Qualitätsabweichungen bei Hochpräzisionsbauteilen sind bislang schwierig zu verhindern, da die Kontrolle erst am Endprodukt durchgeführt werden kann. Adaptive Produktionsstrategien sollen nun die Produktion der Bauteile dynamisch und flexibel anpassen.
Juli 2021 – Produzierende Industrieunternehmen müssen qualitativ hochwertige Produkte liefern, um den Kundenanforderungen gerecht zu werden und sich im globalen Wettbewerb zu behaupten. Sie stehen im Spannungsfeld zwischen Kostendruck und Qualitätsanforderung. Dies gilt in besonderem Maße für Hersteller von filigranen Hochpräzisionsprodukten, wie die Dentalinstrumente des Zahnarztes. Die darin eingesetzten Werkzeuge rotieren mit 200.000 Umdrehungen pro Minute. Für die nur wenige Millimeter großen Mikroverzahnungen, welche diese Rotation umsetzen, sind daher Toleranzen von nur wenigen Mikrometern zulässig, um unerwünschte akustische Effekte beim Endprodukt zu vermeiden. „Darüber hinaus erhöht sich die Komplexität der Produktion von Hochpräzisionsprodukten in vielen Fällen erheblich, da Bauteile innerhalb einer komplexen Wertschöpfungskette funktional zueinander abgestimmt werden müssen“, erläutert Daniel Gauder, akademischer Mitarbeiter an dem WGP-Institut wbk Institut für Produktionstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Präzision im Mikrometerbereich
Besonders herausfordernd sind komplexe Bauteilgeometrien mit funktionskritischen Toleranzen < 5 µm, bei denen derzeitige Fertigungsverfahren technologische Grenzen erreichen. Die Abbildung zeigt ein Dentalinstrument von Dentsply Sirona. Zu erkennen sind die verschiedenen Getriebekomponenten, wie Wellen oder Verzahnungen. Die Stirn-, Kronen- und Kegelräder weisen ein Modul von nur 200-400 μm mit Toleranzen der Verzahnungskenngrößen von < 10 μm auf. Beim Dentalinstrument besteht die wesentliche Herausforderung aktuell darin, dass aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen in der Produktion zahlreiche fehlerhafte Bauteile auftreten, die unnötige Kosten verursachen. Die Qualität der Endbaugruppen kann aber erst durch eine abschließende Funktionsprüfung gesichert werden. Ein naheliegender Ansatz, um Qualitätsabweichungen zu verhindern, ist die Präzisionssteigerung der Fertigungsprozesse der einzelnen Komponenten. Dies ist bei der Produktion von Hochpräzisionsbauteilen jedoch meist nicht möglich, da die technologischen Grenzen der Fertigungsprozesse bereits erreicht sind oder die entstehenden Aufwände hierfür nicht wirtschaftlich sind.
Selbstregelnde Produktionsprozesse
Eine wirksame und kostengünstigere Alternative stellt dagegen die Anwendung adaptiver Produktionsstrategien dar, durch welche die Produktion der Bauteile innerhalb sogenannter Qualitätsregelkreise dynamisch und flexibel angepasst werden kann. Dabei bestehen vielfältige Optionen. Innerhalb des Montage-Regelkreises können in Echtzeit selbststeuernde Montageansätze, wie die gezielte Paarung von Bauteilkomponenten auf Basis individueller Bauteilmesswerte, zum Einsatz kommen. „Das bedeutet, man kombiniert korrespondierende Bauteile, welche gemeinsam die Qualitätsanforderungen optimal erreichen“, präzisiert Gauder. Dadurch sollen beispielsweise im Anwendungsfall der Firma Dentsply Sirona Mikro-Getriebebauteile individuell so miteinander kombiniert werden, dass die Varianz der Geräuschentstehung der Getriebe minimal gehalten wird. Dies kann kombiniert werden mit Regelkreisen in der Fertigung, durch die Fertigungsparameter in Echtzeit auf Basis von Bauteilmessinformation angepasst werden können. Dabei gilt es, sowohl den volatilen Bauteilabweichungen als auch sich ständig ändernden Bauteilvarianten gerecht zu werden.
100%-Messungen für die adaptive Produktion
Im Rahmen des Projekts sollen daher optimale, dynamisch anpassbare Qualitätsregelkreise mittels geeigneter adaptiver Produktionsstrategien implementiert werden. Um adaptive Produktionsstrategien in der erläuterten Form realisieren zu können, sind zwei wichtige Voraussetzungen zu erfüllen. Zum einen müssen über die Prozesskette in der Produktion hinweg relevante Messdaten der Bauteile „inline“ gemessen werden. Zum anderen müssen Bauteile eindeutig identifiziert und rückverfolgt (track&trace) werden können. So lassen sich „inline“ erfasste Messwerte den Bauteilen jederzeit eindeutig zuordnen und Erkenntnisse zur Qualitätsregelung ableiten.
Hochpräzisionsbauteile bestehen häufig aus komplexen 3D-Geometrien, wie beispielsweise bei Mikroverzahnungen, die bislang nur stichprobenweise im Messraum mittels taktiler und einfacher optischer Verfahren gemessen werden können. Zur Realisierung der genannten adaptiven Produktionsstrategien ist jedoch eine 100%-Messung der Bauteile erforderlich. Als prinzipiell geeignet zeigt sich der optische Fokus-Variation-Sensor der Firma Alicona. „Vorraussetzung hierfür sind geringe Messunsicherheiten bei einer Messzeit im Produktionstakt sowie einer geeigneten Handhabung auf den Shopfloor“, so der WGP-Wissenschaftler.
Mikrobauteile ohne Markierungen identifizieren
Die durchgängige Identifikation und Rückverfolgung über verteilte Prozessketten hinweg ist aktuell bei Hochpräzisionsbauteilen nicht möglich, da auf den Bauteilen typischerweise aufgrund deren Größe keine Möglichkeit besteht, Markierungen zur Identifikation aufzubringen (z.B. Barcode, Datamatrixcode). Einen vielversprechenden Ansatz hierfür bietet die am Fraunhofer IPM entwickelte optische FingerPrint-Technologie, mit der individuelle Mikrostrukturen der Oberfläche ohne zusätzliche Markierungen eindeutig identifiziert werden können. Insbesondere wird auch ein bauteilindividueller Datenaustausch zwischen verteilten Wertschöpfungsstandorten, Lieferanten und Kunden ermöglicht, sodass Qualitätsregelkreise auch unternehmensübergreifend realisiert werden können. Auf Basis dieser Möglichkeiten, welche sich durch den zielgerichteten Einsatz von photonischen Sensoren zur prozessintegrierten 3D-Messung komplexer Bauteilgeometrien sowie zur prozessübergreifenden, markierungslosen Identifikation ergeben, sollen somit wertvolle Potenziale zur Realisierung adaptiver Produktionsstrategien für Hochpräzisionsbauteile realisiert werden. Ein voll funktionsfähiger Demonstrator des adaptiven Qualitätsregelkreises in der Produktion soll bis Ende 2021 vorliegen, welcher dann bei Dentsply Sirona zur Serienintegration validiert wird.
Beitragsbild: Dentsply Sirona Dental-Instrument | Quelle: wbk Karlsruhe
Förderer
Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzeptes „Photonik Forschung Deutschland“ (Förderkennzeichen: FKZ 13N14647) gefördert.
Ansprechpartner
wbk Institut für Produktionstechnik
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Prof. Gisela Lanza
Tel.: +49 721 608-44017
E-Mail: Gisela.Lanza@kit.edu
Daniel Gauder
Tel.: +49 1523 9502575
E-Mail: Daniel.Gauder@kit.edu
Download:
Beitragsbild: Dentsply Sirona Dentalinstrument | Quelle: wbk Karlsruhe
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