21. Juli 2019 
 
25. Juni 2019

Wenn der Motor hörbar hustet

Berührungslose, akustische Qualitätskontrolle – dieses Forschungsfeld wird das Fraunhofer IDMT auf der Sensor+Test anhand verschiedener Exponate vorstellen. Wie das genau funktioniert, erläutert Gruppenleiterin Hanna Lukashevich im Gespräch mit DIE MESSE.

Foto: Fraunhofer IDMTFoto: Fraunhofer IDMT
Das Fraunhofer IDMT arbeitet an Verfahren zur Produktendkontrolle von Autoteilen mittels Luftschallmessung, so zum Beispiel von Sitzverstellmotoren.
Frau Lukashevich, das Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT ist auf der Sensor+Test in Halle 5, Stand 5-248 zu finden. Sie zeigen dort zum ersten Mal maschinelle Lernverfahren zur berührungslosen Qualitätskontrolle anhand von Audiodaten. Was für Exponate bringen Sie mit?
Wir haben für unseren ersten Auftritt auf der Sensor+Test drei interaktive Exponate ausgewählt. Am Messestand zeigen wir, wie man am Geräusch von Motoren akustisch messen kann, ob diese in Ordnung sind, unter Last laufen oder defekt sind. Etwas sportlicher geht es bei unserem zweiten Demonstrator zur Sache. Wir laden alle Interessierten auf eine Partie Air-Hockey ein. Dabei erfahren die Besucherinnen und Besucher, wie unterschiedlich bearbeitete Pucks, die eigentlich gleich aussehen und auch sehr ähnlich klingen, anhand ihrer Geräusche in Echtzeit unterschieden werden können.

Wir möchten außerdem mit den Gästen an unserer mit drehbaren Elementen versehenen Messewand ins Gespräch kommen über unsere Forschungsarbeit zur berührungslosen, akustischen Qualitätskontrolle. Ganz allgemein geht es bei unseren Exponaten also darum, Klangunterschiede zu erkennen und diese richtig anzuzeigen. Wir lösen die Aufgabe mit Mikrofonen und intelligenten maschinellen Lernverfahren. Unsere Technologie ist somit im Bereich der KI anzusiedeln.

Das Fraunhofer IDMT arbeitet seit Jahren an der Entwicklung von Algorithmen für die berührungslose akustische Qualitätskontrolle auf Basis maschineller Lernverfahren. Was ist das Besondere an dieser Technologie und welche Anwendungsgebiete gibt es?
Das Besondere an unserer Technologie ist, dass wir eine Auswertung anhand von hörbaren Produkt- und Prozesseigenschaften vornehmen. Das gelingt uns durch die Anwendung maschineller Lernverfahren. Der Computer lernt also ständig dazu und kann sogar neue Fehlerbilder erkennen.

Da wir für unsere Messungen Mikrofone einsetzen, arbeiten wir berührungslos und zerstörungsfrei. Der Vorteil an einem berührungslosen Messverfahren ist, dass dieses nachträglich und flexibel in Produktionsumgebungen und für End-of-Line-Tests eingesetzt werden kann und nicht fest verbaut und integriert werden muss. Durch das zerstörungsfreie Verfahren kann die Qualität von Produkten getestet werden, ohne teuren Prüfschrott zu produzieren, wie es derzeit zum Beispiel zur Kontrolle von Schweißnähten immer wieder erforderlich ist.

Ist es zukünftig also denkbar, dass der Facharbeiter in der Fabrikhalle hört, wenn im Fertigungsprozess etwas falsch läuft?
Das machen erfahrene Facharbeiter oder Prozessingenieure schon seit Jahren so. Dafür brauchen sie allerdings jahrelange Erfahrung in ihrem Beruf. Ein Arzt hört zum Beispiel am Hustengeräusch, ob es nur eine Erkältung oder eine ernsthaftere Krankheit ist. Auch der Kfz-Mechaniker hört am Klang des Autos, was möglicherweise die Ursache eines Defektes ist. Kommen Geräusche nur selten vor, so kann sie der Mensch auch nur schlecht einordnen. Seine Erfahrung baut er also immer nur dann auf, wenn er einen bestimmten Arbeitsschritt vielfach wiederholt.

In der automatisierten und digitalisierten Produktion werden jedoch immer weniger Fachkräfte eingesetzt und Prozesse sind hochgradig flexibel. Hat früher ein Mensch eine Anlage bedient, so muss er heute viele Anlagen parallel betreuen. Er kann demzufolge nicht an allen Orten gleichzeitig zuhören ob alles noch „richtig“ läuft. Kommen einzelne Prozessschritte vergleichsweise selten vor – wie bei einer Produktion mit Losgröße 1 – baut sich dieses Erfahrungswissen nicht mehr auf und es wird schwierig bis unmöglich, Fehlfunktionen am Geräusch zu erkennen.

Genau an dieser Stelle setzen wir mit unserer Technologie an: Der Facharbeiter wird idealerweise bei seiner Arbeit durch unser intelligentes und vorausschauendes Prüfverfahren unterstützt. Hört und erkennt der Algorithmus ein untypisches, unregelmäßiges oder unpassendes Geräusch, so kann der Maschinenführer sofort alarmiert werden. Natürlich kann unser System auch vollautomatisch arbeiten. Denkbar ist, dass beispielsweise Ersatzteile rechtzeitig bestellt und dann ausgetauscht werden. Somit leisten wir einen Beitrag zur nachhaltigen und effizienten Instandhaltung. Reaktive und proaktive Instandhaltungszyklen werden somit durch eine zustandsbasierte Instandhaltung ersetzt.

Für das End-of-Line-Testing verhält es sich ähnlich. Hier werden fehlerbehaftete Teile systematisch erkannt und rechtzeitig ausgeschleust. Unsere Lösungsansätze arbeiten sehr schnell, sodass wir eine 100-prozentige Prüfung im Produktionstakt leisten können.

Wie bilden Sie das menschliche Gehör im Computer ab?
Moderne Verfahren des maschinellen Lernens versuchen, die tatsächlichen Abläufe der menschlichen Geräuschwahrnehmung abzubilden. Das Ohr an sich wird durch Mikrofone und eine Signalvorverarbeitung mit zum Beispiel Frequenzfilter abgebildet. Die Wahrnehmungsprozesse des Gehirns werden mit Deep Learning-Modellen – also neuronalen Netzen wie DNN oder CNN – umgesetzt.Doch unsere Verfahren gehen weit darüber hinaus. So werden nicht nur hörbare Schallanteile ausgewertet, sondern auch Informationen im Ultra- oder Infraschallbereich.

Wo wird die akustische Qualitätskontrolle konkret eingesetzt?
Unsere Lösungen werden beispielsweise im Maschinenbau eingesetzt. Wir haben Erfahrung bei mehreren Prozessschritten wie zum Beispiel bei Umformvorgängen, Fügetechniken wie dem Schweißen, der Zerspanung oder bei der Erkennung defekter Lager in rotierenden Bauteilen. Häufig lösen wir auch ganz konkrete Fragestellungen. So beschäftigen wir uns aktuell mit der Überwachung sicherheitskritischer Anlagen in der Energieerzeugung. Hier geht es vor allen Dingen darum, Pumpen- und Ventilgeräusche zu klassifizieren. Und auch in der Automobilproduktion können unsere Verfahren eingesetzt werden. So erkennen wir Fehlfunktionen an kleinen Elektromotoren wie zum Beispiel bei der Sitzverstellung oder bei Fensterhebern ebenso wie nicht richtig geschlossene Steckverbindungen bei der Montage.

Messebesucher drücken gerne selbst auf Knöpfe, um neue Technologien auszuprobieren. Welche Fraunhofer-Erfindungen versprechen die spannendsten Eindrücke?
Wir vom Fraunhofer IDMT stellen einen Air-Hockey-Tisch aus, welchen wir mit unserer Technologie ausgerüstet haben. Hier kann der Messebesucher selber spielen und unsere Technologie erleben. An unserer interaktiven Messewand drehen wir den Spieß um und stellen dem Messebesucher Fragen. Wir haben einige Schlagworte notiert und wollen darüber mit den Besuchern ins Gespräch kommen.

Die Messe Sensor+Test gilt als Leistungsschau der Branche. Auf welche Innovationen sind Sie persönlich in diesem Jahr besonders gespannt?
Wir beobachten mit Spannung die fortschreitende Entwicklung intelligenter Sensorik. Denn natürlich können auch auf dieser hardwarenahen Ebene schon Algorithmen für die akustische Qualitätskontrolle implementiert werden. Alles in allem freuen wir uns, dass die Themen Künstliche Intelligenz und Digitalisierung immer mehr Einzug in die Sensorik und Messtechnik erhalten, nicht zuletzt durch die Entstehung digitaler Zwillinge.

In diesem Zuge ändern sich auch Geschäftsmodelle und Herangehensweisen in der Entwicklung. Die neuen Herausforderungen werden nur in Kooperationen und gemeinschaftlich zu lösen sein, damit vor allen Dingen auch kleine und mittelständige Unternehmen am Standort Deutschland und Europa wettbewerbsfähig bleiben.

https://www.sensor-test.de

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