Willi Meissner
Kunststoffe sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und die Produktionsverfahren werden immer ausgefeilter. Ein Forschungsteam der OST arbeitet aktuell am nächsten Evolutionsschritt: Einer intelligenten Fabrik, die sich autonom selbst überprüfen kann und weiss, wenn sie Bauteile mit guter Qualität produziert.
Wer im Zug oder Auto zur Arbeit fährt, sein Smartphone nutzt oder in die Ferien fliegt, macht sich selten Gedanken darüber, wie viele Kunststoffteile darin verbaut sind. Dabei wäre genau dieser Alltag ohne präzise gefertigte und langlebige Kunststoffe in allen möglichen Formen und Farben kaum möglich. Damit diese Teile jahrelang einwandfrei funktionieren, werden sie nach der Produktion stichprobenartig auf ihre Qualität hin überprüft. Stimmen Form, Abmasse und Farbe? Gibt es Fehlstellen? Halten sie den Belastungen stand, die sie künftig jeden Tag aushalten müssen?
Diese Qualitätssicherung stellen in den Fabriken Fachleute sicher, die mit Messgeräten alle wichtigen Eigenschaften prüfen. Denn ob ein Teil in hoher Qualität aus einer Spritzgiessmaschine kommt, hängt von vielen Faktoren ab – Temperatur, Druck, Spritzgiesswerkzeug oder das verwendete Kunststoffgranulat sind nur einige davon. Ein Forschungsteam der OST arbeitet nun daran, Spritzgiessmaschinen so intelligent zu machen, dass sie die Qualität ihrer produzierten Teile künftig ohne teure, manuelle Qualitätssicherung selbst einschätzen und sogar auf Veränderungen im Produktionsprozess reagieren können.
«Wir nutzen die in den Maschinen aufgezeichneten Live-Daten des Spritzgiessprozesses, um mithilfe von künstlicher Intelligenz die Qualität der produzierten Bauteile vorherzusagen», erklärt Projektleiter Curdin Wick vom IWK Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung der OST das Konzept. Diese «Predictive Quality», also Qualitätsvorhersage, hat den Vorteil, dass Menschen nur noch eingreifen müssen, wenn die KI Anomalien in der Produktion erkennt. So kann es zum Beispiel passieren, dass zwar alle Maschinen optimal eingestellt sind, aber äussere Einflüsse dazu führen, dass die Bauteile ihre Form nach der Produktion unerwartet verändern.
Für die Erkennung solcher Faktoren, wird die KI derzeit in der Smart Factory der OST trainiert. Mit den gleichen Maschinen, die in der Kunststoffindustrie verwendet werden, haben die OST-Ingenieure im IWK-Maschinenpark ein Trainingszentrum für die KI aufgebaut – bestehend aus Spritzgiessmaschine, Lasermarkierung zur Identifikation jedes Bauteils, Handling-Roboter, Logistik-Roboter, Qualitäts-Messzelle und Lager.
Sämtliche Daten der Fabrik werden laufend in die Cloud gespeichert und von der KI ausgewertet. Um die KI auf die geforderte Qualität hin zu trainieren, werden alle produzierten Teile in einer bisher einzigartigen Messzelle der Firma Kistler auf ihre Qualität überprüft. «Verschiedene Kameras und Sensoren vermessen jedes produzierte Bauteil. Die KI korreliert diese Daten mit den Daten aus dem Produktionsprozess und lernt so immer besser, welche Produktionsdaten voraussichtlich hochqualitative Bauteile versprechen», erklärt Wick.
Der vom ILT Institut für Laborautomation und Mechatronik der OST speziell entwickelte Logistik-Roboter arbeitet dabei autonom Hand in Hand mit allen anderen Maschinen des IWK. «Unser Roboter bewegt sich autonom zwischen Produktion, Messzelle und Lager und bringt die in eindeutig identifizierbaren Lagerboxen liegenden Bauteile selbstständig an den richtigen Ort, wo er den geforderten Prozess selbstständig auslöst», erklärt ILT-Ingenieur Renato Müller. Entscheidet die KI zum Beispiel auf der Basis von Anomalien in den Produktionsdaten, dass ein Teil gemessen werden muss, holt der Roboter das entsprechende Teil entweder direkt aus der Produktion oder aus dem Lager und lässt es in der Messzelle prüfen. Sind die Produktionsdaten unverdächtig, bringt sie der Roboter direkt aus der Produktion ins Lager – die Qualitätssicherung in der Messzelle entfällt, weil die KI bereits weiss, dass die Bauteile die Qualitätskriterien erfüllen. Dem Team ist es wichtig, dass sich das Predictive-Quality-Konzept skalierbar in den Aufbau typischer Kunststofffabriken integrieren lässt. «Durch den modularen Aufbau ist dieser Ansatz auch skalierbar in einer komplexen Produktion mit mehreren Spritzgiessmaschinen einsetzbar, die gleichzeitig verschiedene Artikel produzieren», erklärt Wick. In diesem Szenario würden die kollaborativen Logistik-Roboter basierend auf den Anweisungen der Fabrik-KI laufend Bauteile transportieren und bei Anomalien eine Qualitätsmessung in der zentralen Messzelle durchführen.
«Unser Ziel ist es, dass auch grosse Produktionsbetriebe in Zukunft vollautomatisch arbeiten können und die vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels knappen Produktionsfachleute keine repetitiven Routineaufgaben wie Qualitätssicherung mehr übernehmen müssen», erklärt Wick.
Curdin Wick
IWK Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung
+41 58 257 47 70
curdin.wick@ost.ch
