Sensorisches Spannsystem für die KI-gestützte Qualitätssicherung

Im Forschungsprojekt FL.IN.NRW entwickeln wir gemeinsam mit unseren Partnern aus Forschung und Industrie ein hydraulisches Spannsystem, das Kraftdaten aus dem Fräsprozess liefert. Mit diesen Daten lernen KI-Modelle, Qualitätsabweichungen schon während der Bearbeitung zu erkennen.

Herausforderung aus der Produktion

In der Luftfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik bearbeiten Fertigungsunternehmen hochfeste Werkstoffe unter strengen Qualitätsvorgaben. Weil in der Zerspanung sehr viele Werkzeug- und Prozessparameter zusammenwirken, lässt sich die Qualität bisher meist nur durch manuelle Prüfungen der Bauteile absichern, nachdem die Fertigung abgeschlossen ist.

KI-Modelle können diese Prüfungen verkürzen, wenn sie mit Prozessdaten aus der Maschine trainiert werden. Viele Unternehmen nutzen dafür zentrale Cloud-Dienste, um eine eigene digitale Infrastruktur nicht vorfinanzieren zu müssen.
Die Produktionsdaten liegen dann außerhalb des eigenen Unternehmens.

Lösungsweg im Forschungsprojekt

Im Forschungsprojekt FL.IN.NRW entsteht eine Lernplattform, auf der prädiktive KI-Modelle dezentral trainiert werden. Das Verfahren heißt Federated Learning - jedes Unternehmen trainiert das Modell auf seinen eigenen Servern mit seinen eigenen Fertigungsdaten. An einen zentralen Server gehen nur die Modellparameter. Dort werden sie zu einem gemeinsamen Modell zusammengeführt. Die Fertigungsdaten selbst verlassen die lokalen Datenbanken nicht.

Erster Anwendungsfall ist die Zerspanung. Das Modell wird mit Prozessdaten direkt aus der Maschine trainiert und erkennt Werkzeugverschleiß beispielsweise an Schwankungen der Spindellast und an Veränderungen des Spanndrucks. Führt der Verschleiß zu einer Maßabweichung außerhalb der Toleranz, meldet das Modell dies noch während der Bearbeitung. Bauteile müssen dann nur noch bei Bedarf geprüft werden.

Das sensorische Spannsystem

Unser Beitrag zum Projekt ist ein hydraulisches Spannsystem, das Werkstücke auf dem Maschinentisch fixiert und zugleich als Sensorplattform dient. Es baut auf unseren modularen Spannsystemen auf, die sich für neue Bauteile umbauen und wiederverwenden lassen und durch die Hydraulik Schwingungen dämpfen. Künftig erfasst das System die Kräfte an den einzelnen Spannelementen während des Fräsens, verarbeitet sie und überträgt sie drahtlos aus der Werkzeugmaschine.

Die Maschinensteuerung liefert Werte wie die Spindellast. Das Spannsystem ergänzt sie um die Kräfte direkt am Werkstück, getrennt für jedes Spannelement. Diese Daten werden während der Bearbeitung drahtlos aus der Maschine heraus übergeben.