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Integration vernetzter Systeme für Prozessfähigkeit und Nachhaltigkeit in der Industrie 4.0

Grundsätzlich ist es das Ziel jeglicher industrieller Fertigung, qualitativ hochwertige Produkte ressourcenschonend her- und für die Abnehmer bereitzustellen. Der Erfolg jeder industriellen Revolution steht oder fällt an den Maßstäben von Produkt­qualität und Fertigungseffizienz, und es ist daher hilfreich, sich zunächst einmal eine gewisse Klarheit über Maßstäbe und Messmethoden zu verschaffen.

Produktqualität durch Prozessfähigkeit

Bei der Prozessfähigkeit geht es um die Fähigkeit von Fertigungssprozessen, Produkte zu liefern, bei denen die definier­ten Qualitätsmerkmale mit vorgegebener statistischer Sicherheit innerhalb der vor­gege­be­nen Grenzen liegen. Es gibt also zwei Vorgaben, nämlich die Einhaltung der Grenzen und die statistische Sicherheit. Das erste ist für vernünftige Grenzen relativ einfach, das zweite kann methodo­logisch beliebig kompliziert werden.

Prozessfähigkeitsuntersuchung

In der industriellen Fertigung hat sich der Nachweis der Prozessfähigkeit über die Bestimmung des sogenannten Prozessfähigkeitsindexes etabliert. In vielen Bereichen wird bereits nach dem 6sigma-Maßstab produziert, d.h. dass die Streuung der Qualitätsmerkmale selbst bei sechsfacher Standardabweichung die Grenzwerte nicht überschreitet. Das würde einem maximalen Ausschuss von 2 von 1 Milliarde gefertigter Teile entsprechen. Allerdings gelten viele Fertigungsprozesse selbst dann noch als 6sigma-Prozesse, wenn 1,5 Sigma für das Abgleiten des Mittelwertes erlaubt werden - streng genommen reduziert sich in dem Fall die statistische Sicherheit auf 4,5 Sigma, was einen Ausschuss von 7 von 1 Millionen gefertigter Teile erlaubt.

In der Oberflächentechnik sind Prozessfähigkeitsnachweise unüblich. Das liegt aber nicht etwa darin begründet, dass die Oberflächentechniker unfähig wären. Vielmehr liegt es daran, dass die Methodologie der Prozessfähigkeitsuntersuchung auf mechanische Fertigungsprozesse mit einfach zu ermittelnden Kennwerten zugeschnitten ist, und diese Methoden stellen sich bei genauere Betrachtung als in großen Teilen unbrauchbar für die chemischen Prozesse der Oberflächentechnik heraus.

Auf der anderen Seite kann sich die Oberflächentechnik der an und für sich vernünftigen Forderung nicht verschliessen, dass die Qualitätsmerkmale durch ihre Fertigungsprozesse mit einer gewissen statistischen Sicherheit garantiert werden sollen, z.B. ein maximaler Ausschuß von 6 von 100000 Teilen, also echte 4 Sigma?!

Die Oberflächentechnik muß also ihre eigene Methodologie entwickeln, und wie wir noch sehen werden, die Prozesse entsprechend ausrichten. Die Problemfelder sind:

  • Prozessbeherrschung
  • Messmethodik
  • Statistische Sicherheit

Prozessbeherrschung

Grundsätzlich muß ein fähiger Prozess auf Dauer steuerbar sein.

Steuerbar heißt, dass man die Prozessparameter so einstellen kann, dass die definierten Qualitätsmerkmale in ihren Grenzen gehalten werden. In der Oberflächentechnik ist es gängige Praxis, Prozess­parameter wie z.B. Temperatur, pH-Wert und Konzentrationen einzustellen, und das Problem liegt nicht in der Einstellung von Parametern. Die Schwierigkeit ist vielmehr, dass das Endergebnis vom Zusammenspiel sehr vieler Parameter abhängig ist.

Auf Dauer heißt, dass der zeitliche Verlauf der Prozessparameter keine Unterbrechungen aufweisen darf. Damit haben wir in der Oberflächentechnik allerdings ein schwerwiegendes Problem, denn jeder Neuansatz von Reinigungsbad, Beize, Aktivierung, Passivierung stellt eine solche gravierende Unterbrechung im zeitlichen Verlauf der relevanten Prozessparameter dar. Das Problem damit ist nicht etwa, dass der Prozess so nicht funktioniert, das Problem damit ist, dass sich auf diese Weise die statistische Sicherheit mit der er funktioniert nicht bestimmen läßt, weil sich Lage und Streuung der zugrundeliegenden Verteilungsfunktionen ständig ändern.

In der Konsequenz bedeutet das, dass für den Nachweis der Prozessbeherrschung ALLE diskontinuierlichen Prozesse in kontinuierliche „Never Dump"-Prozesse umgewandelt werden müssen. Entsprechende Schemata für viele der gängigen Prozesse wurden bereits ausgearbeitet und in Einzelfällen in die Praxis umgesetzt.

Messmethodik

In der Oberflächentechnik ist das Ergebnis (z.B. ein Korrosionsschutz) vom Zusammenspiel sehr vieler Parameter abhängig. In vielen Fällen ist es nicht möglich alle Einflussgrößen zu messen bzw. analytisch zu erfassen und einzustellen. Kontinuierlich arbeitende „Never Dump"-Prozesse können allerdings relativ einfach in ein Fließgleichgewicht übergeführt und dort gehalten werden, so dass sich die relevanten Parameter in Relation zueinander kaum verändern, und sich der Prozeß deshalb anhand von Summenparametern regeln läßt. Diese Summenparameter müssen mit geeigneten Methoden gemessen und die Messdaten in einem integrierten System einerseits zur Prozessregelung und andererseits für den Prozessfähigkeitsnachweis herangezogen werden.

Für einige Prozesse wurden bereits Online-Messverfahren entwickelt (z.B. ZinkOperator) und Arbeiten an weiteren Verfahren für andere Prozesse bzw. in weiteren Problemfeldern (z.B. Methoden zur elektrochemischen Korrosionsschutzbestimmung) in der Oberflächentechnik sind in Arbeit. Sensoren für eine Vielzahl von Meßanwendungen sind im Markt verfügbar, die sich relativ einfach mit den ADC/DAC-Systemen kombinieren lassen.

Statistische Sicherheit

Qualitätsmerkmale müssen irgendwie bestimmt werden, und in der Praxis wird üblicher­weise ein ge­wisses Los der gefertigten Produkte auf das Merkmal geprüft. In eher seltenen Fällen besteht die Mög­lichkeit der 100%-Prüfung, d.h. der Prüfung eines jeden einzelnen ge­fertigten Produkts. Nur im Falle der 100%-Prüfung entfällt die Notwendigkeit der Ermittlung der statistischen Sicherheit. In allen anderen Fällen muß die statistische Sicherheit über mathe­ma­tische/statistische Methoden aus der Streuung der Meßwerte abgeleitet werden.

In vielen Publikationen wird davon ausgegangen, dass die Streuung der gemessenen Qualitätsmerkmale einer Normalverteilung gehorchen muß, damit die statistische Sicherheit bestimmt und die Prozessfähigkeit nachgewiesen werden kann. Das ist eigentlich so nicht ganz richtig. Richtig ist vielmehr, dass sich nur im Falle von normalverteilten Merkmalen, die statistische Sicherheit einfach über den arithmetischen Mittelwert und die Standard­abwei­chung ergibt. Richtig ist aber auch, dass sich statistische Sicher­heiten bei anderen Verteilungen durchaus ermitteln lassen, sofern die Verläufe der zugrundeliegenden Verteilungen bekannt sind.

Beispielsweise sind Korrosionsschutzwerte und Schichtdicken mit Sicherheit nicht normalverteilt, denn sie kennen keine wirkliche obere Grenze, aber sie haben einen festen unteren Grenz­wert, nämlich Null. Die Verteilung von Korrosions­schutz­werten ist daher üblicherweise rechtsschief, d.h. rechts vom Median ergibt sich ein sehr langer Auslauf und links vom Median ist der Auslauf vergleichsweise kurz. Mit der heute üblichen Computertechnik läßt sich die statistische Sicherheit aber auch aus einer schiefen Verteilungsfunktion bestimmen. Es läuft darauf hinaus, eine Kurvenanpassung einer geeigneten Verteilungsfunktion an ein fortgeschriebenes Histogramm der gemessenen Merkmale durchzuführen. Zur Bestimmung der Wahrscheinlichkeiten muß diese Funktion in den vorgegebenen Grenzen integriert werden.

Zusammenfassend kann man sagen, dass die seit langem geforderte Prozessfähigkeit in der Oberflächentechnik durch die Integration von automatisierten Messmethoden in vernetzten Systemen schließlich doch Realität werden könnte.

Fertigungseffizienz durch Nachhaltigkeit

Der Begriff Nachhaltigkeit wurde schon für alles mögliche bemüht und bevor man sinnvoll damit arbeiten kann, muß man ihn streng logisch auf den wesentlichen Kern beschränken. Im vorliegenden Zusammenhang soll Nachhaltigkeit als ein globales Maß für die wirtschaftliche Nutzung von begrenzten Ressourcen verstanden werden. Und im Idealfall einer 100%ig nachhaltigen Produktion werden die Ressourcen durch geeignete Arbeitsweise niemals erschöpft. In der Regel spielt ein einzelner Prozess bzw. eine Reihe von Prozessen (z.B. die galvanische Verzinkung von Schrauben) nur eine kleine Rolle in dem globalen Lebenszyklus aller beteiligten Produkte, Zwischenprodukte, Rohstoffe, Wasser, Energieträger und Human-Ressourcen. Nachhaltigkeit ist allerdings das Attribut des Lebenszyklus von Allem, und ein einzelner Prozess kann als solcher nicht nachhaltig sein, sondern die Nachhaltigkeit allenfalls mehr oder weniger stark unterstützen.

Woran erkennt man nun, ob ein Prozess die Nachhaltigkeit mehr oder weniger oder vielleicht auch gar nicht unterstützt, ohne dass man sich auf das unproduktive und undankbare Feld der Erfassung von Produktlebenszyklen und deren Ökobilanzierung begeben muss?

Man muss die Oberflächentechnik-Prozesse in ihren definierten Systemgrenzen energetisch offen und stofflich quasi geschlossen betreiben. Im Endeffekt läuft das darauf hinaus, dass die Entropie in den gezogenen Systemgrenzen möglichst wenig zunimmt, bzw. durch sinnvollen Energieeinsatz sogar gesenkt wird. Die goldene Regel hier ist Vermeiden von Vermischungen und Einsatz von Separatoren und Regeneratoren. Hier kann die Chemie ein einzigartiges Potential einbringen, das es so in mechanischen Fertigungen nicht gibt. Entropieänderungen von chemischen Prozessen lassen sich nämlich berechnen, sofern die beteiligten Stoffe, die Stoffmengen und deren Änderungen jederzeit bekannt sind.

Mit einem vernetzten System von automatischen Messmethoden, so wie es am Ende des Kapitels Qualität durch Prozessfähigkeit erwähnt wurde, in das die Erfassung, Steuerung und Regelung von Stoffströmen integriert wird, könnten die Entropiedifferenzen direkt ermittelt und gegen den Energieeinsatz sowie den Einsatz von Soft-Resources (Arbeitskräfte, Auslastung der Installationen) optimiert werden, so dass sich eine beste Fertigungseffizienz bei bestmöglichem Beitrag zur Nachhaltigkeit der Industrie insgesamt ergäbe.

Copyright © Dr. Rolf Jansen - 2018-10-15 18:35:31

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