Fraunhofer-Forschende haben ein neuartiges Verfahren für die Eingangsprüfung von Blechen in der Fertigung entwickelt. Dabei werden bewährte Belastungstests mit einer KI-Software kombiniert. Die Software erstellt noch vor dem ersten Bearbeitungsschritt eine Prognose über das Verhalten des Werkstoffs während der Fertigung und beurteilt, ob er den Qualitätsanforderungen genügt. Das Risiko von Pannen und der Ausschuss sinken deutlich.
Der Werkstoff Blech wird heute in nahezu allen Industriebranchen verwendet. In der Automobil- oder Elektroindustrie, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Möbelherstellung und in der Verpackungsindustrie – überall kommt Blech zum Einsatz. 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, sogenannten 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 das zu ermöglichen, hat das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU jetzt eine Lösung vorgestellt: den „Werkstofftester“. Damit lassen sich die Bleche vor dem ersten Bearbeitungsschritt schnell und unkompliziert prüfen. Die Forschenden haben 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.
So funktioniert die Materialprüfung
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. Er registriert also, 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“, erklärt Matthias Riemer, Projektleiter am Fraunhofer IWU.
Machine-Learning-Algorithmen steuern Prognose-Ampel
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 »in Ordnung«, »grenzwertig« oder gar »Ausschuss« ist. Sollte die Analyse ergeben, dass das gelieferte Blech nicht den vereinbarten Spezifikationen entspricht, kann das Unternehmen weitere Tests an der Ware durchführen und dann unter Umständen sogar an den Lieferanten zurückgeben oder auch den Fertigungsprozess anpassen.
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.
Werkstofftests nach langer 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 beispielweise 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. Matthias Riemer ist besonders wichtig, dass die Materialprüfung vor dem ersten Bearbeitungsschritt stattfindet: „Manche Hersteller verzichten auf Eingangstests und verlassen sich ganz auf die Spezifikationen, die mit dem Lieferanten vereinbart wurden. Das kann riskant sein.“
Präsentation auf der 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 den Werkstofftester auf der Hannover Messe präsentieren. Die Veranstaltung findet vom 12. bis 16. April 2021 im virtuellen Raum statt.
