Wenn Computer hören lernen
Die neue Generation des digitalen Hörens
Ob akustische Zustandsüberwachung in lauten Fertigungshallen oder die Qualitätsendkontrolle von Autositzmotoren per Mikrofon und Computer - das Fraunhofer IDMT sorgt mit seinen Lösungen bei verschiedensten Anwendungsfällen in der Industrie 4.0 und darüber hinaus für eine Qualitätsverbesserung von Prozessen und Produkten und somit für Kostenersparnisse. Wie das genau aussieht, zeigen wir in unserer Fotostrecke:
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In dem Verbundprojekt ACME 4.0 entwickelt das Fraunhofer IDMT am Standort Oldenburg eine bestehende Sensorknoten-Plattform für den Einsatz in der Industrie weiter und ergänzt sie um ein Interface für drahtlose Datenkommunikation im M2M-Bereich (machine to machine). Ein weiteres Projektziel ist es, mithilfe von Verfahren des maschinellen Lernens robuste Erkennungsalgorithmen für die akustische Sensorik im Frequenzbereich von Infra- und Ultraschall weiterzuentwickeln. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt soll das System zudem durch Energie-Harvesting energieautark werden. Der Aufbau eines Merkmalskatalogs für die Parametrisierung von Audiodaten wird hier ebenfalls realisiert. Durch die Zusammenarbeit mit BOSCH Rexroth findet das Projekt im Bereich des Monitorings und der Fehlererkennung an Axialkolbenpumpen seine Anwendung. Ebenso eingesetzt werden kann es bei der akustischen Zustandsüberwachung von Rolltreppen und Aufzügen, beim Retrofitting von Schleusen im Schiffsverkehr, der Vibrationsmessung und Klangprofilbewertung bei Vibratoren sowie in diversen weiteren Szenarien. (mal)
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Einen weiteren Anwendungsfall für das Projekt ACME 4.0 stellt die akustische Qualitätskontrolle in der Halbleiterproduktion dar. Im Projekt werden dazu ICs (Integrated Circuit = der Mikrochip) auf Wafer-Ebenen im Produktionsprozess durch sogenannte Nadelkarten kontaktiert und geprüft. Das Kontaktieren kann allerdings zu Beschädigungen und somit einer Qualitätsminderung führen, was im schlimmsten Fall die Zerstörung des ICs zur Folge hat. Über akustische Sensorik und die entsprechende Signalverarbeitung lassen sich Brüche und Risse bei ihrem Entstehen erkennen und so Qualitätsmerkale für ICs ableiten, wodurch es möglich wird, den Prüfprozess im Sinne des Kontaktierungsvorgangs zu verbessern. (mal)
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Die akustische »Erkenner-Technologie« des Fraunhofer IDMT bietet zudem die Möglichkeit der berührungslosen Funktionsüberwachung von Elektromotoren. In einem Demonstrator wird dies verdeutlicht: Anhand der akustischen Profile, die sich je nach Betriebszustand der Motoren ändern, werden die drei Elektromotoren unterschieden und erkannt. Das Verfahren kann sowohl bei der Kontrolle fertiger Produkte (End-of-Line) als auch bei der Prozessüberwachung (predictive maintenance) eingesetzt werden. Bei Letzterem ist insbesondere die schnelle und zuverlässige Erkennung von Anomalien von großem Mehrwert für den Kunden, denn somit kann ein frühzeitiges Eingreifen ermöglicht und Produktionsausfälle kosteneffizient vermieden werden. (mal)
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Nicht nur in stillen Messumgebungen, sondern auch in lauten Produktionshallen funktioniert die Überwachung via Luftschallanalyse dank intelligenter akustischer Messtechnik und digitaler Signalvorverarbeitung. Durch den Einsatz maßgeschneiderter Mikrofontechnik kann das Verhältnis von Nutz und Störschall bei der Schallaufnahme deutlich verbessert werden. Zusätzlich verhelfen die am Fraunhofer IDMT entwickelten Verfahren zur akustischen Quellentrennung dazu, einen Großteil von ungewollten Signalanteilen in der Nachbearbeitung der Aufnahme zu eliminieren. So gelingt es, trotz störenden Lärms, Maschinen- oder Motorengeräusche optimal für die Weiterverarbeitung vorzubereiten.
Durch eine grafische Darstellung der Ergebnisse (z.B. auf einem Tablet) können Nutzer der Software einen Echtzeitüberblick über den Zustand ihrer Produktionsprozesse erhalten. (mal)
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Der Abfüllprozess von Getränken bietet einen weiteren interessanten Anwendungsfall für den Einsatz des akustischen Überwachungssystems des Fraunhofer IDMT: Beim sogenannten Vorevakuieren wird Luft aus der Flasche gesogen, um diese anschließend unter hohem Druck mit einer Flüssigkeit zu befüllen. Wurde die Luft zuvor nicht vollständig entfernt, kommt es zur ungewollten Schaumbildung, was zu einer Unterfüllung führt. Ebenso führt Restsauerstoff in der Flasche zu beschleunigtem Altern des Getränks, was zum Qualitätsverlust und somit zum Imageschaden des Getränkeherstellers führen kann. Das leise charakteristische Zischen, das beim Absaugen der Luft entsteht, ändert sich, wenn Falschluft angesogen wird und deutet somit auf die Abnutzung der verwendeten Gummidichtung hin. Eine berührungslose akustische Überwachung, wie im Fall der Luftschallanalyse, ist insbesondere unter dem Aspekt des Hygenic Designs in der Lebensmittelindustrie von großem Interesse. (mal)
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Automatisierung, maschinengestützte Datenanalyse sowie sichere Kommunikation und Datenschutz sind wesentliche Punkte in der Industrie 4.0. Das Fraunhofer IDMT gewährleistet durch die effektive und neutrale Überwachung sowie Steuerung von Produktionsprozessen eine gleichbleibend hohe Produktqualität. Die technische Nachbildung der menschlichen Sinnesmodalitäten birgt dabei vielfältige Potentiale zur Vergrößerung der Wertschöpfungskette in der industriellen Produktion. Audiovisuelle Sensoren wie Mikrofone und Kameras übernehmen die Funktion des menschlichen Hör- und Sehsinns, während die computergestützte Datenanalyse die Aufgaben des menschlichen Gehirns nachbildet. (mal)
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Für das Thüringer Unternehmen GÖPEL electronic GmbH entwickelt das Fraunhofer IDMT aktuell ein luftschallbasiertes Messsystem, um die Qualität von Motoren für Autositze zu testen. Bisher wurden die hergestellten Baugruppen für die Integration in Fahrzeugen mit klassischen Körperschall-Messverfahren überprüft. Das dazu notwendige Anbringen der Sensoren soll durch den Einsatz von Verfahren der Luftschallanalyse eingespart werden, bei dem eine kontaktlose Messung stattfinden kann. Die Verbesserung des Qualitätssicherungsprozesses stellt somit einen klaren Mehrwert für den Zulieferer dar, der durch das Einsparen von Kosten und Zeit dem Endkunden ein besseres Produkt liefern kann, was sich auf die gesamte Produktionskette positiv auswirkt. (mal)