Fraunhofer CCIT Sensorische Wahrnehmung als Kern von Industrie 4.0

Fräsen von Turbinenschaufeln: Das Internet ist »kognitiv«, wenn KI-Techniken den Menschen bei der Wartung industrieller Fertigungswerkzeuge unterstützen.

Das Fraunhofer-Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT erforscht kognitive Techniken für das IIoT. Neu sind unter anderem aktive, intelligente Fertigungswerkzeuge, deren Zustand sich permanent überwachen lässt, und ein KI-Verfahren für das Monitoring von Fräsprozessen.

Agile und mobile Produktionssysteme werden künftig die industrielle Fertigung bestimmen. Sie adaptieren sich in Echtzeit und passen sich gestützt auf authentische Informationen verschiedener beteiligter Objekte und Umgebungsbedingungen selbstständig und flexibel an verschiedene Prozesse an. »Essenziell für viele Anwendungen in autonomen und automatisierten Produktions- und Mobilitätsszenarien sind Sensoriksysteme, deren Orts- und Zeitinformation abgesichert und authentisch für die weitere Verarbeitung in IIoT/IoT-Netzwerken vorliegen müssen«, erläutert Netzwerkmanager Dr. Philipp Schwerna die Zielsetzung des Forschungszentrums IoT-COMMs des Fraunhofer-Clusters of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT.

Heutzutage dienen Werkzeughalter als reine Verankerungen zwischen Werkzeugmaschine und Bearbeitungswerkzeug. In Zeiten von IIoT, intelligenter Sensorik und drahtloser Vernetzung ist es möglich, dem Werkzeughalter weitere Funktionen bei der Prozessüberwachung zuzuweisen. So lassen sich in Echtzeit Anomalien detektieren, die zu einer erheblichen Reduktion von Ausschuss führen. Hierzu wurden verschiedenartige Sensoren an der Wirkstelle installiert und die Daten über breitbandige Funkübertragung aus dem rotierenden Werkzeug heraus in Echtzeit in den Prozess eingebracht. Dies verbessert die Spanbildung im Zerspanungsprozess deutlich und verringert die Gratbildung, sodass eine höhere Bauteilqualität erreicht werden kann. Durch die permanente Überwachung des Werkzeugs im Einsatz verringern sich Verschleiß und Beschädigungen deutlich. Und es lassen sich rechtzeitig Anpassungen vornehmen, sodass die Verfügbarkeit der Maschine zunimmt, weil Standzeiten minimiert und damit Kosten reduziert werden.

»Wir erkennen sofort, ob der Fertigungsprozess gestört ist – etwa durch einen Defekt des Werkzeugs«, sagt Hendrik Rentzsch vom Forschungszentrum IoT-COMMs. Sicherheitsprotokolle gewährleisten die Integrität, Vertraulichkeit und Verfügbarkeit der erfassten Daten sowie die Authentizität deren Ursprungs. Die intelligente IoT-Komponente ist Sensor und Aktor zugleich: Ultraschallwellen bringen das Werkzeug aktiv zum Schwingen, die Schwingungssignale verstärken sich, und das Werkzeug lässt sich aktiv steuern. »Qualität und Produktivität des Fertigungsprozesses lassen sich auch unter Hochleistung kontinuierlich aufrechterhalten«, führt Hendrik Rentzsch aus.

Ein besonderer Vorteil des Systems ist dessen Nachrüstbarkeit. Der „intelligente Werkzeughalter“ ist modular aufgebaut und kann mit einer Standardschnittstelle versehen werden, sodass er sich problemlos in vorhandene Werkzeugmaschinen integrieren lässt. Das Werkzeug verbindet sich über Funktechnik mit der vorhandenen Infrastruktur oder mit der jeweiligen Maschine. Über eine durchgängige Sicherheitsarchitektur ist die Integrität der Daten für den Prozess gewährleistet.

Das Fraunhofer-Forschungszentrum IoT-COMMs ist eines der drei Zentren des Fraunhofer CCIT. Zusammen mit dem Forschungszentrum Data Spaces und dem Zentrum Maschinelles Lernen bündeln verschiedene Fraunhofer-Institute ihre Kompetenzen für die Umsetzung zukunftsorientierter anwendungsnaher Industrie-4.0-Anwendungen.