WO2021245194A1

WO2021245194A1 - Ortsbasierte bauteilanalyse basierend auf einem digitalen bauteilzwilling

Info

Publication number: WO2021245194A1
Application number: PCT/EP2021/064919
Authority: WO
Inventors: Caroline ALBERT; Franz Engel
Original assignee: Nebumind Gmbh
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2021-12-09
Also published as: DE202021004135U1

Abstract

Verfahren zur Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses, umfassen: Erfassen von Prozessdaten, aus ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses, für ein Bauteil, das in den ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses verwendet wird, derart, dass die Prozessdaten einem Ort einer Stelle an dem Bauteil zuordenbar sind, an der das Bauteil in einem bestimmten Fertigungsschritt bearbeitet wird, wobei die Stelle als 3D Raumkoordinate angegeben wird; Erfassen von Ortsdaten, die einen Ort eine Stelle an dem Bauteil angeben, dem die Prozessdaten zugeordnet sind; Speichern, in einer Datenbank, der Prozessdaten zusammen mit den Ortsdaten, um einen Datensatz eines digitalen Zwillings des Bauteils zu erhalten, wobei die Prozessdaten und die Ortsdaten über einen Ortsindex strukturiert werden; und Verwenden des Datensatzes des digitalen Zwillings zur Analyse (550) des Fertigungsprozesses.

Description

ORTSBASIERTE BAUTEILANALYSE BASIEREND AUF EINEM DIGITALEN BAUTEILZWILLING

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft die Erfassung, Speicherung und Analyse von Daten eines Fertigungsprozesses, unter anderem zum Zweck der Visualisierung von digitalen Bauteilzwillingen mit Analysemöglichkeiten. Die herein beschriebenen Technologien finden vorzugsweise im Bereich der diskreten Fertigung Anwendung, beispielsweise bei der Fertigung von Flugzeugflügeln oder Autotüren.

Hintergrund

[0002] Die Umsetzung der "digitalen Fabrik" ist immer noch eine Herausforderung für produzierende Firmen. Verfügbare Lösungen zur Datensammlung und -analyse haben ihren Ursprung im IT-Sektor und sind daher auf die Anwendungsfälle ausgerichtet die aus dem IT-Sektors bekannt sind, zum Beispiel ob einzelne Server einer Server-Farm Fehlermeldungen haben oder Server-Ausfälle zu detektieren, usw. Neuerdings werden genau diese Lösungen auch eingesetzt, um Maschinen in Fabriken zu überwachen um z.B. Fehlermeldungen und Ausfälle zu detektieren. Dies führt dazu, dass Produktionen in der gleichen Weise wie Server überwacht werden, was entscheidende Nachteile mit sich bringt.

[0003] IT-Lösungen im Stand der Technik nutzen einen Zeitstempel, um Produktionsdaten zu sammeln und zu strukturieren. Dies führt dazu, dass lediglich zeitbasierte Analysen hinsichtlich einer Maschine durchgeführt werden können. Dies ermöglich zum Beispiel folgende Abfragen: Wie produktiv war die Maschine? We viel Stillstandzeiten wurden verbucht? Wann bzw. wie häufig gab es Fehlermeldungen? etc.

[0004] Mit bekannten Werkzeugen zur Erfassung und Verarbeitung von Produktionsdaten sind Analysen hinsichtlich eines Bauteils oder Bauteiltyps unmöglich bzw. nur mit äußerst hohem Ressourcenaufwand durchführbar: Dies betrifft zum Beispiel Abfragen der Art: Warum ist jedes fünfte Bauteil an einer bestimmten Stelle fehlerhaft? Hat die Maschinengeschwindigkeit einen Einfluss auf die Qualität meines Bauteils? etc.

[0005] Aufgrund dieser Einschränkung analysieren und optimieren Produktionen ihre Bauteilqualität immer noch manuell durch erfahrene Prozessexperten. Damit sind Produktionen äußerst abhängig von einzelnen Mitarbeitern, die ihre Maschinen gut kennen und den Prozess intuitiv verbessern. Dieser unsystematische Ansatz verursacht erhebliche Zusatzkosten durch ineffiziente Prozesse, unzureichende Bauteilqualität und das Risiko, dass bestimmte Mitarbeiter nicht verfügbar sind.

[0006] Mit anderen Worten liegen die Einschränkungen in Bezug auf Bauteilanalysen darin begründet, dass Sensorwerte und Maschinenparameter, die während der Fertigung von Bauteilen generiert werden, im Stand der Technik nicht so gesammelt, gespeichert und strukturiert werden, um Fragen nach der Bauteilqualität einfach und schnell beantworten zu können. So werden Produktionsdaten typischerweise nur mit einem Zeitstempel gespeichert. WH man nun einem Phänomen an einem bestimmten Ort im Bauteil auf den Grund gehen, z.B. der Frage nachgehen, warum an einer bestimmten Stelle des Bauteils eine Pore oder eine Delamination auftritt, benötigt man in der Regel die Produktionsdaten von der Bauteilstelle, an der das Phänomen auftritt. Dabei würde ein Zeitstempel nur indirekt helfen, falls irgendwo die Maschinenposition mit einem hochpräzisen, synchronisierten Zeitstempel, der in den allermeisten Fällen noch nicht einmal zur Verfügung steht, gespeichert ist und man die verschiedenen Sensorwerte und Maschinenparameter über die Zeitstempel kombinieren kann. Mit dieser Analysestrategie würde man bei großen Datenmengen allerdings extrem hohe Rechenleistung benötigen, so dass dieses Vorgehen für große Datenmengen mit gängigen Computern nicht praktikabel ist. Ein Grund für diese Schwierigkeit liegt darin, dass in konventionellen Systemen zur Analyse von Produktionsdaten eingesetzte Zeitreihendatenbanken nach der Zeit indiziert und sortiert sind. Eine Suche nach einer Position, um den zugehörigen Zeitstempel zu finden und damit die gesuchten Prozessparameter zu finden, wäre höchst ineffizient. Dadurch ist es beispielsweise bei hochfrequenten Prozessmesswerten mit bekannten Mitteln unmöglich, zwei identische Bauteile ortsbezogen miteinander zu vergleichen, das heißt zum Beispiel eine Frage der Art „Haben zum Zeitpunkt der Produktion von Bauteil 1 an der Stelle (x, y, z) in Bauteil 1 die gleichen Prozessbedingungen geherrscht wie an der gleichen Stelle in Bauteil 2 zum Zeitpunkt der Produktion von Bauteil 2?“. [0007] Die Ursache für Schwierigkeiten bei Analysen in Bezug auf einzelne Bauteile oder einen Bauteiltyp liegt darin, dass entweder Ortsinformation von Produktionsdaten von heutigen IT -Lösungen nicht erfasst, gespeichert und zur Analyse verwendet wird und somit ortsbasierte Analysen hinsichtlich eines Bauteils nicht durchgeführt werden können bzw. einen erheblichen Mehraufwand in der Datenverarbeitung erzeugen würden, oder die Ortsinformationen nicht verwendet werden um die Daten dahingehend zu strukturieren und durchsuchbar zu machen. Der Begriff Ortsinformation bezieht sich hierbei, wie im Folgenden noch erläutert wird, auf die Stelle, an dem ein Bauteil in einem bestimmten Fertigungsschritt bearbeitet wird.

[0008] Die Strukturierung von Ortsdaten wird zum Beispiel auf dem Gebiet der Geo- Informationen angewandt. Geo-Daten werden zum Beispiel als Punktwolke („point cloud“) gespeichert, zum Beispiel zum Zwecke der Visualisierung eines 3D-Scan einer Landschaft oder über Längen- und Breitengrade (also 2D) zur Analyse. Für Analysen werden hierbei Technologien wie zum Beispiel die Indizierung von 2D-Ortsdaten in einem Key-Val ue-Store verwendet. Eine derartige Verwaltung Strukturierung von Produktionsdaten, erst recht nicht mit 3D-lnformationen, ist jedoch im Stand der Technik nicht bekannt.

[0009] Im Stand der Technik sind, zum Beispiel in Zusammenhang mit 3D Druck Verfahren, bekannt, Produktionsdaten an X-Y Positionen in bestimmten Schichten(„layer“) bei der Bearbeitung eines Werkstücks aufzuzeichnen. Hierbei handelt es sich nicht um vollständige 3D Daten insofern, als ein direkter Vergleich mit Daten aus anderen 3D Quellen schwierig ist, wenn andere 3D Datenquellen, wie z.B. aus dem Bereich der Computertomographie (CT) vollständige 3D Positionen und zugehörige Daten darstellen, die auch zwischen einzelnen Schichten liegen können. In diesem Zusammenhang ist ein Datenabgleich in 2 Dimensionen separat für jede Schicht üblich, was jedoch kein originärer Vergleich in einem 3D Datenraum darstellt. Die Schichten basierte Datenerfassung und Analyse ist nur für bestimmte Fertigungsverfahren üblich und somit in der Anwendung eingeschränkt.

[0010] Aus herkömmlichen Verfahren zur Verarbeitung und Analyse von Produktionsdaten sind ein Vergleich von Ist- und den Soll-Werten betreffend die Maße eines Werkstückes oder anderer Eigenschaften an bestimmten Stellen des Werkstücks bekannt. Zur Bestimmung von Soll-Werten wird hierbei zum Beispiel auf eine Referenzmodell und/oder CAD Modell des Werkstücks Bezug genommen. In den hierin beschriebenen neuartigen Verfahren zur Strukturierung und Verarbeitung von Produktionsdaten werden Daten aus unterschiedlichen Produktionsschritten eines Werkstücks basierend auf deren Ortsinformation verglichen, wobei die jeweiligen Produktionsdaten und Ortsdaten während der jeweiligen Prozessschritte erfasst werden. Eine CAD Modell ist hier nicht unbedingt erforderlich. Ebenso sind die hierin beschriebenen Verfahren nicht auf den Vergleich Ist- und Soll-Werten (letztere einem Referenz- oder CAD Modell entnommen) beschränkt.

[0011] Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Mittel zur systematischen Analyse und zur Verbesserung der Qualität von Bauteilen bereitzustellen.

Zusammenfassung

[0012] Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Abhängige Ansprüche geben Ausführungsformen dieser Erfindung an.

[0013] Eine Ausführungsform betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses, umfassend: Erfassen von Prozessdaten, aus ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses, für ein Bauteil, das in den ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses verwendet wird, derart, dass die Prozessdaten einer Stelle an dem Bauteil zuordenbar sind, an der das Bauteil in einem bestimmten Fertigungsschritt bearbeitet wird; Erfassen von Ortsdaten, die einen Ort an dem Bauteil angeben, dem die Prozessdaten zugeordnet sind; Speichern, in einer Datenbank, der Prozessdaten zusammen mit den Ortsdaten, um einen Datensatz eines digitalen Zwillings des Bauteils zu erhalten, wobei die Prozessdaten und die Ortsdaten über einen Ortsindex strukturiert werden; und Verwenden des Datensatzes des digitalen Zwillings zur Analyse des Fertigungsprozesses.

[0014] Die Zuordnung von Prozessdaten zu bestimmten Orten eines Bauteils ermöglicht in einer Serienfertigung, zum Beispiel den ortsgenauen Vergleich von Produktionsdaten zu Bauteilen vorzugsweise des gleichen Typs, die Erkennung von Abweichungen und Fehlern in Bauteilen, und die Analyse von Fehlerursachen und die Bestimmung von Maschinenwartung.

[0015] In einer Ausführungsform wird das Erfassen der Prozessdaten und das Erfassen der Ortsdaten im Wesentlichen gleichzeitig bzw. gleichzeitig als Antwort auf ein Master- Trigger-Ereignis ausgelöst.

[0016] Dies hat den Vorteil, dass als Antwort auf das Master-Trigger Ereignis gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig ausgelesene Daten einer bestimmten Ortskoordinate an dem aktuell gefertigten Bauteil unmittelbar zugeordnet werden können, und somit eine Fusion von Produktionsdaten, d.h. eine Zusammenführung von Daten, die einem im Wesentlichen gleichen Ort eines gefertigten Bauteils zugeordnet werden können zusammengehörig sind, aber unabhängig von Sensoren erfasst, ausgelesen und gespeichert werden, vereinfacht werden kann.

[0017] In einer Ausführungsform wird mit den Prozessdaten und den Ortsdaten jeweils ein Zeitpunkt der Erfassung in der Datenbank gespeichert.

[0018] Dies hat den Vorteil, dass Produktionsdaten die gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig erfasst werden, später in einem Schritt des Fusionierens als zusammengehörig anhand eines im Wesentlichen gleichen oder gleichen Zeitstempels erkannt werden.

[0019] In einer Ausführungsform umfassen die Prozessdaten Messwerte, deren räumliche Zuordnung dem Ort einer Messung an dem Bauteil entspricht. Z.B. beim Fräsen würde man die Umdrehungsgeschwindigkeit der Frässpindel an einem bestimmten Ort erfassen und könnte Defekte einer späteren Sichtprüfung auf Schwankungen der Umdrehungsgeschwindigkeit zurückführen.

[0020] In einer Ausführungsform umfasst das Erfassen von Prozessdaten ferner: Empfangen von Messdaten von einem oder mehreren Sensoren, die den Fertigungsprozess überwachen und/oder von Parametern ein oder mehrerer Maschinen, die in dem Fertigungsprozess verwendet werden; wobei die Messdaten Messwert und Zeitpunkt einer Messung umfassen und jeweils einem Ort an dem Bauteil zuordenbar sind, an dem die Messdaten erfasst wurden; und wobei die Parameter Wert und Zeitpunkt einer Verwendung der Parameter umfassen und jeweils einem Ort an dem Bauteil zuordenbar sind, an dem die Maschinen angewendet wurde.

[0021] Dies hat den Vorteil, dass die von den Messwerten bestimmten zum Zeitpunkt der Produktion herrschenden Bedingungen und eingestellten Maschinenparameter im Detail für jedes einzelne Bauteil nachvollziehbar sind. Dies ist insbesondere zur Qualitäts- und Fehleranalyse einzelner Bauteile, und zur Bestimmung von Fehlerursachen hilfreich, da unter anderem festgestellt werden kann welchen Einfluss Maschinenparameter auf Messwerte haben.

[0022] In einer Ausführungsform sind Ortsdaten Grundlage für den Ortsindex, wobei die Datenbank eine räumliche oder raumzeitliche Datenbank, d.h. eine Datenbank deren Implementierung darauf ausgelegt ist, spatiale oder spatio-temporale Daten effizient zu speichern, suchen und analysieren, ist und optional eine Implementierung des Ortsindex auf einem N-Baum basiert.

[0023] Der Ortsindex ermöglicht einen effizienten Zugriff auf zusammengehörige Produktionsdaten, d.h. auf Produktionsdaten, die das Zustandekommen eines Fertigungsergebnisses an einem bestimmten Ort eines Bauteils im Laufe eines Fertigungsprozesses beeinflussten. Mit anderen Worten, ermöglicht das hierin beschriebene Verfahren und die hierin beschriebene Strukturierung der Prozess- und Ortsdaten über einem Ortsindex quasi eine „Rückwärtssuche“, also das Suchen nach Eigenschaften während eines Produktionsschritts an einem bestimmten Ort eines Bauteils und nicht lediglich, wie etwa in herkömmlichen Verfahren, den Ort bzw. die Stelle, an der eine bestimmte Eigenschaft eines Bauteils bzw. ein Zustand während der Fertigung eintrat („Vorwärtssuche“). Diese Möglichkeit der „Rückwärtssuche“ ausgehend von einem bestimmten Ort hin zu den Eigenschaften dieses Orts zu bestimmten Produktionsschritten, eröffnet die Möglichkeit vollkommen neuartiger Anwendungen, die im Folgenden beschrieben werden.

[0024] Eine „Vorwärtssuche“, die in den hierin beschriebenen Verfahren sowie in herkömmlichen Verfahren zur Strukturierung und Verarbeitung von Produktionsdaten möglich ist, zielt zum Beispiele darauf ab, für einen bestimmter Wert in den Produktionsdaten zu bestimmen, and welcher Stelle eines Bauteils und in welchem Fertigungsschritt dieser Wert, zum Beispiel eine überhöhte Temperatur oder eine zu niedrige Geschwindigkeit bei der Bearbeitung, aufgetreten ist. Für bestimmte Anwendungen, ist diese „Vorwärtssuche“ aus folgenden zwei Überlegungen nicht zielführend: Erstens werden viele Bauteile mit unterschiedlichen Einstellungen produziert. Zum Beispiel ist die Geschwindigkeit eines Roboters der ein Bauteil durch Fräsen herstellt, an einem Ort schnell und an einem anderen langsam. Es also nicht zielführend in den Produktionsdaten nach dem unterschreiten einer bestimmten Robotergeschwindigkeit zu suchen, da das unterschreiten einer bestimmten Geschwindigkeit an bestimmten Stellen des Werkstücks erwünscht sein kann. Mit anderen Worten, es kann beabsichtigt sein, die Programmierung eines Roboters derart vorzusehen, dass dieser an manchen Stellen eines Werkstücks mit geringer Geschwindigkeit arbeitet und an anderen Stellen mit hoher Geschwindigkeit. Somit wäre eine Methode basierend auf einer „Vorwärtssuche“ zum Erkennen von vermeintlichen Defekt-Indikationen (z.B. langsame Roboter-Geschwindigkeit) viel zu tolerant (falls eine deutlich zu niedrige Geschwindigkeit als kritisch angenommen würde, könnten Defekte übersehen werden), oder zu ungenau (falls eine zu hohe Geschwindigkeit als kritisch angenommen würde, könnten viele Stellen ohne Defekt als möglicherweise defekt ausgewiesen werden). Somit ist für eine derartige Anwendung ein ortsselektives Verfahren zum Vergleich und zur Suche von Produktionsdaten wünschenswert.

Zweitens, ist häufig nicht bekannt, welche Eigenschaften in Produktionsdaten als einerseits vorteilhaft oder andererseits indikative für Defekte sind. Die Kenntnis, welche Werte und Eigenschaften als vorteilhaft oder als Indiz für einen Defekt zu bewerten sind kann erst ermittelt werden, wenn Eigenschaften aus anderen, zum Beispiel nachgelagerten Prozessschritten, bekannt sind und mit Prozessdaten aus dem vorherigen Herstellungsprozess korreliert werden. Zum Beispiel können Daten aus einer nachgelagerten Untersuchung mittels Computertomographie mögliche Defekte und deren Positionen bzw. Stelle an dem Werkstück bzw. Bauteil ermitteln und mögliche Ursachen des Defekts im Produktionsprozess durch Korrelation mit ortsbasierten Produktionsdaten und Eigenschaften ermitteln. Dieses neuartige Verfahren ist nur dann durchführbar, wenn Prozessdaten aus unterschiedlichen Prozessschritten „über den Ort“ bzw. Punkt für Punkt ortsgenau effizient verglichen werden können.

[0025] Das Einsatz eines Ortsindexes im vorliegenden Anwendungsbereich der Produktionsdatenerfassung und -analyse basierend auf Datenstrukturen, die zum Beispiel im Bereich von Geo-Datenbanken angewendet werden, sei im Folgenden weiter veranschaulicht: Bei Verwendung einer herkömmlichen Tabelle und Indexstruktur, z.B. eine Tabelle mit Produktionsdaten umfassend eine Spalte für die Zeit und jeweils eine Spalte für x, y und z, Koordinaten, ist es möglich, bestimmte Einträge für eine gegebene x, y und z Position zu bestimmen. Allerdings muss man ohne einen Ortsindex die gesamte Tabelle einmal durchsuchen um zu bestimmen, welcher x, y, z Wert am nächsten an der gesuchten Position ist. In typischen Fällen wird ein Wert mit identischen Koordinaten bei realen Daten nicht auftreten. Damit müssten sehr viele Suchschritte ausgeführt werden, in einer Größenordnung, die linear in der Anzahl der Zeilen in der Tabelle ist. Wenn man, zum Beispiel alle Positionen aus einer ersten Tabelle mit allen Positionen aus einer zweiten Tabelle vergleichen will und jede dieser Tabellen 1 Millionen Einträge hat, würde es dazu führen, dass man 1 Millionen hoch 1 Millionen (= 1 Trillion) Suchschritte ausführen müsste. Dazu müsst man bei jedem Vergleich den Satz des Pythagoras anwenden, um die Distanzen für jede Zeile zum gesuchten Punkt zu berechnen, was zum Beispiel jeweils eine Wurzel-Operation („square root“), 2x Quadrieren und einer Addition umfasst. In typischen Fällen mit umfangreichen Datensätzen könnte es bedeuten, dass die Berechnungen auf herkömmlichen Computern mehrere Monate, wenn nicht Jahre benötigen würden, weshalb herkömmliche Verfahren zur Organisation und Speicherung von Produktionsdaten nicht geeignet sind, um beispielsweise einen Vergleich von Produktionsdaten in einem 3D Koordinatenfeld effizient durchzuführen.

[0026] In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner: Fusionieren von Prozessdaten, die jeweils einem gleichen Ort zuordenbar sind, basierend auf erfassten Ortsdaten; und/oder Fusionieren von Prozessdaten, die zu gleichen oder im Wesentlichen gleichen Zeitpunkten erfasst wurden, basierend auf einem Zeitpunkt der Erfassung der jeweiligen Prozessdaten.

[0027] Das Fusionieren von Prozessdaten ermöglicht dies Verwendung von Schlüssel- Werte Datenbanken als effizienten Implementierung zur Speicherung und zum Abruf von Fertigungsdaten für die hierin beschriebenen Analysen.

[0028] In einer Ausführungsform umfasst gibt ein Messwert eine Temperatur und/oder Dichte des Bauteils an dem jeweiligen Ort der Messung an. So können beispielweise Messungen einer computertomographischen Untersuchung mit Messwerten aus dem Herstellungsprozess eines Bauteils verglichen werden, um beispielweise die Porenbildung durch Temperatureinflüsse zu quantifizieren. [0029] In einer Ausführungsform sind die Prozessdaten Temperaturdaten und die Parameter umfassen eine Leistungsaufnahme, eine Geschwindigkeit, eine Drehung und/oder einem Anpressdruck ein oder mehreren im Fertigungsprozess verwendeter Maschinen. Dadurch kann der Zusammenhang zwischen sich beeinflussenden Parameter untersucht und quantifiziert werden um Überwachungen weniger sensibel zu machen um weniger überflüssigen Ausschuss zu erzeugen, da z.B. bei Prozessen wie der Carbon-Faser-Ablage Temperatur, Geschwindigkeit und Anpresskraft in engem Zusammenhang stehen (mit höhere Geschwindigkeit benötigt man höhere Anpresskraft und Temperatur, mit geringere Anpresskraft benötigt darf die Temperatur nicht zu hoch sein, etc.). Somit ist eine deutlich effizientere Analyse möglich als eine einfach Schwellwertüberwachung einzelner Parameter.

[0030] In einer Ausführungsform wird die Leistungsaufnahme für eine Lasermaschine in einer bestimmten Frequenz gemessen, bei der ein Metallteil des Bauteils schmilzt, und die Daten über die Leistungsaufnahme der Lasermaschine ferner auf räumlichen Koordinaten abgebildet werden, die angeben, wo das Schmelzen des Metallteils an dem Bauteil zu einem bestimmten Zeitpunkt stattfindet. Damit lässt sich unter anderem überprüfen ob Fehlstellen mit Schwankungen der Laserleistung Zusammenhängen.

[0031] In einer Ausführungsform ist der Fertigungsprozess ein additiver, subtraktiver oder umformender Prozess und die ein oder mehreren Maschinen umfassen mindestens eine mechanisch bewegte Maschine.

[0032] Additive, subtraktive oder umformende Prozesse an einem Bauteil erfordern hohe mechanische Präzision bei der Führung des bearbeitenden Werkzeugs. Mechanisch bewegte Maschinen unterliegen dem Verschleiß und bedürfen fortwährender Kontrolle und Justierung, um gleichbleibend hohe Qualität der gefertigten Bauteile zu ermöglichen. Gerade in diesem Bereich ist die ortgenaue Qualitätskontrolle einzelner Bauteile nach der Fertigung ein wesentlicher Faktor zur frühzeitigen und präzisen Erkennung und Bestimmung des Bedarfs an Maschinenwartung. Da der Maschinenzustand sich ortsbezogen ändern kann, z.B. durch Eigenlast und Hebel, ist die Feststellung von Unterschieden im Maschinenverhalten auch nur an denselben oder ähnlichen Orten sinnvoll. Z.B. kann es über den gesamten Arbeitsraum normal sein, dass ein Roboter mit einer Leistungsaufnahme zwischen 3.9 kVA und 4.05 kVA läuft. Daran lässt sich dann nicht abschätzen ob Teile verschlissen sind, da die Schwankungsbreite als über die gesamte Bearbeitung eines Bauteils normal angesehen wird. An einem dedizierten Ort eines Bauteiletyps, ist die Schwankungsbreite der Leistungsaufnahme für unterschiedliche Bauteile des Bauteiltyps typischerweise viel geringer, so dass Abweichungen unter den einzelnen Bauteilen sich feststellen lassen und sich damit Wartungsbedarf einer Maschine viel früher und präziser Vorhersagen lässt.

[0033] In einer Ausführungsform umfasst die Analyse des Fertigungsprozesses ein oder mehrere von Folgenden: Partitionieren eines zu visualisierenden Raumes in diskrete Raumbereiche, für jeden Raumbereich Vorauswertung von jeweils dem Raumbereich zugeordneten Produktionsdaten, wobei die Vorauswertung auf Informationen aus dem Ortsindex basiert und der Ortsindex aggregierte Informationen über Messdaten enthält; Vergleichsanalyse des digitalen Zwillings mit einem digitalen Zwilling eines anderen Bauteils vom selben Bauteiltyp; und Vergleich des Datensatzes des digitalen Zwillings des Bauteils eines Bauteiltyps mit einem Referenzmodell für den Bauteiltyp; und Visualisieren des digitalen Zwillings bzw. optional Visualisierung einzelner Raumbereiche des digitalen Zwillings gemäß den Ergebnissen der Vorauswertung. Weiter Optional, werden aggregierte Information gemäß der Vorauswertung im Ortsindex erfasst und geben Auskunft zum Beispiele über eine Summe von Messwerten, das arithmetische Mittel der Messwerte, den minimalen oder den maximalen Messwert in einem (Teil-) Raumbereich der spatialen oder spatio- temporalen Produktionsdaten.

[0034] In einer Ausführungsform wird das Referenzmodell basierend auf einer Mehrzahl von Datensätzen von digitalen Zwillingen von Bauteilen des Bauteiltyps derart erstellt, dass das Referenzmodell statistische Werte von korrespondierenden Prozessdaten aus der Mehrzahl von Datensätzen von digitalen Zwillingen angibt. In dem Referenzmodell werden somit Gemeinsamkeiten von Bauteilen, Normalwerte von Produktionsdaten und zulässige Abweichungen festgehalten. Dies ermöglicht es, bei einem Vergleich eines konkreten Bauteils, bzw. bei einem Abgleich der in dessen virtuellen Bauteilzwillingen erfassten Produktionsdaten, mit dem Referenzmodell, untypische Abweichungen jenseits der in dem Referenzmodell erfassten Normwerte erkannt und als möglicher Ursachen für Qualitätsmängel im konkreten Bauteil bestimmt werden. [0035] In einer Ausführungsform ist das Referenzmodell Ergebnis einer oder mehrerer Simulationen, die für bestimmte Orte an einem Bauteil eine Vorhersage treffen. Dadurch lassen sich simulierte Bauteile mit realen Bauteilen detailliert vergleichen um Abweichungen in beide Richtungen festzustellen und zum Optimieren zu verwenden. In der einen Richtung kann es darauf hinweisen, dass das Bauteil nicht in Ordnung ist. In der anderen Richtung kann es darauf hinweisen, dass die Simulation die Realität noch nicht genau genug abbildet.

[0036] In einer Ausführungsform wird die Vergleichsanalyse zur Bestimmung von Abweichungen einer Fertigungsgenauigkeit unter mehreren Bauteilen desselben Bauteiltyps verwendet und Ergebnisse der Vergleichsanalyse werden zur Vorhersage von Maschinenwartung und/oder zur Bestimmung einer Qualität eines Bauteils verwendet. Dadurch können Wartungsarbeiten an der Maschine oder Reparaturen am Bauteil zeitlich besser geplant werden und die Wahrscheinlichkeit für Qualitätsunterschreitungen am Endbauteil durch statistisch verteilte Fehler in nachfolgenden Fertigungsschritten berechnet werden um Bauteile frühzeitig präventiv zu reparieren oder auszuschleusen.

[0037] Eine Ausführungsform betrifft eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses, umfassend: Datenverarbeitungsvorrichtung; und Speichervorrichtung in Verbindung mit der Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Speichervorrichtung Anweisungen speichert, die, wenn sie auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, bewirken, dass die Datenverarbeitungsvorrichtung Operationen durchführt, die Folgendes umfassen: Erfassen von Prozessdaten, aus ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses, für ein Bauteil, das in den ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses verwendet wird, derart, dass die Prozessdaten einem Ort an dem Bauteil zuordenbar sind; Erfassen von Ortsdaten, die einen Ort an dem Bauteil angeben, dem die Prozessdaten zugeordnet sind; Speichern, in einer Datenbank, der Prozessdaten zusammen mit den Ortsdaten, um einen Datensatz eines digitalen Zwillings des Bauteils zu erhalten; und Verwenden des Datensatzes des digitalen Zwillings zur Analyse des Fertigungsprozesses. Weitere Ausführungsformen der Vorrichtung umfassen ferner Anweisungen, die die Vorrichtung gemäß dem hierin beschriebenen computerimplementierten Verfahren zur Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses steuern. [0038] Eine Ausführungsform betrifft ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, folgende Schritte auszuführen: Erfassen von Prozessdaten, aus ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses, für ein Bauteil, das in den ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses verwendet wird, derart, dass die Prozessdaten einem Ort an dem Bauteil zuordenbar sind; Erfassen von Ortsdaten, die einen Ort an dem Bauteil angeben, dem die Prozessdaten zugeordnet sind; Speichern, in einer Datenbank, der Prozessdaten zusammen mit den Ortsdaten, um einen Datensatz eines digitalen Zwillings des Bauteils zu erhalten; und Verwenden des Datensatzes des digitalen Zwillings zur Analyse des Fertigungsprozesses. Weitere Ausführungsformen des computerlesbaren Speichermediums umfassen ferner Befehle, die den Computer zu weiteren Schritten gemäß dem hierin beschriebenen computerimplementierten Verfahren zur Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses veranlassen.

Liste der Figuren

[0039] FIG. 1A zeigt ein Bauteil mit einer Markierung eines bestimmten Ortes an dem Bauteil.

[0040] FIG. 1 B zeigt einen Graphen, der die Temperatur des Bauteils während des Herstellungsprozesses entlang des Zeitverlaufs der Fertigung angibt.

[0041] FIG. 1C zeigt die Visualisierung eines 3D Modells eines Bauteils, d.h. eines digitalen Bauteilzwillings, bei dem jeder Ort des Bauteils entsprechend einer dort zu einem bestimmten Zeitpunkt (z.B. der Zeitpunkt an dem der Laser beim metallischen 3D Druck das Pulver aufschmilzt) gemessenen Temperatur farblich gekennzeichnet ist.

[0042] FIG. 2 zeigt eine Ansicht eines Bauteilzwillings mit detaillierter Darstellung von Daten aus dem Fertigungsprozess zugehörig zu einem bestimmten Ort des Bauteils.

[0043] FIG. 3A-E zeigen die schrittweise Erfassung von Daten eines Fertigungsprozesses für ein Bauteil anhand der Visualisierung eines entsprechenden Bauteilzwillings einschließlich bereits erfasster Daten. [0044] FIG. 4 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens zur Erfassung von Daten eines Fertigungsprozesses.

[0045] FIG. 5 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens zur Erfassung und Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses.

[0046] FIG. 6A und 6B zeigen je eine Visualisierung von unterschiedlichen Bauteilzwillingen desselben echten Bauteils.

[0047] FIG. 6C zeigt eine Visualisierung einer Überlagerung der digitalen Bauteilzwillinge auf FIG. 6A und 6B.

[0048] FIG. 7A zeigt ein echtes Bauteil mit einem Fehler.

[0049] FIG. 7B zeigt einen Computer und eine Anwendung zur Darstellung von digitalen Bauteilzwillingen des echten Bauteils aus FIG. 7A zur Fehleranalyse.

[0050] FIG. 8 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens zur Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses.

[0051] FIG. 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Erstellung eines Referenzmodells.

[0052] FIG. 10 zeigt ein Flussdiagramm, eines Verfahrens zur statistischen Analyse eines Referenzmodells.

[0053] FIG. 11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur konstanten Überarbeitung oder Optimierung eines Referenzmodells.

[0054] FIG. 12 zeigt eine Übersicht über System zur Fertigung eines Bauteils einschließlich einer Datenverarbeitungsvorrichtung und Speichervorrichtung zur Verarbeitung von Daten des Fertigungsprozesses des Bauteils. Detaillierte Beschreibung

[0055] Zur Bereitstellung von systematische Analysen und Verbesserungen hinsichtlich der Qualität von Bauteilen, ist ein wesentlicher Aspekt der hierin beschriebenen Technologie, gemeinsam mit Produktionsdaten zu einem Bauteil auch einen Ort an dem Bauteil und/oder einen Zeitpunkt der Verarbeitung bzw. der Bearbeitung eines Bauteils an einem jeweiligen Ort des Bauteils, zu erfassen. Die Erfassung dieser Daten ermöglich sogenannte ortsbasierte Analysen einzelner Bauteile, von Serien gleicher Bauteile, und der Maschinenfunktion bzw. -verschleiß. Mit anderen Worten, die Strukturierung von Produktionsdaten gemäß einer Bauteilposition macht diese Daten nutzbar zur Erstellung von digitalen Bauteilzwillingen für Anwendungen und Analysen im Produktionsumfeld. Diese Erfassung digitaler Bauteilzwillinge und deren Anwendung zur Durchführung unterschiedlicher Analysen eines Fertigungsprozesses wird im Folgenden genauer beschrieben.

[0056] Ein Fertigungsprozess kann zum Beispiel ein additiver, subtraktiver oder umformender Prozess sein und, zum Beispiel, ein oder mehreren Maschinen involvieren, von denen mindestens eine Maschine eine mechanisch bewegte Maschine ist.

[0057] Der Begriff Datenquelle bezeichnet Einrichtungen, wie z.B. Sensoren, die Daten erzeugen, die man direkt oder indirekt einem bestimmten Ort in einem Bauteil zuordnen kann. Das können Messwerte von externen Sensoren sein, von internen Sensoren, Soll- Werte der Anlagensteuerung, Einstellungen der Maschine (z.B. einer Geschwindigkeitsvorgabe), etc.

[0058] Der Begriff Bauteil und Werkstück werden hierin im Wesentlichen gleichbedeutend verwendet. Der Begriff Bauteilposition bezeichnet einen Ort im Bauteil, Punkt im Bauteil, Stelle im Bauteil, Bereiche im Bauteil, Position (x, y, z).

[0059] Der Begriff Produktionsdaten wird im Wesentlichen gleichbedeutend zum Begriff der Daten eines Fertigungsprozesses und bzw. zum Begriff der Prozessdaten verwendet. Produktionsdaten umfassen zum Beispiel Messwerte, deren räumliche Zuordnung einer Messung an der jeweiligen Stelle an dem Bauteil entspricht, zum Beispiel einer Temperatur, einem Druck, und/oder einer Dichte eines Bauteils an dem jeweiligen Ort der Messung. Messdaten können beispielweise auch beobachtete Maschinegeschwindigkeit, Stromverbrauch eines Lasers sein. Ferner umfasst sind Parametern ein oder mehrerer Maschinen, die in dem Fertigungsprozess verwendet werden, z.B. Steuerdaten einer Maschine, d.h. eingestellte Maschinengeschwindigkeit, Anpressdruck, etc.

[0060] Zur ortsbasierten Analyse werden Produktionsdaten eines Bauteils ortsbasiert strukturiert und abgespeichert, um Auswertungen bezüglich bestimmter Orte im Bauteil in Realzeit, d.h. in der Größenordnung von wenigen Millisekunden bis zu wenigen Sekunden, zu ermöglichen. Motivation für ortsbasierte Daten und das Prinzip ortsbasierter Daten und deren Visualisierung ist am Beispiel von Figuren 1A bis 1C veranschaulicht.

[0061] FIG. 1A zeigt ein physisches Bauteil 110 mit einer Markierung eines bestimmten Ortes 120 an dem Bauteil. Mögliche Produktionsdaten, die diesem Punkt dieses bestimmten einzelnen Bauteils zugeordnet sein können, sind zum Beispiel ein oder mehrere Temperaturmesswerte an einem oder entsprechend mehreren Fertigungsschritten dieses Bauteils.

[0062] FIG. 1 B zeigt einen Graphen 130, der eine Temperatur des Bauteils 110, z.B. über den gesamten Fertigungsschritt, entlang des Zeitverlaufs t der Fertigung des Bauteils angibt. An der Darstellung in FIG. 1 B lassen sich Temperatur und Zeit ermitteln, nicht jedoch der präzise Ort an dem Bauteil, an dem die Temperatur erfasst wurde.

[0063] FIG. 1C zeigt die Visualisierung eines 3D Modells eines Bauteils, d.h. eines digitalen Bauteilzwillings, bei dem jeder Ort des Bauteils entsprechend einer dort zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessenen Temperatur visuell, d.h. mit unterschiedlicher Farbe oder Graustufe, gekennzeichnet ist. An der Darstellung in FIG. 1C lassen sich Ort und Temperatur ermitteln und auch der Zeitpunkt. Es lässt sich allerdings andersherum nicht nach Daten eines bestimmten Zeitpunkts suchen.

[0064] Die erfindungsgemäße ortsbasierte Erfassung und Speicherung jeglicher Produktionsdaten für jegliches in Form von „digitalen Bauteilzwillingen“ ermöglich die Visualisierung dieser Bauteilzwillinge als 3D-Punktewolken, und damit verbunden Analysen. [0065] Die Strukturierung nach Ortsdaten bedeutet, dass eine Vielzahl von Prozessdaten für ein einzelnes Bauteil derart gespeichert und verwaltet werden, dass, für einen bestimmten Ort an einem bestimmten einzelnen Bauteil, sämtliche Prozessdaten, d.h. Prozessdaten verschiedener Fertigungsschritte, effizient abgerufen werden können.

[0066] Technologien zu Speicherung und Verwaltung dieser Daten sind zum Beispiel sogenannte Schlüssel-Werte-Datenbanksysteme („key-value database“) wie etwa RocksDB und Couchbase, oder generell No-SQL-Datenbanken. Konkret wird aus den Raumkoordinaten und optional einer eindeutigen Kennung eines Bauteils ein eindeutiger Wert berechnet, der als Schlüssel in einem Datensatz der Schlüssel-Werte-Datenbank dient. Optional ist der eindeutige ein Hash-Wert. Jener Schlüssel („key“) ist mit einem Wert („value“) assoziiert, der zugehörige Produktionsdaten angibt, zum Beispiel Messwerte und/oder Maschinenparameter. Einzelne Messwerte und/oder Maschinenparameter sind optional wiederum jeweils mit entsprechenden Zeitstempeln assoziiert, zu denen die Werte erfasst bzw. eingestellt waren. In einem Schlüssel-Werte- Datenbanksystem können Produktionsdaten von einem einzelnen Bauteil, von mehreren Bauteilen eines Bauteiltyps, oder von mehreren Bauteilen unterschiedlichen Typs enthalten sein. In letzteren beiden Fällen muss die Datenorganisation derart sein, dass Daten, die mit einem einzelnen Bauteil assoziiert sind, effizient bestimmt und selektiert werden können. Zum Beispiel kann die ID eines Bauteils in den Schlüssel codiert sein.

[0067] Alternativ oder ergänzend zu einer Schlüssel-Werte-Datenbank können andere Datenbanksysteme zur Speicherung und Verwaltung verwendet werden, sofern sie folgende wesentliche Eigenschaften ermöglichen. Wesentlich für derartige Systeme und das unterliegende Datenmodell ist, dass ein Abruf von Daten zu einem bestimmten Ort an einem bestimmten Bauteil effizient stattfinden kann. In einer möglichen Implementierung werden hierzu Daten als Schlüssel-Werte Paar organisiert, und eine Serie von Daten über einen entsprechenden Index effizient suchbar gemacht. Dieser Index wird als hierin Ortsindex bezeichnet, da die Indizierung über den Schlüssel, der im wesentlichen Ortsinformation wiedergibt, stattfindet.

[0068] Diese Strukturierung von Produktionsdaten gemäß Ihrer zugeordneten Ortsinformation, ermöglicht es in einem Produktionsumfeld Prozessdaten bzgl. ihres Orts im Bauteil schnell und einfach zu visualisieren und zu suchen. Eine mögliche Darstellung der Daten, die zu einem einzelnen Bauteil gehören, ist eine Art 3D-Punkte-Wolke („point cloud“), die als „digitaler Bauteilzwilling“ bezeichnet wird.

[0069] Das Speichern von Prozessdaten zusammen mit den Ortsdaten innerhalb einer Datenbank umfasst somit das Strukturieren der Prozessdaten und der Ortsdaten über einen Ortsindex.

[0070] FIG. 2 zeigt eine Ansicht eines Bauteilzwillings mit detaillierter Darstellung von Daten aus dem Fertigungsprozess zugehörig zu einem bestimmten Ort des Bauteils. Mit einer ortsbasierten Datenstrukturierung kann für einen bestimmten Ort in einem Bauteil (z.B. obere rechte Ecke) des Bauteils in FIG. 2 Prozessparameter wie z.B. die Frässpindelgeschwindigkeit oder die Temperatur ausgeben lassen bzw. diese zum Beispiel in einer dreidimensionalen Falschfarben-Darstellung, wie in FIG. 5 gezeigt, visualisieren. In der Figur werden einem bestimmten Punkt, die Raumkoordinaten (y, x, z), sowie die Breite und Höhe eines Raumbereichs (Breite, Höhe), und statistische Informationen zu Prozessparameter und Messwerte wie Temperatur, Maschinengeschwindigkeit, Anpressdruck gezeigt. In diesem Beispiel zusätzlich ein Zeitstempel erfasst sowie eine beliebige Markierung (tag). Für eine übersichtliche Visualisierung wird der Raum entlang jeder der drei Dimensionen in diskrete Abschnitte partitioniert und somit zum Beispiel in Raumbereiche von Quader- oder Würfelform unterteilt. Für jeden dieser Raumbereiche werden anhand von, Vorauswertungen der darin umfassten Produktionsdaten, d.h. Produktionsdaten die einem Ort innerhalb des Quaders zugeordnet sind, gebildet, z.B. statistische Auswertungen, Mittelwert oder Min- Max-Wert aller in diesem Raumbereich enthaltenen Daten. Die Visualisierung, d.h. die Farbgebung des Raumbereiches, wird dann entsprechend der bei der Vorauswertung bestimmten Werte festgelegt. Dies hat den Vorteil, dass, je nach Größe bzw. Granularität der Partitionierung in Raumbereiche die Auflösung der 3D-Visualisierung an Computerperformance, Darstellungsmöglichkeiten oder Anwenderwünsche angepasst werden kann.

[0071] FIG. 3A-E zeigen die schrittweise Erfassung von Daten eines Fertigungsprozesses für ein Bauteil anhand der Visualisierung eines entsprechenden Bauteilzwillings einschließlich bereits erfasster Daten. Die Positionskoordinaten eines Werkzeugs werden zum Beispiel während des Fertigungsprozesses eines Bauteils von einer Maschine abgerufen und mit Sensor- oder Maschinendaten (z.B. der Temperatur des Bauteils oder Parameter zur Steuerung des Werkzeugs) fusioniert. In FIG. 3A sind zunächst nur wenige Prozessdaten erfasst, in FIG. 3B bis 3E werden jeweils eine umfassendere Menge von Prozessdaten visualisiert, die dem Fortschreiten des Fertigungsprozesses des konkreten Bauteils zu jeweils aufeinanderfolgenden Zeitpunkten entsprechen.

[0072] In einer Ausführungsform erfolgt das Erfassen der Prozessdaten und das Erfassen der Ortsdaten im Wesentlichen gleichzeitig und werden als Antwort auf ein Master-Trigger-Ereignis ausgelöst. Der Einsatz eines Master-Trigger umfasst, dass neben Sensoren, die Sensorwerte erfassen, auch eine Quelle für Ortsdaten (z.B. x, y, z) vorliegt. Der Master-Trigger löst also jeweils an mindestens zwei Datenquellen eine Datenerfassung aus, zum Beispiel an einem Sensor (Quelle 1) und einer anderen Quelle (Quelle 2) die den Ort erfasst an der der Sensor (Quelle 1) die Sensordaten aufgenommen hat. Beides wird ausgelöst durch dasselbe elektrische Signal des sogenannten Master-Triggers. Die zweite Quelle (Quelle 2) kann zum Beispiel eine Fertigungsmaschine sein, die typischerweise ihre eigene Position oder die des Endeffektors "kennt" bzw. laufend erfasst. Alternativ könnte die zweite Quelle (Quelle 2) auch eine Einrichtung sein, wie zum Beispiel ein Lasertracker (Licht-Laufzeitmessung), oder eine Technologie basierend auf einem Triangulationsmessverfahren, etc.

[0073] Zusammen mit Prozessdaten und Ortsdaten kann in der Datenbank auch jeweils ein Zeitpunkt der Erfassung gespeichert werden. Diese bedeutet zum Beispiel, dass jede Quelle ihre Daten jeweils mit Zeitstempel aufnimmt, insbesondere die Quelle, die den Ort erfasst. Auf Basis dieser Zeitinformation, genannt Zeitstempel, können dann Produktionsdaten fusioniert, d.h. Daten, die aus unterschiedlicher Quelle im Wesentlichen zeitgleich erfasst werden, können als zusammengehörig erkannt werden und somit Sensorwert oder maschinenwert eine zeitgleich erfasste Ortsinformation zugeordnet werden. Dieses sogenannte Fusionieren von Prozessdaten, die zu im Wesentlichen gleichen Zeitpunkten erfasst wurden, basiert auf einem Zeitpunkt der Erfassung der jeweiligen Prozessdaten.

[0074] Bei der Erfassung von Produktionsdaten kann der Ortsbezug direkt oder indirekt hergestellt werden: Zum Beispiel im Fall von Thermokameraaufnahmen eines Bauteils könnte kann man den Ort eines Messwerts über die Pixelkoordinate bestimmten. Der Ortsbezug, d.h. die Assoziierung von Sensordaten mit Ortsdaten kann somit direkt hergestellt werden. Allgemeiner bedeutet dies, dass eine Maschine ihre Produktionsdaten bereits mit einer Ortsinformation zusammen erfasst und übermittelt. Dies ist zum Beispiel bei Industrierobotern denkbar. Prozessdaten, die jeweils einem gleichen Ort zuordenbar sind, können basierend auf erfassten Ortsdaten fusioniert werden.

[0075] Die hierin beschriebenen Technologien können vor allem in der diskreten Bauteilfertigung oder der Inspektion von Bauteilen, Baugruppen oder fertigen Produkten eingesetzt werden. Zum Beispiel gibt es Systeme, die während der Herstellung von metallischen 3D-Druckbauteilen die Temperaturen in einer bestimmten Auflösung schichtweise erfassen und als Bild speichern. Die hierin beschriebenen Technologien können diese Bilder als Eingabe verwenden, um Messdaten ortsgenau anhand der Bilddaten zuzuordnen und somit einen digitalen Bauteilzwilling erstellen, bei dem wir für jeden Ort im Bauteil die Temperaturen speichern (siehe zum Beispiel FIG. 2 und FIG. 3).

[0076] Der Ortsbezug kann aber auch, wie zuvor erläutert, indirekt über die Verwendung und den Abgleich von Zeitstempel hergestellt werden indem Produktionsdaten mit gleichen bzw. im endlichen gleichen Zeitstempeln einem zu diesem Zeitpunkt erfassten Ort zugeordnet werden.

[0077] Die Fusionierung von Daten über einen gemeinsamen Ort, d.h. das Assoziierung von Daten, die zu einem bestimmten Ort an einem einzelnen Bauteil im Laufe eines Produktionsprozesses erfasst werden, kann, zum Beispiel bei der indirekten Assoziierung über einen Zeitstempel, rechnerisch aufwändig sein und die Verarbeitung und Selektion unter einer großen Menge von Produktionsdaten umfassen. Die Fusionierung findet somit in der Regel nicht in einer Realzeit Anfrage statt, sondern ist ein Schritt in Zusammenhang mit der der Speicherung und Verarbeitung von Produktionsdaten, die Zeitnah oder auch zeitlich versetzt zur Erfassung der Produktionsdaten stattfindet.

[0078] Der Prozess zur schrittweisen Erfassung von Produktionsdaten bei der Fertigung eines Bauteils in einem oder mehreren Schritten ist in dem Flussdiagram in FIG. 4 dargestellt. [0079] In Schritt 410 startet ein Fertigungsprozess eines Bauteils A, dessen Daten aufgezeichnet werden sollen. Schritt 420 stellt einen Fertigungsschritt, d.h. die Bearbeitung oder Verarbeitung des Bauteils selbst dar. Für jeden Schritt 420 des Fertigungsprozesses werden zeitgleich in Schritt 430 Sensor- und Maschinenmesswerte sowie -parameter erfasst und zusammen mit einer Referenz gespeichert, die eine spätere Berechnung des Ortes an dem Bauteil zulässt, oder direkt mit einer Bauteilkoordinate. Falls eine Referenz erfasst wird, wird diese Referenz in einem Folgeschritt 440 auf eine jeweilige Bauteil koordinate umgerechnet. Eine Referenz kann zum Beispiel ein Zeitstempel sein. Ortskoordinaten, die ebenfalls mit einem Zeitstempel erfasst werden, erlauben dann die indirekte Zuordnung, über die Referenz auf einen zeitgleichen oder annähernd zeitgleichen Zeitstempel, von Produktionsdaten und Messwerte zu Ortskoordinaten. Schritt 440 wird gefolgt von einer optionalen Transformation 450 der Daten in ein Koordinatensystem des jeweils bearbeiteten Bauteils A. Die Transformation wird z.B. benötigt, wenn für zwei verschiedene Datenquellen verschiedene Koordinatensystem verwendet werden. Wenn z.B. die Daten der Quelle 1 sich auf Ortsangaben vom Roboter beziehen und Daten der Quelle 2 Koordinaten von einem Lasertracker sind. Dann muss man die Koordinaten eines der beiden Systeme in das andere Transformieren (z.B. über eine homogene Transformationsmatrix). Die Transformation ermöglich es somit Fertigungsdaten von gleichen Bauteilen (unterschiedliche Datenquellen; z.B. Temperatur und Dichte), die mit Ortskoordinaten in verschiedenen Koordinatensystemen erfasst sind, effizient zu vergleichen und zu visualisieren. Ferner wird ermöglicht, Daten von unterschiedlichen Bauteilen (mit gleichen Datensets) zu korrelieren.

[0080] Anstatt die erfassten Produktionsdaten bzw. deren Werte auf den jeweiligen Koordinaten zu speichern, könnten die Werte bereits bei der Eingabe/Übertragung auf eine Fläche projiziert werden. Damit entfällt die ggf. rechenaufwändige Koordinatentransformation bei der Datenanalyse. Dieser Schritt ist jedoch nur in speziellen Fertigungsprozessen relevant und schränkt die Analysen, wegen des Verlustes der tatsächlichen Koordinaten, ein.

[0081] Diese parallele Durchführung eines Fertigungsschritts 420, Erfassung von Produktionsdaten und Bestimmung 430 und Umrechnung 440 und 450 von zugeordneten Bauteilkoordinaten wird für ein oder mehrerer Schritte der Fertigung des Bauteils A wiederholt 460, bis schließlich die Fertigung des Bauteils A beendet ist 470. [0082] Durch das Verfahren nach FIG .4 werden alle Prozessdaten, umfassend Messwerte, Maschinenparameter, etc., aus dem gleichen und/oder aus verschiedenen Fertigungsprozessschritten für jedes einzelne Bauteil eines bestimmten Typs aufgezeichnet und einem bestimmten Ort, der zum Beispiel durch eine Raumkoordinate (x, y, z), Bauteilkoordinate, angegeben wird, im Bauteil zugeordnet.

[0083] FIG. 5 zeigt den vollständigen Prozess der Erfassung, Speicherung und Analyse von Prozessdaten.

[0084] In Schritt 510 werden Prozessdaten aus ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses, für ein Bauteil erfasst, derart, dass die Prozessdaten einem Ort an dem Bauteil zuordenbar sind. Zuordenbar bedeutet, dass die Ortsdaten direkt mit den einzelnen Prozessdaten erfasst werden (Beispiel der Thermokameraaufnahme). Alternativ kann eine Zuordnung über eine Referenz, wie zum Beispiel einen Zeitstempel erfolgen.

[0085] Das Erfassen von Prozessdaten in Schritt 510 umfasst zum Beispiel Empfangen von Messdaten von einem oder mehreren Sensoren, die den Fertigungsprozess überwachen. Messdaten umfassen hierbei zum Beispiel Messwert und Zeitpunkt einer Messung, und sind jeweils einem Ort an dem Bauteil zuordenbar, an dem die Messdaten erfasst wurden wobei die Parameter Wert und Zeitpunkt einer Verwendung der Parameter umfassen und jeweils einem Ort an dem Bauteil zuordenbar sind, an dem die Maschinen angewendet wurde. Das Erfassen von Prozessdaten kann ferner das Erfassen von Parametern ein oder mehrerer Maschinen, die in dem Fertigungsprozess verwendet werden, umfassen, zum Beispiel Steuerdaten einen oder mehreren im Fertigungsprozess verwendeten Maschinen, wie zum Beispiel eingestellte Geschwindigkeit, Leistungsaufnahme, eine Drehung und/oder einem Anpressdruck. Zum Beispiel kann die Leistungsaufnahme für eine Lasermaschine in einer bestimmten Frequenz gemessen werden, bei der ein Metallteil des Bauteils schmilzt. Die Daten über die Leistungsaufnahme der Lasermaschine werde ferner, direkt oder indirekt wie zuvor beschrieben, auf räumlichen Koordinaten abgebildet, die angeben, wo das Schmelzen des Metallteils an dem Bauteil zu einem bestimmten Zeitpunkt stattfindet. [0086] Ortsdaten werden in Schritt 520 erfasst. Im Beispiel einer Thermokameraaufnahme fallen Schritte 510 und 520 zusammen. Die Schritte 510 und 520 entsprechen der wiederholten Anwendung der Einzelschritte 430 bis 450 aus FIG. 4.

[0087] Die Bestimmung von Positionskoordinaten ist wie folgt möglich: Anstelle von realen Koordinaten (also aus einer Messung) könnten die Positionskoordinaten auch aus einem Maschinenprogrammen (z.B. NC-Programm) zur Steuerung einer Beweglichen Maschine interpoliert werden. Anstatt die Koordinaten über die Fertigungsmaschine abzurufen, könnten auch externe Koordinaten-Messvorrichtungen (z.B. Lasertracker, Kameras, etc.) verwendet werden.

[0088] In Schritt 530 werden Prozessdaten, die jeweils einem gleichen Ort zuordenbar sind, fusioniert. Fusionierung bedeutet das ermitteln von Prozessdaten, die dem gleichen Bauteilort zugeordnet werden können, um dies ermittelten Daten in einem Folgeschritt derart zu speichern, dass ein späterer effizienter Zugriff in Realzeit auf diese Daten über einen Ortsindex möglich ist. Die Fusionierung kann direkt, basierend auf mit den Produktionsdaten erfassten Ortsdaten stattfinden, oder indirekt über eine Referenz ermittelten Ortsinformation stattfinden, z.B., wenn Prozessdaten, die zu im Wesentlichen gleichen Zeitpunkten erfasst wurden, fusioniert werden. Die Fusionierung kann unmittelbar bei der Erfassung stattfinden, oder zeitversetzt zur Erfassung der Daten.

[0089] In Schritt 540 werden Prozessdaten zusammen mit den Ortsdaten in einer Datenbank gespeichert, um einen Datensatz eines digitalen Zwillings des Bauteils zu erhalten. Zum Beispiel werden die fusionierten Daten aus Schritt 530 in einen Key- Value-Store oder eine Datenbank Storage Engine gespeichert. Hierbei kann ein Clustern nach Ortskoordinaten und ein räumliches Sortieren, z.B. Sortieren nach Raumkoordinaten, durchgeführt werden, um einen Ortsindex zu erstellen. Eine Anfrage zu Fertigungsdaten betreffend ein bestimmtes Bauteil und dort eines bestimmten Ortes sind über den Ortsindex mit wenigen Suchschritten effizient auffindbar. Dadurch ist es mit überschaubarem Aufwand möglich Datensätze, wie in FIG. 2 und FIG. 6 gezeigt, zu visualisieren, oder wie in FIG. 7 gezeigt verschiedenen Bauteile des gleichen Typs zu vergleichen (z.B. Temperaturwerte von zwei gleichen Bauteilen oder Temperatur- und Robotergeschwindigkeitswerte eines Bauteils) miteinander zu vergleichen. Die Visualisierung zum Zweck der Analyse ist zum Beispiel in 3D als Falschfarben möglich und auch mit überlagerter Visualisierung eines CAD-Modells des Bauteils zur Verbesserung der Orientierung und Zuordnung der Produktionsdaten an dem Bauteil möglich.

[0090] In Schritt 550 werden erfasste Produktions- und Ortsdaten zum Zwecke der Analyse verwendet.

[0091] In einem Szenario einer Fertigung wird zum Beispiel der Stromverbrauch eines bei der Fertigung eingesetzten Laser-Werkzeugs, und eine Temperatur einer Oberfläche eines Bauteils in einer bestimmten Frequenz gemessen und mit dem Ort kombiniert, an dem der Laser gerade das Material aufschmilzt. Mit den hierin beschriebenen Technologien sind zum Beispiel folgende Analysen möglich:

• Die erfassten Fertigungsdaten (Stromverbrauch des Lasers) als Falschfarben 3D- Bild anzeigen lassen, um z.B. nach Hot-Spots zu suchen (siehe zum Beispiel FIG. 2 und FIG 3). Wobei Schnitte durch das Bauteil in jeder Orientierung möglich sind.

• Die erfassten Fertigungsdaten zu filtern, um z.B. nur Daten über oder unter einem bestimmten Schwellwert zu visualisieren.

• Temperaturdaten und Daten des Laser-Stromverbrauchs korrelieren, um zu analysieren ob es einen Zusammenhang gibt.

• Wenn das Bauteil später im Betrieb geprüft wird (z.B. durch CT oder Ultraschall) kann ein Experte die Daten aus der Fertigung des konkreten Bauteils verwenden und mit den Prüfdaten vergleichen um z.B. festzustellen ob bestimmte Prozess oder Messerwerte eine Indikation für spätere Bauteilmängel wie z.B. Risse sein können.

[0092] Allgemeiner werden mögliche Analysen in Schritt 550 im Folgenden im Detail beschrieben.

[0093] Eine erste mögliche Analyse betrifft die Visualisierung von ein oder mehreren digitalen Zwillingen eines bestimmten physischen Bauteils. Diese Analyse wird in FIG.

6A bis 6C veranschaulicht.

[0094] Für jedes einzelne physische Bauteil werden in jedem Produktionsschritt alle Prozessdaten mit einer Ortsmarkierung bzw. einem Ortsindex (x, y, z) gespeichert, sodass später alle verfügbaren Datensätze für ein Bauteil übereinandergelegt und, wie im Folgenden beschrieben, verglichen werden können.

[0095] Der Bauteilzwilling 610 gibt zum Beispiel Temperaturdaten einer bestimmten ersten Maschine im Produktionsprozess an. Zum Beispiel werden in einem metallischen 3D-Druck-Prozess von einem Temperatursensor für ein bestimmtes Bauteil einen Temperaturwert für das Schmelzbad (der Punkt, an dem der Laser gerade das Metall schmilzt) in einem Raster bzw. mit einer Auflösung von 0.125mm x 0.125mm erfasst. Anhand der aktuellen Maschinenposition können diese Maße in reale Koordinaten transformiert werden, die dann ggf. in ein allgemeines Koordinatensystem übertragen werden, z.B. das Zeichnungskoordinatensystem, d.h. das Koordinatensystem der Visualisierung. Daraus entsteht ein digitaler Temperatur-Bauteilzwilling 610 basierend auf einem ersten Datensatz mit Temperaturen für jeden Ort im Bauteil. Unterschiedliche Temperaturen werden in der Darstellung in FIG. 6A in unterschiedlichen Grauschattierungen dargestellt.

[0096] In einem zweiten Prozessschritt, z.B. der Computertomographie, werden für dasselbe physische Bauteil wieder ortsbezogene Daten generiert. Diese Daten werden in dasselbe Koordinatensystem wie die Daten aus den anderen aufgezeichneten Prozessschritten transformiert. Somit erhalten wir einen zweiten (bzw. weitere) digitalen Bauteilzwilling 640, dargestellt in FIG. 6B, basierend auf einem zweiten Datensatz für dasselbe physische Bauteil.

[0097] Da die verschiedenen Bauteilzwillinge jeweils über dieselben Ortskoordinaten indiziert sind, kann jeder Wert des Datensatzes mit jedem Wert des zweiten Datensatzes übereinandergelegt und damit verglichen werden, wie in FIG. 6C gezeigt, oder wenn die Datensätze nicht exakt die gleiche Position haben, die nächsten Datenpunkt miteinander verglichen werden, oder verschiedene statistische Werte für bestimmte Raumregionen.

[0098] FIG. 7A zeigt ein echtes, physisches, Bauteil 710. Angenommen einer bestimmten Stelle des Bauteils mit Koordinate (x, y, z) wird nach der Fertigung des Bauteils ein Defekt festgestellt. [0099] FIG. 7B zeigt einen Computer und eine Anwendung 720 zur Visualisierung von digitalen Bauteilzwillingen. In dieser Darstellung sind 730, 740, 750 verschiedene Bauteilzwillinge ein und desselben echten Bauteils 710 aus FIG. 7A.

[0100] Der Bauteilzwilling 730 gibt zum Beispiel Temperaturdaten einer bestimmten ersten Maschine im Produktionsprozess an. Der Bauteilzwilling 740 gibt zum Beispiel die Geschwindigkeitseinstellung einer zweiten Maschine bei der Fertigung des Bauteils involvierten Maschine während des Fertigungsprozesses des Bauteils 710 an. Der Bauteilzwilling 750 gibt zum Beispiel eine Rotationswinkelgeschwindigkeit einer Roboterachse der zweiten Maschine während der Fertigung des Bauteils 710 an. An der Visualisierung der Bauteilzwillinge und der damit erfassten Prozessdaten kann dann zum Beispiel erkannt werden, dass die Werte 735 und 745 der Bauteilzwillinge an den Stellen (x, y, z) jeweils normal sind, jedoch der Wert 755 an der gleichen Stelle des Bauteilzwilling 750 von sonst üblichen Werten abweicht. Somit kann die eine Abweichung der Rotationswinkelgeschwindigkeit, entsprechend den zugrundliegenden Produktionsdaten des Bauteilzwilling 750, als wahrscheinliche Ursache für den Fertigungsdefekt an dem physischen Bauteil 710 bestimmt werden kann. Die Bestimmung einer Fehlerursache kann selbstverständlich auch aus der Kombination und/oder Korrelation von Produktionsdaten aus unterschiedlichen digitalen Bauteilzwillingen ein und desselben physischen Bauteils erfolgen. Z.B. könnte eine interessante Fragestellung sein, ob der Quotient aus eingestellter Laserleistung und gemessener Wärme an diesen Stellen im Bauteil gleich ist.

[0101] Diese Vergleichbarkeit gelingt auch, wenn verschiedene Prozessdaten nicht exakt demselben Ort zugeordnet werden können. Zum Beispiel können Mittelwerte über bestimmte Raumbereiche berechnet werden (als Würfel dargestellt). Ferner sind durch die ortsbasierte Strukturierung und Speicherung der Daten sehr effiziente Nearst- Neighbour-Suchen möglich. Mit anderen Worten: Auf Basis dieser ortsbasierten Datenstrukturierung können unterschiedliche Arten von Datenanalysen durchgeführt werden, die eine Vielzahl von Anwendungen und Nutzen in der Fertigung hervorrufen. Dies hat den großen Vorteil, dass auch Daten mit leicht abweichenden Koordinaten effizient verglichen werden können. Was für die meisten Fertigungsprozesse unbedingt notwendig ist, da Maschinen nicht bis auf alle Nachkommastellen genau ihre Bewegungen wiederholen können. So weichen Maschinenbewegungen auch bei der Herstellung gleicher Bauteile immer voneinander ab. Offline Analysen

[0102] Im Folgenden werden einige Beispiele von Analysen vorgestellt, die im Wesentlichen auf dem Vergleich von digitalen Zwillingen und zeitlich unabhängig von der Fertigung eines Bauteils, d.h. offline nach Abschluss der Fertigung eines einzelnen Bauteils oder einer Serie von Bauteilen gleichen Typs durchgeführt werden. Bei Offline- Analysen können Bauteilzwillinge (Datensets), die von verschiedenen Datenquellen bzw. Sensoren stammen und möglicherweise in unterschiedlichen Schritten des Fertigungsprozesses erfasst wurden, verglichen werden.

[0103] FIG. 8 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens zur Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses. Speziell werden in dem Verfahren Daten verarbeitet, die mit bestimmten Orten eines Bauteils verbunden sind, um eine statistische Offline-Analyse zur Ursache einer Abweichung bzw. eines Fehlers gemäß zu erzeugen. Der Prozess in FIG. 8 beginnt mit Schritt 810, wobei an einem bestimmten Punkt (x, y, z) auf dem Bauteil A ein Fehler vorliegt, der bzw. dessen Ursache untersucht werden soll. In Schritt 820 werden alle Daten (z.B. Temperatur-, Geschwindigkeits-, Druckwerte) aus allen Prozessschritten an dem Punkt (x, y, z) von Bauteil A abgerufen. In Schritt 830 werden die Daten einer bestimmten Datenquelle (z.B. Temperatur) innerhalb des Bauteils A verglichen. Beispielweise, wird für jeden einzelnen Datentyp durch Vergleichen bestimmt, ob der Wert am Punkt (x, y, z) wesentlich von entsprechenden Daten an anderen Punkten des Bauteils A abweicht. So kann man beispielsweise analysieren, ob an einer zu untersuchenden Stelle in dem Bauteil A die Temperaturwerte auffällig sind im Vergleich zu Temperaturwerten an anderen Stellen im Bauteil A. Ziel ist dabei, einen Parameter (in diesem Fall die Temperatur) zu finden, der sich an der zu untersuchenden Stelle anormal verhält. Zum Beispiel könnten die Temperaturmesswerte des Bauteils an jeder Stelle zwischen 595-601 °C liegen, nur an der zu untersuchenden Stelle bei 605°C. Oder das Bauteil könnte bei einer mittleren Temperatur von 599°C gefertigt worden und 95% aller Werte könnten in einem Abstand von weniger als +-1 °C liegen, nur an der zu untersuchenden Stelle würde der Wert außerhalb liegen - wenn auch immer noch im akzeptablen Bereich, aber er wäre statistisch auffällig. In Schritt 840 werden Daten von verschiedenen Datenquellen mit den jeweils gleichen Datenquellen von einem anderen Bauteil (des gleichen Typs A) verglichen. Beispielweise, wenn an der Stelle (x, y, z) in Bauteil ID2 (vom Bauteiltyp A) ein Fehler auftritt, können alle Daten an dieser Stelle (bzw. einem Bereich um diese Stelle) abgerufen und mit allen gleichen Daten von Bauteilen des Typs A verglichen werden. So lässt sich überprüfen, ob z.B. mehrere Bauteile an der Stelle (x, y, z) mit der gleichen Temperatur gefertigt wurden wie Bauteil ID2 bzw. ob die Temperatur von Bauteil ID2 an Stelle (x, y, z) statistisch auffällig war.

Die Analysen müssen sich nicht immer auf den gleichen Ort beziehen. In Schritt 850 ist es auch möglich, Daten aus ähnlichen Situationen für einen Vergleich heranzuziehen. Beispielweise, könnte man beim Fräsen prüfen, ob die Temperatur eines Werkzeugs für einen bestimmten Schaden verantwortlich war, indem man die Daten einer ähnlichen Situation zum Vergleich heranzieht. Beispielweise, könnte ein Parameterradius festgelegt werden, und in jedem Punkt gespeichert werden. Wenn später untersucht werden soll, warum eine Fräse eine bestimmte Stelle beschädigt hat, könnten neben dem Vergleich mit Bauteilen des gleichen Typs an dieser Stelle auch die Stellen für den Vergleich herangezogen werden, an dem der Radiuswert gleich ist, um zu analysieren, ob die Fräse auch an diesen Stellen einen Schaden verursacht hat. Beispielweise, wenn eine Maschine z.B. gerade einen 10 cm Radius gefräst hat, und ein Fehler aufgetreten ist (z.B. das Material versprödet), könnten die Daten aus dieser Stelle mit den Daten von anderen gleichen oder ähnlichen Radien mit den aktuellen Daten verglichen werden. In Schritt 860 wird eine statistische Analyse zur Ursache der Abweichung bzw. des Fehlers erstellt.

[0104] Anstelle des Vergleichs mit Soll-Vorgaben (z.B. aus dem NC Programm, das die Maschine bei der Fertigung des Bauteils steuert) könnten die Vergleichswerte auch aus einer Simulation stammen. Eine Simulation wird, wie im Folgenden erläutert, ermöglicht bzw. unterstützt die Erstellung eines Referenzmodells eines Bauteils.

[0105] Die Ausführungsformen der Erfindung können weitere Aspekte umfassen. Beispielweise, können Bauteilzwillinge (Datensets), die aus verschiedenen Datenquellen erzeugt wurden, auch korreliert werden, um eine Offline-Korrelation von Datensätzen zu erzeugen. Bei dem zuvor erwähnten Beispiel werden die Daten aus derselben Datenquelle verglichen und untersucht. Bei der Korrelationsanalyse werden Daten aus verschiedenen Datenquellen, aus einem oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses, an bestimmten Orten bzw. an allen Orten miteinander verglichen. Dadurch ist die Bestimmung eine Korrelation verschiedener Parameter innerhalb eines Bauteils innerhalb eines Prozesses ermöglicht. Zum Beispiel ist bekannt, dass bei der Ablage von vorimprägnierten Carbon-Fasern, die Temperatur, Geschwindigkeit und Anpresskraft einen Einfluss auf die Ablage bzw. Eigenschaften des Bauteils hat. Mit der Korrelations-Analyse kann zum Beispiel überprüft werden, welche Konstellation von Parametern (z.B. für Geschwindigkeit, Temperatur und Anpresskraft) zu guter oder schlechter Qualität führt, indem zusätzlich eingegeben oder analysiert wird, an welchen Stellen es zu schlechter Qualität gekommen ist. Dies könnte auch zu einem ortsbezogenen Ergebnis führen, z.B., dass im Bereich einer Steigung im Bauteil mit einer anderen Kombination an Parametern gearbeitet werden muss als am Rand eines Bauteils oder in der Mitte eines Bauteils.

[0106] Ein weiterer Aspekt betrifft die Korrelation verschiedener Parameter innerhalb eines Bauteils über mehrere Prozesse hinweg. Korrelationsanalysen können für prozessübergreifenden Bauteiluntersuchungen sehr effektiv sein. So können zum Beispiel einer Temperatur-Bauteilzwilling aus einem metallischen 3D-Druck-Prozess mit Ergebnissen einer Computertomographie (CT)-Untersuchung korreliert werden, ohne einer bestimmten Vermutung nachzugehen. Es könnte beispielsweise untersucht werden, ob es zwischen irgendwelchen Prozessparametern (z.B. der Temperatur) und den Dichteunterschieden (aus der CT) einen Zusammenhang gibt. Darüber hinaus könnten auch die Soll-Ist-Wert-Paare untersucht werden, wobei die Sollwerte gleich die Parametereinstellungen und die Istwerte gleich die Parametermessungen sind). Beispielweise, es könnte analysiert werden, ob die eingestellte Geschwindigkeit an allen Positionen im Bauteil zur selben tatsächlichen Geschwindigkeit führt bzw. ob der Zusammenhang immer der gleiche ist oder ob dies gerade an einer Stelle im Bauteil, die auffällig ist, anomal ist.

[0107] Die zuvor erwähnten Offline-Analyse-Aspekte der Erfindung bieten eine Reihe von Vorteilen und technischen Effekten. Zum Beispiel wird eine systematische Fehlerursachenrückverfolgung ermöglicht. Es ist allgemein bekannt, dass derzeitig praktizierte Produktionsverfahren und Prozess nur ein eingeschränktes Verständnis von Fehlerursachen haben und nur eingeschränkte Möglichkeit zu deren Analyse ermöglichen. Dies führt zu teils hohen und konstanten Qualitätskosten. Unternehmen berichten aus dem metallischen 3D-Druck beispielsweise von bis zu 30% Ausschuss bei der Produktion von Kleinserien, unter anderem auf Grund der flachen Lernkurve. Die Ausführungsformen des hier beschriebenen erfinderischen Konzeptes ermöglichen Qualitätsmängel in einem Bauteil auf ihren Ursprung zurückzuführen und diesen schnell zu beheben. Dadurch sparen sich Produktionen erhebliche Reparatur- und Ausschusskosten.

[0108] Der Aufbau von Prozessdaten als digitaler Bauteilzwilling macht eine gezielte Suche nach Ursachen für Fehler und Qualitätsabweichungen sehr einfach möglich.

Wenn ein Bediener z.B. eine Stelle im Bauteil näher untersuchen möchte, weil ihm ein Fehler aufgefallen ist oder ein Sensor direkt die Qualität des Bauteils gemessen hat, kann er gezielt an diesen Stellen die Herstellungsvergangenheit des Bauteils analysieren. So kann der Bediener, wenn er in der CT-Untersuchung Poren an Stelle (x, y, z) festgestellt hat, sich alle Daten aus allen Produktionsschritten holen, die für diese Stelle oder einen Bereich gespeichert, korreliert oder interpoliert wurden.

[0109] Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Bestimmung von Einflussfaktoren bei den Bauteilen ermöglicht wird. Gerade bei einer Einführung von neuen Prozessschritten fällt es Produktionen schwer, die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Prozessparametern zu spezifizieren bzw. Einflussgrößen der einzelnen Parameter zu bestimmen. Der Aufbau und Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses als digitaler Bauteilzwilling macht eine gezielte Suche nach Stellschrauben, die einen Einfluss auf die Qualität des Bauteiles haben, sehr einfach möglich.

[0110] Ferner wird durch die vorliegende Erfindung eine Fehlerrückverfolgung während des gesamten Produktlebenszyklus ermöglicht. Offline-Analysen sind sowohl in der Fertigung als auch im späteren Lebenszyklus des Bauteils möglich, wenn das Bauteil bereits in Betrieb ist (z.B. in einem Flugzeug oder einem Fahrzeug verbaut ist). Falls während des Betriebs erkannt wird, dass Bauteile einen Defekt aufweisen, und daraus eine Rückrufaktion (z.B. in der Automobilindustrie) oder ein Grounding (z.B. in der Luftfahrtindustrie) erfolgt, könnte die vorliegenden Erfindung benutzt werden, um schnell herauszufinden, welche Bauteile mit den gleichen Produktionsparametern hergestellt wurden, und gezielt die entsprechenden Vehikel zu rückzu rufen. Dies würde auch eine kontinuierliche Langzeit-Dokumentation von Bauteilen über mehrere Produktionsunternehmen (z.B. über Zulieferer und OEMs) hinweg ermöglichen. Referenzmodell und Online Analyse

[0111] Neben der Verwendung für Offline-Analysen, kann das ortsbasierte Verfahren zur Verarbeitung von Daten auch dazu genutzt werden für eine „Online-Analyse“, um Referenzmodell für einen bestimmten Bauteiltyp zu erstellen und gezielt einzusetzen. In diesem Abschnitt geht es darum, online die Qualität von Bauteilen und die Stabilität von Prozessen anhand eines Mastermodels bzw. Referenzmodels zu beurteilen. Dazu werden die Daten von mindestens zwei Bauteilen verwendet und für jede Stelle bzw. Bereich der Bauteile statistische Werte berechnet (z.B. Mittelwert, Standardabweichung, Max-Wert, Min-Wert, kritischer Wert, etc.) und daraus ein neues Bauteil-Referenzmodel erstellt, kurz auch als Referenzmodell im Folgenden bezeichnet. In diesem Referenzmodel sind nicht mehr die einzelnen Temperaturwerte für jedes einzelne Bauteil enthalten, sondern z.B. der Durchschnittswert der gemessenen Temperaturen für jeden Raumpunkt. Dies wird im Folgenden mit Bezug auf FIG. 9 bis FIG. 11 erläutert. In einem Bauteil-Referenzmodell wird Bezug auf Daten, die sich auf bestimmte Positionen an einem Bauteil beziehen. Im Gegensatz zum Bauteil-Referenzmodell wird im weiteren Verlauf der detaillierten Beschreibung auch ein bauteilunabhängiges Referenzmodell beschrieben, das von dem Bauteil-Referenzmodell zu unterscheiden ist.

[0112] Um viele Bauteile miteinander vergleichen zu können bzw. online während der Fertigung zu prüfen, ob das aktuelle Bauteil auf dieselbe Weise hergestellt wird wie bisherige Bauteile mit ausreichender Qualität, wird ein Referenzmodel erstellt. Dabei werden an die Koordinaten nicht einfache Messwerte gespeichert, sondern statistische Werte wie zum Beispiel Mittelwert und Standardabweichung. Wenn ein neues Bauteil geprüft werden soll (möglicherweise schon während seiner Herstellung) kann einfach geprüft werden was ist seine Abweichung im Vergleich zur Standardabweichung bzgl. des Referenzmodels am jeweiligen Ort.

[0113] FIG. 9 zeigt ein Flussdiagramm, welches einen Prozess zur Erstellung eines Referenzmodells des Fertigungsprozesses eines Bauteils während eines oder mehrerer Schritte des Fertigungsprozesses veranschaulicht. In Schritt 910 wird jeder Bereich jeden Bauteils bewertet, z.B. durch einen Experten oder automatisiert durch eine Qualitätsmessung. Wenn eine gewisse Menge an Bauteilen produziert wurde bzw. deren Daten in das Referenzmodel eingeflossen sind, werden lediglich die Stellen in Schritt 920 bewertet, die außerhalb der Toleranz liegen. Hier wird eine Klassierung der Prozessdaten eines ersten Bauteils nach der Qualität der Daten vorgenommen. Falls schon aus den Daten des allerersten Bauteils ein Referenzmodel entstehen soll, kann ein Anwender auch direkt Parameter zum Berechnen von statistischen Werte angeben, z.B. könnte angegeben werden, dass jede Temperatur, also für jeden erfassten Raumpunkt, um 5% um einen bestimmten Wert schwanken darf. Wenn jedoch nicht genügend Daten für das Referenzmodell vorhanden sind, wird in Schritt 930 ein zweites Bauteil vom gleichen Typ wie das erste Bauteil erstellt und die entsprechenden Prozessdaten gespeichert. In Schritt 940 werden die Prozessdaten von dem zweiten Bauteil nach deren Qualität klassiert. In Schritt 950 werden die Prozessdaten aller bereits produzierten Bauteile des gleichen Typs verwendet, um das Referenzmodell mit statistischen Werten für jeden Ort eines Bauteils des gleichen Typs zu berechnen.

Dieser statistische Ansatz wird sehr komplex, wenn es zwischen Faktoren Wechselwirkungen gibt, die einen Einfluss auf die Qualität des Bauteils haben. In solchen Fällen könnten maschinelle Lernverfahren, die auf der Datenverarbeitung des Fertigungsprozesses basieren, Zusammenhänge erlernen und damit Toleranzwerte für bestimmte Stellen im Bauteil berechnen, womöglich basierend auf einer Kombination von verschiedenen Daten, z.B. wenn eine bestimmte Temperatur zu einem Schaden im Bauteil führt, aber nur wenn auch gleichzeitig ein bestimmter Druck am Bauteil anliegt, etc. Zudem kann das Referenzmodell auch auf berechneten Größen beruhen. Beispielweise ist es in einer Carbon Composite Fertigung oft nicht von großer Bedeutung, welche Temperatur eine Heizquelle einer Ablagemaschine hat, sondern viel mehr welchen Temperatureintrag das Bauteil erfährt. Dieser hängt nicht nur von der T emperatur der Heizquelle ab, sondern auch von einer Verweildauer bzw. Geschwindigkeit der Maschine. In manchen Fällen werden dann nicht die direkten Daten gespeichert, sondern abgeleitete Größen wie z.B. der Temperatureintrag.

[0114] Zusammengefasst wird ein Referenzmodell basierend auf einer Mehrzahl von Datensätzen von digitalen Zwillingen von Bauteilen eines bestimmten Bauteiltyps erstellt. Die in dem Referenzmodell erfassten Prozessdatendaten entsprechen statistischen Werten von korrespondierenden Prozessdaten digitaler Zwillinge.

[0115] Das Referenzmodell eines Bauteils kann ferner Ergebnis einer oder mehrerer Simulationen sein, um für bestimmte Orte an einem Bauteil eine Festlegung der ortsbezogenen Toleranzfelder festzulegen. Die Erstellung bzw. Verfeinerung (letzteres falls in Kombination mit dem zuvor vorgestellten Verfahren zur Erzeugung eines Referenzmodells) des Referenzmodells über eine Simulation hat den Vorteil, dass die Präzision des Referenzmodells sehr viel schneller und noch vor dem Beginn der eigentlichen Produktion erstellt werden kann. Zudem kann die Simulation anders herum durch das Referenzmodell anschließend verfeinert werden und für das nächste Bauteil eine bessere Vorhersage bzgl. der notwendigen Toleranzfelder treffen.

[0116] FIG. 10 ist ein Flussdiagramm, welches einen Prozess zur statistischen Analyse eines Fertigungsprozesses eines Bauteils während eines oder mehrerer Schritte des Fertigungsprozesses illustriert, wobei die Analyse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf dem erstellten Referenzmodell von FIG. 9 basiert. Das erzeugte Referenzmodell kann dazu verwendet werden, um online während der Fertigung, Daten eines aktuell produzierten Bauteils abzugleichen. Mit Bezug auf FIG.

10, in Schritt 1010 wird der Anwender eine Reaktion bestimmen, falls ein neues Bauteil vom Referenzmodell abweicht. In Schritt 1020 wird ein weiteres drittes Bauteil desselben Typs wie das erste Bauteil produziert, und die entsprechenden Produktionsdaten werden gespeichert. In Schritt 1030, werden die Produktionsdaten des dritten Bauteils mit dem Referenzmodell verglichen und ggf. die vorbestimmte Reaktion ausgelöst. Beispielweise, wenn in einem 3D-Druckprozess für ein neues Bauteil die Stelle (x, y, z) mit einer Temperatur von 504,21 °C aufgeschmolzen wurde, kann mittels des Referenzmodels geprüft werden, ob dieser Wert zwischen einem Min- und Max-Wert des Referenzmodels an dieser Stelle liegt oder um wieviel Sigma dieser von einem Mittelwert abweicht. Wenn der Wert außerhalb eines Toleranzfensters des Referenzmodels liegt, kann der Prozess gestoppt werden, ein Alarm gegeben, oder die Stelle vermerkt werden. In Schritt 1040 verzweigt der Prozess für den Fall, dass das Referenzmodell weiter modifiziert werden soll, zum Beispiel. Eine weitere Modifikation des Referenzmodells ist beispielsweise dann erforderlich, wenn die gewünschte statistische Genauigkeit des Modells mit den bisher verarbeiteten Daten noch nicht ausreichend ist. Falls weitere Bauteile gefertigt werden sollen, verzweigt der Prozess in Schritt 1050 iterativ nach Schritt 1020. Andernfalls endet die Produktion in Schritt 1060.

[0117] FIG. 11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur konstanten Überarbeitung oder Optimierung eines Referenzmodells von FIG. 9 beschrieben. Der Anwender legt eine Metrik bzw. Toleranzfenster fest, mit denen aktuell produzierte Bauteile überwacht werden, z.B. ob die Daten des Fertigungsprozesses und die Parameter in einem 2- Sigma Bereich des Referenzmodells liegen. Als Ergebnis werden zum einen Produktionsdaten, die im geforderten Intervall liegen, und zum anderen Produktionsdaten, die außerhalb dieses Intervalls liegen, erhalten. In Schritt 1110 wird entweder durch den Anwender oder einen Algorithmus, (z.B., auf Grundlage von Qualitätsmessungen) entschieden, ob das Bauteil auch mit der Stelle außerhalb des Toleranzfensters eine ausreichende Qualität hat oder nicht. Die Bauteile, oder auch nur Stellen, die trotz einer Verletzung des Toleranzfensters zu guter Qualität geführt haben, können anschließend das Referenzmodel verbessern (Schritt 1120), indem z.B. der Mittelwert oder die Maxima des Referenzmodels angepasst werden. Die Bauteile bzw. die Stellen, die die Toleranz verletzt haben und an denen auch schlechte Qualität festgestellt wurde, können ebenfalls in das Referenzmodel übernommen werden, um z.B. Grenzen der Toleranz festzulegen oder die zu verstärken. In Schritt 1130 wird der Analyseprozess iterativ, wenn weitere Bauteile zur Analyse oder Fertigung vorliegen, bei Schritt 1020 fortgesetzt. Andernfalls wird der Fertigungsprozess in Schritt 1140 beendet.

[0118] Die Ausführungsformen der Erfindung können weitere Aspekte umfassen. Beispielsweise kann das Referenzmodell für die Einführung neuer Maschinen verwendet werden. Mit Referenzmodellen von bereits vorhandenen Maschinen können Fertigungen aus Sicht des zu fertigenden Bauteils eine neue Maschine einstellen. Die Referenzmodelle von einem Bauteil, die auf vorhandenen Maschinen erstellt wurden, können für die neue Maschine als Richtwerte verwendet werden und die neuen Maschineneinstellungen und Parameter anhand des Referenzbauteils definiert werden. An einer bestehenden Maschine werden alle Prozessmesswerte die für die Produktion eines Bauteils signifikant erscheinen (z.B. Energieeintrag) aufgezeichnet, gespeichert und später verwendet und das unabhängig von den spezifischen Maschineneinstellungen (z.B. könnte es sein, dass für eine Maschine 1 auf einem User Interface direkt eine Temperatur eingestellt wurde und bei einer Maschine 2 die Leistung der Heizquelle eingestellt wurde). Das digitale Referenzmodell basiert nur auf den Prozessmesswerten. Wenn nun eine neue Maschine eingefahren wird, kann der Anwender die Prozessmesswerte für ein neues Bauteil abrufen und mit dem Referenzmodell vergleichen. Der Mitarbeiter kann dann iterativ die Einstellungen der neuen Maschine anpassen mit dem Ziel die gleichen Prozessmesswerten am Bauteil „ankommen zu lassen“ wie in dem Referenzmodell. Weiterhin werden alle vorhandenen Daten aufgezeichnet. Das Einfahren einer neuen Maschine könnte automatisiert oder wenigstens beim Einfahren unterstützt werden. Dazu werden die relevanten Prozessmesswerte für ein Bauteil für die neue Maschine und die Parameter der Maschine, die zu diesen Prozessmesswerte geführt haben, aufgezeichnet. Über Algorithmen des Maschinellen Lernens kann dann gelernt werden, wie die Parameter modifiziert werden müssen um das gewünschte Ergebnis (also gleiche Prozessmesswerte wie an dem Bauteil auf der eingefahrenen Anlage) zu erreichen.

[0119] Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt ist der Einsatz von Referenzmodell für flexible Produktionsänderungen. Das Referenzmodell bietet dem Anwender die Möglichkeit, den Einfluss von veränderten Prozessparametern schnell und einfach zu beobachten und mit wenigen Iterationen zu optimieren. Der technische Ansatz sieht hier vor, dass im Referenzmodell relevante Daten markiert werden, die beobachtet werden sollen. Dies bietet dem Anwender die Möglichkeit, den Prozess hinsichtlich der anderen Parameter zu optimieren. Beispielweise könnte es sein, dass der Anwender eine Maschinengeschwindigkeit bei einem Carbon-Fiber-Placement erhöhen möchte, da es generell bekannt ist, dass der Temperatureintrag in das Bauteil konstant bleiben sollte. Daher muss die Temperatur der Heizquelle ebenfalls erhöht werden. Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um zu prüfen, ob nach den Prozessmodifikationen die relevanten Größen oder abgeleitete bzw. berechnete Größen konstant bleiben. Wenn die Geschwindigkeit nicht als kritisch gekennzeichnet ist wird eine Änderung dieser auch nicht zu einer Meldung führen. Wenn der Temperatureintrag gleichzeitig auch als kritisch gekennzeichnet ist, wird es zu einer Meldung kommen da der Temperatureintrag bei erhöhter Geschwindigkeit geringer wird, da die Maschinenverweilzeit mit gleicher Heizleistung kürzer ist. Eine Erhöhung der Heiztemperatur bei einer Geschwindigkeitserhöhung würde beim richtigen Verhältnis wieder zu einer Produktion ohne Meldung führen.

[0120] Die oben erwähnten Online-Analyse-Aspekte der Erfindung bieten eine Reihe von Vorteilen und technischen Effekten. Zum Beispiel ermöglicht der Online-Abgleich von Referenzmodell und des Bauteils während der Produktion, Bauteilqualität während der Fertigung zu überwachen und gegebenenfalls die Produktion frühzeitig abzubrechen und teure Weiterverarbeitung von fehlerhaften Bauteilen zu vermeiden. Der Vorteil gegenüber herkömmlicher Sensoren, die einen bestimmten Parameter in einem bestimmten Prozess überwachen, kommt dann zum Tragen, wenn mehrere Parameter (in einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Prozessschritten) in Abhängigkeit stehen und ein falsches Verhältnis dieser Parameter Bauteilfehler verursachen kann. [0121] Ein weiterer technischer Vorteil der Erfindung ist die Verkürzung von Maschinen- Einführungszeiten. Die Einführung neuer Maschinen ist sehr aufwendig, auch wenn es sich um den gleichen Typ von vorhandenen Maschinen handelt. Die Maschineneinstellungen können nie eins zu eins übernommen werden. Der zeitliche Aufwand, um die neue Maschine manuell richtig einzustellen, ist daher erheblich.

[0122] Die vorliegende Erfindung funktioniert auch wenn sich die vorhandene und die neue Maschine stark unterscheiden, da für das Referenzmodell nur die Prozessmesswerten (also das Ergebnis) des zu produzierenden Bauteils benutzt wird. Generell wird berichtet, dass große Fertigungsmaschinen (z.B. Nietanlagen, Faserablage-Anlagen, etc.) bis zu 1,5 Jahre Einfahrtzeit benötigen, auch bei sehr bekannten, routinierten Maschinen. Mit der vorliegenden Erfindung können Kunden mit wenigen Iterationen neue Maschinen einführen und Änderungen in nahezu Echtzeit überwachen und gegebenenfalls verbessern. Dies führt zu flexiblen Produktionsänderungen.

[0123] FIG 12. Zeigt eine Übersicht über ein System zur Fertigung eines Bauteils einschließlich einer Datenverarbeitungsvorrichtung und Speichervorrichtung zur Verarbeitung von Daten des Fertigungsprozesses des Bauteils. Das Bauteil 1210 wird von einer beweglichen Maschine 1220 bearbeitet. In dem gezeigten Beispiel erfasst eine Datenverarbeitungseinrichtung 1240 Maschinenparameter und Messwerte eines Sensors 1230. Der Sensor 1230 kann zum Beispiel Ortsdaten des durch die Maschine 1220 geführten des Werkzeugs erfassen. Die Einrichtung 1240 kann zum Beispiel auch die bewegliche Fertigungsmaschine 1220 steuern. Über ein Netzwerk 1250 werden erfasste Produktionsdaten an eine Datenverarbeitungseinrichtung 1270 kommuniziert und dort in einer Schlüssel-Werte Datenbank, die zum Beispiel in der mit der Datenverarbeitungsvorrichtung verbundenen Speichervorrichtung 1280 gespeichert wird. 1260 Zeigt ein Terminal zur Visualisierung an Analyse von Fertigungsdaten wie hierin beschrieben. Das Terminal ist kommunikativ, zum Beispiel über das Netzwerk 1250, mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 1270 und Speichervorrichtung 1280 gekoppelt. Die Datenverarbeitungseinrichtung 1240 und 1270 können zum Beispiel ein herkömmlicher Computer mit geeigneten Peripheriegeräten und Netzwerkanbindung sein und können auf getrennter oder gemeinsamer Hardware implementiert werden. Das Netzwerk 1250 kann drahtlos oder leitungsgebunden sein und kann zum Beispiel mit herkömmlichen Netzwerktechnologien implementiert sein. Alternative Systemarchitekturen basierend auf virtualisierten Maschinen, Netzwerken und Speichersystemen, sowie Implementierungen basierend auf einer Cloud-Computing Infrastruktur liegen im Griffbereich des Fachmanns.

Bauteilunabhänqiqe Referenzdaten und Online Analyse

[0124] Alle mechanisch bewegten Maschinen (z.B. Fräsen, Roboter, Nietanlagen, etc.) leiden unter Positionsungenauigkeiten, die mit der zeit zunehmen. Daher warten Produktionen in regelmäßigen Abständen ihre Maschinen, um Ausfälle zu vermeiden und Positionsungenauigkeiten zu korrigieren. In den letzten Jahren wurde versucht mit Ansätzen zur vorbeugenden Instandhaltung („predictive maintenance“) diese Wartungen auf ein nötiges Minimum zu reduzieren. Generell konzentrieren sich diese Ansätze auf Unregelmäßigkeiten der Maschinen, und gestalten sich wie folgt: in einer Zeitreihendatenbank wird z.B. ein Stromverbrauch von Roboterachsen gespeichert. Aus dieser Messung ergibt sich der Stromverbrauch über die Zeit. Wenn der Roboter nun immer die gleichen Bahnen in immer der gleichen Zeit fährt, ist es möglich über einen Vergleich der Stromverbrauch-Kurven herausfinden, ob sich der Stromverbrauch für ein neues Bauteil verändert bzw. „verschlechtert“ hat. Dies funktioniert natürlich nur, wenn es immer die gleichen Bauteiltypen sind und der Prozess immer gleich schnell abläuft.

Es können auch statistische Werte für einen Prozessschritt gebildet werden, um Abweichungen über die Zeit festzustellen. Dies setzt jedoch voraus, damit eine Abweichung erkannt wird, dass sich der Stromverbrauch erheblich geändert hat. Ein Nachteil dieser Ansätze ist, dass nur Symptome der Maschine überwacht werden, aber nicht das Ergebnis am Bauteil selbst. Darüber hinaus verhält sich eine Maschine sehr unterschiedlich, z.B. können Roboterachsen in verschiedenen Posen des Roboters auch bei einem gut gewarteten Roboter ganz unterschiedliche Stromverbräuche haben. Wenn alle Achsen des Roboters ausgestreckt sind, ändert sich der Stromverbrauch schon alleine wegen des größeren Hebels der Gewichtskraft der Achsen. Zusammengefasst wird die Vergleichsanalyse zur Bestimmung von Abweichungen einer Fertigungsgenauigkeit unter mehreren Bauteilen des gleichen Bauteiltyps verwendet und Ergebnisse dieser Vergleichsanalyse dienen der Vorhersage von Maschinenwartung und/oder zur Bestimmung einer Qualität eines Bauteils.

[0125] Durch das ortsbasierte Datenverarbeitungsverfahren bietet die vorliegende Erfindung andere Möglichkeiten, mit den die oben genannten Nachteile übergangen werden können. Beispielsweise berücksichtigt das erfinderische Konzept das Bauteil, die Bauteilqualität und die dazugehörigen Prozessmesswerte, ohne darauf beschränkt zu sein. Dazu werden die digitalen Zwillinge, die für unterschiedliche Bauteile möglicherweise von unterschiedlichen Bauteiltypen im „Bearbeitungsraum“ erstellt wurden benutzt und überlagert. Hieraus ergeben sich Referenzdaten für verschiedene Positionen im ganzen Bewegungsraum der Anlage, nicht unbedingt bezogen auf ein Bauteil, sondern auf den gesamten Arbeitsraum - daher „bauteilunabhängige Referenzdaten“, mit denen beispielsweise den Stromverbrauch an bestimmten Stellen im Raum überwacht werden kann.

[0126] Mit dem Ansatz der vorliegenden Erfindung ergibt sich daraus der Vorteil, dass auch bei der Herstellung von verschiedenen Bauteilen Rückschlüsse auf die Maschine gezogen werden können. Es ist quasi egal, ob Bauteiltyp A oder B gefertigt wird, da es nur geprüft wird, wie der Stromverbrauch der Roboterachsen an eine Position (x, y, z) ist, solange die Position (x, y, z) schon einmal gemessen wurde. Mit jedem weiteren Bauteil könnte es den Bearbeitungsraum weiter „erkundet“ werden. Im besten Fall werden bis zu einem gewissen Zeitpunkt genügend Daten vorliegen, um für jeden Punkt im Raum (mit einer gewissen Auflösung) einen Referenzwert zu definieren, wie hoch z.B. der Stromverbrauch an diesem Punkt sein dürfte. Die Methode könnte auch für komplett neue Bauteile angewendet (und damit anhand von Prozesswerten auf den Maintenance- Bedarf schließen). Der Ansatz der vorliegenden Erfindung könnte auch noch weiter verfeinert werden, indem nicht nur der Stromverbrauch, sondern auch die Geschwindigkeit berücksichtigt wird und dann möglicherweise ein Faktor pro Raumpunkt berechnet werden kann. Beispielweise wenn der Roboter des Bauteiltyps A z.B. mit einer höheren Geschwindigkeit als Bauteiltyp B bearbeitet. Dadurch ändert sich natürlich der Stromverbrauch der Roboterachsen, was in den digitalen „Raumzwilling“ aufgenommen wird.

[0127] Diese neuartige Erstellung von Raumdaten gemäß der vorliegenden Erfindung hat folgende Vorteile für ein Fertigungsunternehmen: Mit vorbeugender Instandhaltung („predictive maintenance“) nach Bauteilqualität können jegliche Maschinen über die gesamte Produktionskette hinweg bzgl. ihrer Positionsgenauigkeit überwacht werden, indem die Qualität der Bauteile analysiert wird und nicht die Maschinen selbst. Eine Maschine wird erst dann gewartet, wenn die Qualität der produzierten Bauteile abnimmt. Hierdurch können reguläre Wartungsintervalle durch eine Wartung nach Bedarf („as- needed“) ersetzt. Eine derartige bedarfsorientierte Wartung ist ebenfalls effizienter als herkömmliche Ansätze zur vorbeugenden Instandhaltung für Maschinen.

Implementierung eines Ortsindexes

[0128] Die Implementierung eines Ortsindexes basiert zum Beispiel auf einem N-Baum, also einer höherdimensionalen Erweiterung eines Binärbaums. Im speziellen Fall einer spatio-temporalen Datenbank handelt es sich um eine drei oder vier- dimensionale Indexstruktur; mit den gängigen drei räumlichen Dimensionen und einer zeitlichen Dimension. Spezielle Ausprägungen dieser Bäume sind zum Beispiel als R-Trees, Quad- oder Oct-Trees bekannt. Die Baumknoten werden auf spezielle Art erzeugt und in einem Teil der binären Key-Value-Datenbank hinterlegt, wobei diese Art der Erzeugung sie auch zur Baumstruktur verknüpft.

[0129] Die Koordinaten einzelner raumbezogener Werte in der Datenbank werden für die Berechnung ihres binären Schlüssels in der Datenbank in eine andere Form umgewandelt. Dabei wird jede einzelne Koordinate zum Beispiel zuerst zu einer vorzeichenbehaftete binären Fixpunkt-Zahl mit bekannter Bitlänge, zum Beispiel 32 oder 64, umgewandelt. Dies geschieht, indem die globale Koordinate zuerst durch eine reversible Transformation in ein lokales Koordinatensystem überführt werden, um den verwendeten Wertebereich der gewählten Fixpunktdarstellung optimal zu verwenden.

[0130] In diesem lokalen Koordinatensystem werden die Koordinaten jeweils "abgeschnitten" um einen lokalen Koordinatenschlüssel in Fixpunktdarstellung zu bilden. Schlussendlich wird der lokale Koordinatenschlüssel in einen Index auf einer mehrdimensionalen raumfüllenden Kurve, einer Z-Kurve, umgewandelt. Dafür werden die Bits der verschiedenen Fixpunktkoordinaten verschränkt umgeordnet, so dass je ein oder mehr Bits je Koordinate aufeinander folgen. Die binäre Repräsentation dieses Punktindexes wird, beginnend mit den höchstwertigen Bits, als Teil des Schlüssels in der Datenbank verwendet.

[0131] Der Datenindex wird darauf aufbauend wie folgt definiert: Jeder Eintrag in der Indexbaumstruktur entspricht einem achsenparallelen Raumwürfel (Voxel) in lokalen Koordinaten und enthält zusätzliche aggregierte Informationen über alle darin enthaltenen Datenpunkte. Der Raumwürfel, kurz Würfel, wird durch ein Präfix der binären Indexzahl bezeichnet und beinhaltet alle Koordinaten, die mit diesem bestimmten Präfix beginnen. Der binäre Schlüssel in der Datenbank setzt sich aus der Konkatenation der Präfixlänge, also die Anzahl der enthaltenen Bits pro Koordinate, und dem Präfix selbst zusammen. Die Präfixlänge ist gleichbedeutend mit der Tiefe des Würfels in der Baumstruktur. Dies ermöglicht eine einfache Rekonstruktion der Schlüssel des Elternknotens und der Kindknoten, also der Baumstruktur, und ermöglicht einen Zugriff auf diese Knoten, sofern vorhanden, in der Datenbank. Die Wurzel wird eindeutig mit einer Präfixlänge von Null und einem leeren Präfix bezeichnet.

[0132] Aus dem binären Schlüssel kann auch der beschriebene Voxel in lokalen Koordinaten abgelesen werden. Durch die Umkehrung der lokalen Transformation kann außerdem für jeden Eintrag das globale Volumen des Voxels als Polytop in globalen Koordinaten beschrieben werden. Es ist ferner verzeichnet wie viele Datenpunkte sich räumlich im Inneren des Würfels befinden. Für indizierte skalare Daten enthält ein sogenannter Cache Cube zudem die Summe aller Datenpunkte, das arithmetische Mittel aller Datenpunkte, eine untere und eine obere Schranke für deren Werte und die minimalen und maximalen tatsächlich vorkommenden Koordinaten. Mit anderen Worten, geben aggregierte Information im Ortsindex Auskunft über die Summe von Messwerten, das arithmetische Mittel von Messwerten, den minimalen oder den maximalen Messwert in einem Teilbereich von spatialen oder spatio-temporalen Produktionsdaten. Mittels der Cache Cubes kann somit eine Vorauswertung von Informationen basierend auf dem Ortsindex stattfinden, so dass der Index aggregierte Informationen, in Form der Cache Cubes, über Messdaten umfasst. Ferner speichert jeder Würfel grundlegende Informationen über seine Kindknoten. Dies umfasst insbesondere, welche Kindknoten vorhanden sind.

[0133] Beim Durchsuchen des Baums zur Ausführung einer Abfrage werden alle Informationen eines Würfels genutzt, um zu entscheiden, in welchem Teil die Suche fortgeführt wird. Insbesondere wird berücksichtigt, ob sich in diesem Teil überhaupt Datenpunkte befinden und ob ein Laden eines Kindknotens zweckdienlich ist. Außerdem wird bewertet, ob ein Absteigen in einen Kindknoten effizienter als eine direkte Iteration über die enthaltenen Datenpunkte ist und ob diese Iteration in einer nebenläufigen Routine stattfinden sollte. [0134] Mithilfe der verzeichneten Daten eines Cache Cubes können auch Logik- Prädikate, die in der Datenbankabfrage spezifiziert sind, in manchen Fällen für alle Datenpunkte in dem Cache Cube auf einmal überprüft werden. In speziellen Fällen kann zum Beispiel für alle enthaltenen Punkte garantiert werden, dass das Ergebnis 'falsch' ist, ohne das Prädikat für alle enthaltenen Punkte individuell auszuwerten. Dann kann der Würfel inklusive aller seiner Kinder in Zusammenhang mit einer Suche nach Punkten bei denen das Prädikat 'wahr' zurückgibt übersprungen werden. Durch die vermiedenen Ladevorgänge wird Speicherbandbreite gespart. Außerdem reduziert die verringerte Anzahl der Auswertungen die benötigte Prozessorzeit.

[0135] Für manche Cache Cubes kann aufgrund der Beschaffenheit ihrer Elternknoten oder ihrer Kindknoten oder der enthaltenen Datenpunkte im Voraus berechnet werden, dass sich der Abfrageauswertungsalgorithmus nie dazu entscheiden wird, diese Cache Cubes zu laden. Diese Cubes können noch bei der Erzeugung des Indexes aus der Datenbank gelöscht werden. Dies spart Speicher, der sonst für die Repräsentation der aggregierten Werten notwendig wäre. Für einen Durchsuchungsalgorithmus ist es zum Beispiel nicht von Vorteil einen Cache Cube mit einem einzelnen Datenpunkt zu laden, da dieser Cube keine über den Datenpunkt hinausgehende Information enthält.

Weitere Implementierungen

[0136] In Beispielimplementierungen der hierin beschriebenen Technologie kann ein Computergerät 1240, 1270 eine beliebige Anzahl von Hardware- und/oder Softwareanwendungen enthalten. In Beispielimplementierungen können eine oder mehrere I/O-Schnittstellen die Kommunikation zwischen dem Computergerät und einem oder mehreren I/O-Geräten ermöglichen. Beispielsweise können ein universeller serieller Busanschluss, ein serieller Anschluss, ein Diskettenlaufwerk, ein CD-ROM-Laufwerk und/oder ein oder mehrere Benutzerschnittstellengeräte, wie z. B. ein Display, eine Tastatur, ein Tastenfeld, eine Maus, ein Bedienfeld 1260, ein Touchscreen-Display, ein Mikrofon usw., die Benutzerinteraktion mit dem Computergerätermöglichen. Die eine oder mehrere I/O-Schnittstellen können dazu verwendet werden, Daten und/oder Benutzeranweisungen von einer Vielzahl von Eingabegeräten zu empfangen oder zu sammeln. Die empfangenen Daten können von einem oder mehreren Computerprozessoren verarbeitet werden, wie es in verschiedenen Implementierungen der offengelegten Technologie gewünscht wird, und/oder in einem oder mehreren Speichergeräten 1280 gespeichert werden.

[0137] Eine oder mehrere Netzwerkschnittstellen können die Verbindung der Eingänge und Ausgänge des Computergeräts mit einem oder mehreren geeigneten Netzwerken 1250 und/oder Verbindungen erleichtern; z. B. die Verbindungen, die die Kommunikation mit einer beliebigen Anzahl von Sensoren 1230 ermöglichen, die dem System 1200 zugeordnet sind. Die eine oder mehreren Netzwerkschnittstellen können ferner die Verbindung mit einem oder mehreren geeigneten Netzwerken 1250 erleichtern; zum Beispiel ein lokales Netzwerk, ein Weitverkehrsnetzwerk, das Internet, ein zelluläres Netzwerk, ein Funkfrequenznetzwerk, ein Bluetooth-fähiges Netzwerk, ein Wi-Fi-fähiges Netzwerk, ein satellitengestütztes Netzwerk, ein beliebiges kabelgebundenes Netzwerk, ein beliebiges drahtloses Netzwerk usw. zur Kommunikation mit externen Geräten 1220 und/oder Systemen.

[0138] In der vorliegenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt. Es versteht sich jedoch, dass Ausführungsformen der offengelegten Technologie auch ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen wurden bekannte Verfahren, Strukturen und Techniken nicht im Detail dargestellt, um das Verständnis dieser Beschreibung nicht zu beeinträchtigen. Verweise auf "eine Ausführungsform", "Beispielausführungsform", "einige Ausführungsformen", "bestimmte Ausführungsformen", "verschiedene Ausführungsformen" usw. weisen darauf hin, dass die so beschriebene(n) Ausführungsform(en) der offengelegten Technologie ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft enthalten kann (können), aber nicht jede Ausführungsform notwendigerweise das bestimmte Merkmal, die bestimmte Struktur oder die bestimmte Eigenschaft enthält. Ferner bezieht sich die wiederholte Verwendung des Ausdrucks "in einer Ausführungsform" nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform, obwohl dies der Fall sein kann.

[0139] Bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen werden bestimmte Begriffe der Klarheit halber verwendet. Es ist beabsichtigt, dass jeder Begriff seine weiteste Bedeutung hat, wie sie von Fachleuten verstanden wird, und alle technischen Äquivalente einschließt, die in ähnlicher weise arbeiten, um einen ähnlichen Zweck zu erreichen. [0140] Während bestimmte Ausführungsformen hierin beschrieben wurden, ist die vorliegende Technologie nicht auf die offengelegten Beispielausführungen beschränkt, sondern umfasst verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen. Obwohl hier spezifische Begriffe verwendet werden, werden sie nur in einem generischen und beschreibenden Sinne und nicht zum Zwecke der Einschränkung verwendet.

[0141] In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um bestimmte Ausführungsformen der offengelegten Technologie, einschließlich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und es jedem Fachmann zu ermöglichen, die offengelegte Technologie zu praktizieren, einschließlich der Herstellung und Verwendung geeigneter Geräte oder Systeme und der Durchführung beliebiger integrierter Verfahren. Der Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche kann andere Beispiele umfassen, die im Griffbereich des Fachmanns liegen, auch dann, wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche enthalten.

Claims

Patentansprüche

1. Computerimplementiertes Verfahren zur Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses, umfassend:

Erfassen (510) von Prozessdaten, aus ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses, für ein Bauteil, das in den ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses verwendet wird, derart, dass die Prozessdaten einer Stelle an dem Bauteil zuordenbar sind, an der das Bauteil in einem bestimmten Fertigungsschritt bearbeitet wird, wobei die Stelle als 3D Raumkoordinate angegeben wird;

Erfassen (520) von Ortsdaten, die eine Stelle an dem Bauteil angeben, dem die Prozessdaten zugeordnet sind;

Speichern (540), in einer Datenbank, der Prozessdaten zusammen mit den Ortsdaten, um einen Datensatz eines digitalen Zwillings des Bauteils zu erhalten, wobei die Prozessdaten und die Ortsdaten über einen Ortsindex strukturiert werden; und Verwenden des Datensatzes des digitalen Zwillings zur Analyse (550) des Fertigungsprozesses.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Erfassen der Prozessdaten und das Erfassen der Ortsdaten gleichzeitig als Antwort auf ein Master-Trigger-Ereignis ausgelöst werden; und/oder wobei mit den Prozessdaten und den Ortsdaten jeweils ein Zeitpunkt der Erfassung in der Datenbank gespeichert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prozessdaten Messwerte umfassen, deren räumliche Zuordnung einem Ort einer Messung an dem Bauteil entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen von Prozessdaten ferner umfasst:

Empfangen von Messdaten von einem oder mehreren Sensoren, die den Fertigungsprozess überwachen und/oder von Parametern ein oder mehrerer Maschinen, die in dem Fertigungsprozess verwendet werden; wobei die Messdaten Messwert und Zeitpunkt einer Messung umfassen und jeweils einem Ort an dem Bauteil zuordenbar sind, an dem die Messdaten erfasst wurden; und wobei die Parameter Wert und Zeitpunkt einer Verwendung der Parameter umfassen und jeweils einem Ort an dem Bauteil zuordenbar sind, an dem die Maschinen angewendet wurde.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Ortsdaten Grundlage für den Ortsindex sind, die Datenbank eine räumliche oder raumzeitliche Datenbank ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend:

Fusionieren (530) von Prozessdaten, die jeweils einem gleichen Ort zuordenbar sind, basierend auf erfassten Ortsdaten; und/oder

Fusionieren (530) von Prozessdaten, die zu gleichen Zeitpunkten erfasst wurden, basierend auf einem Zeitpunkt der Erfassung der jeweiligen Prozessdaten.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ein Messwert eine Temperatur und/oder Dichte des Bauteils an dem jeweiligen Ort der Messung angibt.

8. Verfahren nach einem der Anspruch 4, wobei die Prozessdaten Temperaturdaten sind, und wobei die Parameter eine Leistungsaufnahme, eine Geschwindigkeit, eine Drehung und/oder einem Anpressdruck der einen oder mehreren im Fertigungsprozess verwendeten Maschinen umfassen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Leistungsaufnahme für eine Lasermaschine in einer bestimmten Frequenz gemessen wird, bei der ein Metallteil des Bauteils schmilzt, und wobei ferner die Daten über die Leistungsaufnahme der Lasermaschine auf räumlichen Koordinaten abgebildet werden, die angeben, wo das Schmelzen des Metallteils an dem Bauteil zu einem bestimmten Zeitpunkt stattfindet.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Fertigungsprozess ein additiver, subtraktiver oder umformender Prozess ist, und/oder wobei die ein oder mehreren Maschinen mindestens eine mechanisch bewegte Maschine umfasst.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Analyse des Fertigungsprozesses ein oder mehrere von Folgendem umfasst:

Partitionierung eines zu visualisierenden Raumes in diskrete Raumbereiche, für jeden Raumbereich Vorauswertung von jeweils dem Raumbereich zugeordneten Produktionsdaten, wobei die Vorauswertung auf Informationen aus dem Ortsindex basiert und der Ortsindex aggregierte Informationen über Messdaten enthält;

Vergleichsanalyse des digitalen Zwillings mit einem digitalen Zwilling eines anderen Bauteils vom selben Bauteiltyp; und

Vergleich des Datensatzes des digitalen Zwillings des Bauteils eines Bauteiltyps mit einem Referenzmodell für den Bauteiltyp;

Visualisierung des digitalen Zwillings, optional Visualisierung einzelner Raumbereiche des digitalen Zwillings gemäß Ergebnissen der Vorauswertung.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei das Referenzmodell basierend auf einer Mehrzahl von Datensätzen von digitalen Zwillingen von Bauteilen des Bauteiltyps erstellt wird und in dem Referenzmodell erfasste Daten statistischen Werten von korrespondierenden Prozessdaten digitaler Zwillinge entsprechen; und/oder wobei das Referenzmodell Ergebnis einer oder mehrerer Simulationen ist, die für bestimmte Orte an einem Bauteil eine Vorhersage treffen.

13. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die Vergleichsanalyse zur Bestimmung von Abweichungen einer Fertigungsgenauigkeit unter mehreren Bauteilen desselben Bauteiltyps verwendet wird und Ergebnisse der Vergleichsanalyse zur Vorhersage von Maschinenwartung und/oder zur Bestimmung einer Qualität eines Bauteils verwendet werden.

14. Vorrichtung zur Verarbeitung von Daten eines Fertigungsprozesses eines Bauteils (1210), umfassend:

Datenverarbeitungsvorrichtung (1270); und

Speichervorrichtung (1280) in Verbindung mit der Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Speichervorrichtung Anweisungen speichert, die, wenn sie auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, bewirken, dass die Datenverarbeitungsvorrichtung Operationen durchführt, die Folgendes umfassen: Erfassen von Prozessdaten, aus ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses, für das Bauteil, das in den ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses verwendet wird, derart, dass die Prozessdaten einer Stelle an dem Bauteil zuordenbar sind, an der das Bauteil in einem bestimmten Fertigungsschritt bearbeitet wird;

Erfassen von Ortsdaten, die eine Stelle an dem Bauteil angeben, dem die Prozessdaten zugeordnet sind;

Speichern, in einer Datenbank, der Prozessdaten zusammen mit den Ortsdaten, um einen Datensatz eines digitalen Zwillings des Bauteils zu erhalten, wobei die Prozessdaten und die Ortsdaten über einen Ortsindex strukturiert werden; und

Verwenden des Datensatzes des digitalen Zwillings zur Analyse des Fertigungsprozesses.

15. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, folgende Schritte auszuführen:

Erfassen von Prozessdaten, aus ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses, für ein Bauteil, das in den ein oder mehreren Schritten des Fertigungsprozesses verwendet wird, derart, dass die Prozessdaten einer Stelle an dem Bauteil zuordenbar sind, an der das Bauteil in einem bestimmten Fertigungsschritt bearbeitet wird;