Das Fraunhofer IPM hat mit Track & Trace Fingerprint ein effizientes System zur Rückverfolgung von Massenbauteilen entwickelt. Es erlaubt die individuelle Wiedererkennung und Authentifizierung einzelner Komponenten. Foto: Fraunhofer IPM

Bauteile rückverfolgen per „Fingerabdruck“

Industrie 4.0

Das Fraunhofer IPM hat ein neues Verfahren zur Markierungsfreien Identifizierung entwickelt – selbst fü kleinste Kunststoffbauteile.

Stark vernetzte Fertigungsketten, Kostenfragen und technische Umsetzbarkeit erschweren in der Massenproduktion die Rückverfolgung einzelner Komponenten. Für die Produktions- und Prozessoptimierung sind entsprechende Lösungen jedoch eine wichtige Voraussetzung – vor allem im Kontext von Industrie 4.0. Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg hat daher mit Track & Trace Fingerprint ein markerfreies System zur Rückverfolgung von Massenbauteilen entwickelt.

In Zeiten hoch vernetzter Produktionsabläufe und globaler Zulieferketten ist es für die Industrie eine Herausforderung, einzelne Komponenten komplexer Produkte im Nachhinein zurückzuverfolgen. Bei hochpreisigen Komponenten werden RFID-Etiketten, Datamatrix-Codes oder auch chemische Marker zur Identifizierung eingesetzt. Eine lückenlose Rückverfolgbarkeit von Bauteilen und Produktionshistorien ist jedoch auch in der Massenproduktion kleiner Kunststoffteile sinnvoll. Denn einmal verbaut, können selbst kleinste, auf den ersten Blick unscheinbare Teile die Qualität eines teuren Endprodukts beeinträchtigen. Insbesondere für kleine, preissensitive Elemente sind praktikable und kostengünstige Lösungen gefragt. Etiketten oder spezielle Markierungen erweisen sich oftmals als zu teuer oder technisch nicht realisierbar. Um dieser Problematik zu begegnen, hat Fraunhofer IPM mit Track & Trace Fingerprint ein effizientes System zur Rückverfolgung von Massenbauteilen entwickelt. Es erlaubt die individuelle Wiedererkennung und Authentifizierung einzelner Komponenten.

Auch Massenbauteile sind Unikate

Die neue Technologie von Fraunhofer IPM nutzt die individuell ausgeprägte Mikrostruktur der Oberflächen von Bauteilen und Halbzeugen. Denn unter dem Mikroskop weisen nahezu alle technischen Oberflächen zufällige Merkmale wie Mikrostrukturen oder Farbtexturen auf, die das zugehörige Bauteil auf einzigartige Weise kennzeichnen. Selbst bei einfachen Kunststoffoberflächen von Steckern kann das Sensorsystem geeignete Mikrostrukturen erfassen. Zunächst wird ein ausgewählter Bereich des Produkts mit all seinen spezifischen Strukturen und deren Position mit einer Industriekamera hochaufgelöst aufgenommen. Aus dem Bild wird dann eine charakteristische Bitfolge – der „Fingerprint“ – errechnet und einer individuellen ID zugeordnet. Diese Paarung wird in einer Datenbank hinterlegt. Die ID kann dann mit weiteren Informationen wie Mess- oder Herstellungsdaten verknüpft werden. Für eine spätere Identifizierung des Bauteils wird der Vorgang einfach wiederholt – ein Datenabgleich nach der Bildaufnahme liefert zuverlässig und fehlerfrei den entsprechenden Fingerprint-Code und somit weitere individuelle Merkmale des Bauteils.

Das Eingravieren einer Seriennummer oder das Aufbringen eines Barcodes verbietet sich auf einer Dicht- wie auch auf einer dekorativen Oberfläche. Der neue Ansatz ist dagegen auch für Massenbauteile effizient, praxistauglich und kostensparend: Eine große Bandbreite an Materialien eignet sich für diese Art der markierungsfreien Rückverfolgung – von glatten Kunststoffen über Aluminium und Eisenguss bis hin zu lackierten Oberflächen. Vor allem bei Kunststoffspritzgussteilen müssen die Oberflächenparameter für jeden Anwendungsfall spezifisch analysiert und nutzbar gemacht werden, um die individuellen Unterschiede in der Mikrostruktur der Teile gegenüber den werkzeugspezifischen Merkmalen hervorzuheben.

Die robuste Objekterkennung funktioniert durch die große Zahl möglicher Messpunkte und redundanter Datenerfassung zuverlässig auch bei Störeinflüssen wie Verunreinigungen oder Kratzern. Die Verwechslung von Bauteilen kann auch bei sehr großen Bauteilchargen ausgeschlossen werden, da der Algorithmus beim Abgleich mit der Signaturdatenbank gleichzeitig einen Qualitätsparameter generiert, der die Güte der Wiedererkennung quantifiziert. Das Verfahren überwacht sich also selbst. So lässt sich der stochastische „Fingerabdruck“ eines Bauteils selbst bei Losgrößen von mehreren 100.000 Stück in Sekundenschnelle eindeutig identifizieren. Dies ermöglicht eine Zuordnung bauteilbezogener Daten im Produktionstakt. Da keine zusätzlichen Marker oder IDs am Produkt angebracht werden, ist das System nicht nur fälschungssicher, sondern auch sehr ökonomisch realisierbar: Es fallen keine stückzahlabhängigen Kosten an.

Ohne Rückverfolgbarkeit keine Prozessoptimierung

Eine vollständige und markierungsfreie Rückverfolgbarkeit über den gesamten Herstellungsprozess schafft einen spürbaren Mehrwert, gerade in Branchen mit hohen Qualitätsstandards wie etwa der Automobilindustrie oder der Medizintechnik. Einen ersten Prototypen des neuen Verfahrens hat das Fraunhofer IPM bereits im Einsatz. Zudem wird derzeit bei einem Automobilzulieferer eine Pilotinstallation in Betrieb genommen. Das markerfreie Rückverfolgungssystem zeigt anschaulich, wie die Vernetzung von Digitalisierungslösungen und herkömmlichen Fertigungsprozessen im Rahmen von Industrie 4.0 in der Praxis funktionieren kann. Das ist dann besonders wichtig, wenn die Qualität komplexer Industrieprodukte von der Beschaffenheit jedes einzelnen Bauteils abhängt. Wenn ein einziger, nur wenige Cent teurer fehlerhafter Kunststoffstecker zum Beispiel die Funktionsfähigkeit und Langlebigkeit einer komplexen Elektronik-Steuerbox im Automobil gefährdet, werden oft sämtliche verbaute Stecker in „Sippenhaft“ genommen. Track & Trace Fingerprint verhindert solch aufwendige und kostenintensive Großeingriffe in die Produktions- und Wertschöpfungskette.

Die Reduzierung der Bilddaten auf eine simple Bit-Folge mit geringem Speicherbedarf ermöglicht einen Datenbankabgleich im Produktionstakt und macht das Track & Trace-Lesegerät zu einem inlinefähigen System. Eventuelle Lagetoleranzen aufgrund von Handling werden softwareseitig anhand geeigneter geometrischer Bezugspunkte kompensiert, so dass das Verfahren auch unter rauen Fertigungsbedingungen robust einsetzbar ist. Auch bei teilweiser Beschädigung der Oberfläche können die Bauteile eindeutig identifiziert werden. Redundanzen sorgen hier für Robustheit gegenüber Oberflächenbeschädigungen, Handlingspuren und Verschmutzungen. Schnittstellen zu Datenbanksystemen können kundenspezifisch realisiert werden.

Fazit

Wenn produzierende Unternehmen auch kleinste Schlüsselkomponenten in der Massenproduktion rasch und zweifelsfrei zurückverfolgen können, trägt dies zur Optimierung ihrer Prozesse bei – beispielsweise bei der Verbesserung von Produktions- und Montageabläufen, bei eventuell notwendigen Rückrufaktionen oder beim Recycling. Markerfreie Traceability-Verfahren eignen sich für viele technische Oberflächen und unterliegen fast keiner Einschränkung in puncto Bauteilgröße oder -kosten. Der Wegfall des gesamten Markierungsprozessschritts spart Energie und Material. Die Datenkorrelation vom ersten Produktionsschritt bis zum fertigen Produkt ermöglicht die Etablierung eines effektiven Produkt-Lebensdauerzyklus-Managements und einen eindeutigen Nachweis der Echtheit eines Produkts. Die vollständige, markierungsfreie Rückverfolgbarkeit über den gesamten Herstellungsprozess schafft somit einen deutlichen Mehrwert – insbesondere für die Branchen, die sehr hohe Qualitätsstandards einhalten müssen.

Andreas 
Hofmann studierte Physik an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und an der University of Glasgow und machte im Jahr 1994 sein Diplom. Seit dem Jahr 2000 arbeitet er am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, wo er als Geschäftsfeldbeauftragter für unterschiedliche Branchen tätig ist und anwendungsangepasste Messsysteme für die Industrie konzipiert. In den letzten Jahren hat er sich auf Inline-Messsysteme für die Produktionskontrolle spezialisiert. Foto: Fraunhofer IPM
Andreas 
Hofmann studierte Physik an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und an der University of Glasgow und machte im Jahr 1994 sein Diplom. Seit dem Jahr 2000 arbeitet er am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, wo er als Geschäftsfeldbeauftragter für unterschiedliche Branchen tätig ist und anwendungsangepasste Messsysteme für die Industrie konzipiert. In den letzten Jahren hat er sich auf Inline-Messsysteme für die Produktionskontrolle spezialisiert. Foto: Fraunhofer IPM

Andreas Hofmann, Fraunhofer IPM

Aufmacherbild: Fraunhofer IPM