Fehlerfreie Blechbearbeitung 01.04.2021, 06:00 Uhr

KI-unterstützte Qualitätsprüfung an Blechen verhindert Ausschuss

Bleche werden für komplexe und oft auch sicherheitsrelevante Bauteile verwendet, zum Beispiel in der Automobilindustrie. Vor ihrer kostenintensiven Weiterverarbeitung ist eine Qualitätsprüfung unerlässlich.

In der Prüfmaschine drückt ein halbkugelförmiger Stempel das Werkstück bis zu einer definierten Tiefe ein. Die Analyse des Kraft-Weg-Verlaufs erlaubt detaillierte Rückschlüsse auf die Qualität des Materials. Foto: Fraunhofer IWU

In der Prüfmaschine drückt ein halbkugelförmiger Stempel das Werkstück bis zu einer definierten Tiefe ein. Die Analyse des Kraft-Weg-Verlaufs erlaubt detaillierte Rückschlüsse auf die Qualität des Materials.

Foto: Fraunhofer IWU

Fraunhofer-Forschende haben ein neuartiges Verfahren für die Eingangsprüfung von Blechen in der Fertigung entwickelt. Dabei werden bewährte Belastungstests mit einer KI (Künstlicher Intelligenz)-Software kombiniert. Die Software erstellt noch vor dem ersten Bearbeitungsschritt eine Prognose über das Verhalten des Werkstoffs während der Fertigung. Sie schätzt außerdem zuverlässig ein, ob das Ausgangsmaterial den Qualitätsanforderungen genügt und daraus das geplante Bauteil entstehen kann. Das Risiko von „Pannen“ bei der Bearbeitung und der Ausschuss sinken deutlich.

Schneller Werkstofftest hilft, Pannen zu vermeiden

Der Werkstoff Blech wird heute in nahezu allen Industriebranchen verwendet – von der Automobil- oder Elektroindustrie über den Maschinen-und Anlagenbau, die Möbelherstellung bis zur Verpackungsindustrie. Dabei steht eine enorme Vielfalt an Legierungen, Dicken, Beschichtungen und Farben zur Verfügung. Nach Angaben des Industrieverbands Blechumformung lag das Umsatzvolumen der Branche allein im Jahr 2019 bei rund 20,5 Milliarden Euro. Die Bleche werden zumeist in großen Rollen (Coils) oder in Tafeln angeliefert.

Auf dem Weg zum Endprodukt in der Fertigung wird das Material in verschiedenen Fertigungsschritten bearbeitet. Es wird beschnitten, gebogen, gestaucht, gezogen oder geprägt. Voraussetzung für die problemlose Weiterverarbeitung in der Fertigung ist daher eine Qualitätskontrolle, die gewährleistet, dass der Werkstoff allen geforderten Spezifikationen genügt. Um dies sicher zu gewährleisten, hat das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU jetzt eine Prüflösung vorgestellt. Mit des „Werkstofftester“ des Instituts lassen sich die Bleche noch vor dem ersten Bearbeitungsschritt schnell und unkompliziert prüfen. Dafür haben die Wissenschaftler bewährte mechanische Belastungstests weiterentwickelt und mit einer Machine-Learning-Software kombiniert. Diese erstellt eine differenzierte Prognose über das Verhalten des jeweiligen Materials bei allen Bearbeitungsschritten in der nachfolgenden Fertigung.

Mit einfachem Prüf-Ablauf das Material zuverlässig testen

Zunächst wird ein kleiner Teil des Blechs abgeschnitten und in eine Prüfmaschine gelegt. Hier drückt ein Stempel, der wie eine Halbkugel geformt ist – er kann je nach geplanter Anwendung auch eine andere Form haben – das Blech bis zu einer vordefinierten Tiefe ein. Ein Kraftsensor misst den Kraft-Weg-Verlauf. Auf diese Weise wird registriert, wie viel Kraft nötig ist, um den Werkstoff bis zu einem bestimmten Punkt zu verformen. „Aus diesen Messergebnissen zieht die Analyse-Software Rückschlüsse über das Verformungsverhalten unter Druck und beurteilt die Tauglichkeit des Blechs für den geplanten Fertigungsprozess“, erläutert Matthias Riemer, Projektleiter am Fraunhofer IWU, die Vorgehensweise.

Sichere Prognosen dank Machine-Learning-Algorithmen

Damit die Software eine tragfähige Prognose erstellen kann, wird bei neuen Blechsorten zunächst eine Vielzahl von einzelnen Proben in der Prüfmaschine verformt. Die daraus generierten Messwerte des Kraft-Weg-Verlaufs dienen als Trainingsdaten für die Machine-Learning-Algorithmen. So entsteht ein Verhaltensprofil des Blechtyps als Referenz. Beim Test einer Blechrolle aus einer anderen Charge des gleichen Materials gleichen die ML-Algorithmen deren Messwerte mit dem vorhandenen Profil ab und visualisieren das Ergebnis in einer Kurvengrafik. Die Mitarbeitenden in der Fertigung erhalten eine differenzierte Aussage zur Belastbarkeit und zum Verhalten des Materials.

Mit technischen Details müssen sie sich dabei nicht befassen. Ein Ampelsymbol in der Werkstofftester-Software gibt Auskunft, ob das Blech i.O. (in Ordnung), grenzwertig oder sogar Ausschuss ist. Sollte die Analyse ergeben, dass das gelieferte Blech nicht den vereinbarten Spezifikationen entspricht, kann es das Unternehmen unter Umständen sogar reklamieren und an den Lieferanten zurückgeben. Andernfalls ist es denkbar, den Fertigungsprozess anpassen oder aber weniger anspruchsvolle Bauteile daraus zu fertigen.

Die Software für dieses Projekt wurde von den Expertinnen und Experten am Fraunhofer IWU selbst programmiert. Sie funktioniert mit den gängigen Steuerrechnern der Prüfanlagen in den Fabriken. Der gesamte Prüfvorgang ist bereits nach 15 Sekunden abgeschlossen.

Material ändert sich je nach Aufbewahrung und Lagerzeit

Der Werkstofftester aus dem Fraunhofer IWU stellt eine Abkehr von bisherigen Prüfkonzepten dar, bei denen das Blech nach dem Belastungstest optisch auf Risse oder Defekte untersucht wurde. „Wir betrachten nicht das Material, sondern untersuchen die Messergebnisse mithilfe von ML-Algorithmen. Diese Prognose ist zuverlässiger und differenzierter als ein herkömmlicher Belastungstest“, sagt Riemer. Die Tests sind beispielsweise auch dann sinnvoll, wenn die angelieferten Coils für längere Zeit bei wechselnden Temperaturen oder im Sommer lange in einer nicht klimatisierten Halle gelagert wurden. Dabei können Alterungserscheinungen im Material auftreten, etwa bei bestimmten Aluminiumlegierungen.

Die Materialprüfung sollte stets vor dem ersten Bearbeitungsschritt durchgeführt werden. Riemer bemängelt in diesem Zusammenhang, das manche Blechbearbeiter gar keine Eingangstests durchführen. Diese verlassen sich vollständig auf die Spezifikationen, die mit dem Lieferanten vereinbart wurden – eine nach seiner Meinung riskante Vorgehensweise.

Präsentation auf der virtuellen Hannover Messe

Der Werkstofftester lässt sich entweder als Stand-alone-Variante bei der Eingangsprüfung im Warenlager aufstellen oder als Inline-Variante direkt an den Anfang der Fertigungsstraße setzen. Das System ist zu bestehenden Prüfmaschinen kompatibel. Es muss keine neue Testanlage angeschafft werden. Das IWU-Team wird die Prüfeinrichtung auf der kommenden Hannover Messe präsentieren, die vom 12. bis zum 16. April als virtuelle Veranstaltung stattfindet.

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Von Fraunhofer IWU / Birgit Etmanski

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