Beim Biegen tonnenschwerer Stahlbleche für den Schiffrumpf hängt die finale Geometrie bisher oft vom geschulten Blick und dem Erfahrungswissen der Werker ab. Dabei entscheiden Millimeter über Passgenauigkeit und Stabilität. Bisher stoppten die Fachkräfte den Fertigungsablauf immer wieder, um Formabweichungen manuell zu prüfen – ein zeitaufwändiger und fehleranfälliger Prozess. Herkömmliche Ansätze zur Digitalisierung dieser Prozesse aus der industriellen Serienfertigung lassen sich auf die individuelle Fertigung von Einzelstücken im Schiffbau jedoch kaum übertragen.

Das Verbundprojekt DIKUQ (»Digitalisierung der kaltplastischen Umformung durch kontinuierliche Qualitätskontrolle«), gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE), setzt genau dort an: Im Vorhaben entwickelte das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF gemeinsam mit Partnern eine teilautomatisierte Prozesskette für die kaltplastische Umformung von Schiffbauteilen. Die Projektpartner sind die Ostseestaal GmbH & Co. KG, die zugleich als Projektkoordinator fungiert, das Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP, die Universität Rostock und die MSR-Service GmbH. Ein Schwerpunkt im Projekt ist dabei das präzise, digitale Erfassen der Werkstücke entlang der gesamten Prozesskette.

Sensornetzwerk zur 3D-Rekonstruktion

Für das Projekt DIKUQ haben Forschende am Fraunhofer IOF ein neuartiges High-Speed Inline-3D-Messsystem entwickelt: Ein latenzarmes 3D-Sensornetzwerk, mit dem das Werkstück digital erfasst werden kann und damit präzise Soll-Ist-Vergleiche direkt an der Presse ermöglicht. Das System besteht aus jeweils zwei synchronisierten Kameras auf der rechten und linken Seite des Werkstücks, die mit den zugehörigen Projektoren gekoppelt sind. So lässt sich ein Messvolumen von bis zu 4 m x 2 m x 0,5 m in weniger als einer halben Sekunde vollständig erfassen. Die gewonnenen Bildsequenzen werden mittels Triangulation zu einem präzisen 3D-Modell des Werkstücks rekonstruiert.

Kern des Systems ist ein flächenbasiertes 3D-Messverfahren mit strukturiertem Licht im nahen Infrarotbereich (NIR). »Dabei wird ein unregelmäßiges Muster auf die Objektoberfläche projiziert, welches sich entsprechend der Geometrie des Werkstücks verformt«, erklärt Dr. Christoph Munkelt, Wissenschaftler in der Abteilung Bildgebung und Sensorik am Fraunhofer IOF. »Die Verzerrung des Musters liefert uns dann die Informationen für die 3D-Rekonstruktion.«

»Der entscheidende Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren liegt in der Echtzeit-Rückmeldung«, erläutert der IOF-Forscher weiter. »Das System erstellt einen automatisierten Soll-Ist-Vergleich mit der Zielgeometrie, der auf das Blech projiziert wird. Der Werker sieht dadurch sofort, an welchen Stellen noch nachgearbeitet werden muss, um den Zielkorridor zu erreichen.« Physische Prüfschablonen, die sonst zeitaufwendig angesetzt und ausgewertet werden mussten, können so entfallen. Stattdessen steht eine digitale »Prüfschablone« zur Verfügung, die sich jederzeit mit den Prozessdaten abgleichen lässt.

Fachkräfte mit 3D-Daten unterstützen

Die präzise, digitale Rückmeldung des Systems macht komplexe Arbeitsschritte, die bislang ausschließlich im Erfahrungswissen der Werker verankert waren, für neue Mitarbeitende erlernbar. »Unser Ziel ist es, den Umformprozess, der bislang vor allem durch das Know-how der Werker gestaltet wird, digital zu unterstützen. Damit begegnen wir dem Fachkräftemangel, erhöhen die Prozesssicherheit und gestalten Arbeitsplätze attraktiver«, erläutert Maximilian Müller, Leiter Forschung und Entwicklung bei Ostseestaal.

Durch die digitale Erfassung der Werkstückgeometrie werden Qualitätsschwankungen minimiert, höhere Passgenauigkeiten erreicht und die Rücklaufquote gesenkt. Gleichzeitig schafft das System eine lückenlose, nachvollziehbare Dokumentation der Qualitätskontrolle für den Endkunden.

Digital vernetzter Fertigungsprozess

Mit dem im Projekt DIKUQ entwickelten Gesamtsystem stellen die Verbundpartner exemplarisch einen digital vernetzten, teilautomatisierten Fertigungsprozess für die kaltplastische Umformung von Schiffbauteilen vor – von der Wareneingangskontrolle über die Planung und Steuerung der Umformschritte bis zur finalen Qualitätsprüfung. Das Automatisierungskonzept lässt sich ebenfalls auf Industrien mit ähnlichen Anforderungen übertragen, etwa in der Luft- und Raumfahrt sowie der Architektur.