprechend Ihren Qualitätsmerkmalen Projekt bezogen (den Anforderungen des jeweiligen Endkunden entsprechend) zuordnen zu können.

Projektschritt 3 (Implementierung)
Für die Wareneingangskontrolle wird ein Messsystem mit zwei Streulichtsensoren definert. Die Sensoren übermitteln die Messergebnisse in eine zugehörige „Werkzeugdatenbank“. Alle Werkzeuge werden nun einer 100%-Kontrolle unterzogen und die relevanten Oberflächenparameter in der Datenbank gespeichert. „Schlechtteile“ können so noch bevor sie in die Maschine eingebaut werden, erkannt, und sodann an den Zulieferer zurückgeschickt werden. Über die Prüfung im Wareneingang kann auch ein vorher-/nachher Vergleich erfolgen.

Projektschritt 4 (Vernetzung)
Um den Prozess weiter zu optimieren, kann auch der Zulieferer vom Maschinenhersteller überzeugt werden, ein Messsystem zu installieren, welches in die Fertigungsmaschine integriert wird. So kann die Qualität der Werkzeugoberfläche schon während bzw. kurz nach dem Fertigungsprozess kontrolliert werden. Die Messdaten dieser Qualitätskontrolle sind dem jeweiligen Werkzeug über einen aufgebrachten QR-Code zugeordnet und können jederzeit online auch vom Maschinenhersteller eingesehen und ggf. mit den Daten aus der Wareneingangskontrolle verglichen werden. Damit lassen sich Werkzeuge mit unterschiedlichen Qualitätsstufen unmittelbar für entsprechende Endkundenprojekte zuordnen, welches zudem eine kürzere Lieferzeit erlaubt.
 
Fazit
Durch den Einsatz einer fertigungsintegrierten Messtechnik mit Zugriff auf die Messdaten über eine gemeinsame elektronische „Werkzeug-Datenbank“, werden fehlerhafte Werkzeuge schon vor der Inbetriebnahme erkannt und zur Nachbesserung ausgeschleust. Für den Maschinenhersteller und den Endkunden bedeuten dies erhebliche finanzielle und zeitliche Einsparungen. Zusätzlich kann die Zufriedenheit des Endkunden gesteigert werden, da die Folienqualität durch Auswahl des entsprechenden Werkzeuges exakt definiert und damit eine gleichbleibende Fertigungsqualität gewährleistet werden kann. Wird auch dem Endkunden Zugriff auf die Datenbank gewährt, wäre es ihm möglich, sich frühzeitig für ihn geeignete Werkzeuge zu reservieren, um die Stillstandszeit der Anlage beim Tausch der Werkzeuge zu minimieren.

Die Erfahrung zeigt, dass fertigungsnahe bzw. –integrierte Messtechnik zur Qualitätssicherung häufig kundenspezifisch konzipiert werden muss. Oft ist am Anfang des Projektes noch nicht einmal offensichtlich, wo im Prozess das Qualitätsproblem entsteht, und wie man regulierend eingreifen kann. Erst in enger Zusammenarbeit zwischen Fertigungsspezialisten, Messtechnikern, Zulieferern und Kunden entsteht ein Verständnis für den Gesamtprozess und ein Konzept für eine Qualitätskontrolle, welche die individuellen Anforderungen erfüllt.   


Der Autor
Dipl.-Ing. Michael Klausnitzer,
Geschäftsführer
MICRONISE – Systempartner für Automatisierungs-, Mess- und Prüftechnik
www.micronise.com


Seminar zum Thema:
Die Technischen Akademie Wuppertal e.V. bietet ab November 2018  untern der Leitung von Dipl.-Ing. Michael Klausnitzer (MICRONISE) das Seminar „Optische Messverfahren und Industrielle Bildverarbeitung in der Qualitätssicherung – Automatisierungsmöglichkeiten und Integration in qualitätsrelevante Prozesse“ an. Näheres unter afq@taw.de · www.taw.de/afq

 

[zur Übersicht]