Zerstörungsfreie Prüfung 4.0

Zerstörungsfreie Prüfung 4.0 (ZfP 4.0, englisch Nondestructive Evaluation 4.0 oder NDE 4.0) wurde von der internationale Fachgruppe (SIG) der ICNDT (International Committee for Nondestructive Testing) definiert und von Vrana et al. veröffentlicht als "das Konzept der cyber-physikalischen zerstörungsfreien Prüfung, das sich aus den digitalen Technologien der Industrie 4.0, den physikalischen Prüfmethoden und den Geschäftsmodellen ergibt. Es zielt darauf ab, die Inspektionsleistung, das Integritäts-Engineering und die Entscheidungsfindung im Hinblick auf Sicherheit, Nachhaltigkeit und Qualitätssicherung zu verbessern sowie zeitnahe und relevante Daten zur Verbesserung der Konstruktions-, Produktions- und Wartungseigenschaften bereitzustellen."

ZfP 4.0 entstand als Reaktion auf die aufkommende vierte industrielle Revolution, die auf die Entwicklung einer Hightech-Strategie für die deutsche Regierung im Jahr 2015 unter dem Begriff Industrie 4.0 zurückgeht. Weithin bekannt wurde der Begriff im Jahr 2016, nachdem er zum Thema des Jahrestreffens des Weltwirtschaftsforums in Davos wurde.

Das Konzept gewann nach der Eröffnung des «Center for the Fourth Industrial Revolution» im Jahr 2016 in San Francisco an Bedeutung. ZfP 4.0 entwickelte sich in Verbindung mit Industrie 4.0. Sowohl der deutsche als auch der englische Begriff wurden 2017 eingeführt. Der englische bei der SPIE (Optik) Konferenz "Smart Materials and Nondestructive Evaluation for Energy Systems 2017" von Prof. Norbert Meyendorf , der deutsche von der Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP) . Es wurde daraufhin 2017 in der DGZfP der Fachausschuss "ZfP 4.0" gebildet der seitdem regelmäßig tagt ( ist ein Bericht über die Aktivitäten des FA ZfP 4.0 aus dem Jahre 2019) mit den Unterausschüssen "Ausbildung", "Mensch-Maschine-Interaktion" und "Schnittstellen, Dokumentation, Datensouveränität, Speicherung & Archivierung im FA ZfP 4.0" sowie den Arbeitsgruppen "Additive Fertigung", "Künstliche Intelligenz", "DICONDE", "Opc-ua" und "ZfP 4.0 im Bauwesen". ZfP 4.0 wird von mehreren internationalen ZfP-Organisationen als zukünftiges Ziel anerkannt: Die ICNDT hat eine internationale Fachgruppe (SIG) für NDE 4.0, und die «European Federation for Nondestructive Testing» (EFNDT) hat eine Arbeitsgruppe mit der Bezeichnung "EFNDT Working Group 10: NDE 4.0" (WG10). Die Bedeutung von ZfP 4.0 spiegelt sich in den Veröffentlichungs und Schulungs Aktivitäten von nationalen ZfP-Organisationen auf der ganzen Welt wider, darunter die American Society of Nondestructive Testing (ASNT), das British Institute of Non-Destructive Testing (BINDT) und die Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP). Das Fraunhofer Institut IZFP hat ZfP 4.0 als eines der zentralen Forschungsthemen für die Zukunft der ZfP identifiziert.

Es gibt Stimmen, die den Begriff NDE 4.0 etwas weiter fassen, als die direkte Übersetzung des deutschen Begriffs ZfP 4.0. Dabei wird dann zwischen NDT (non-destructive testing) und NDE (non-destructive evaluation) insofern unterschieden, dass die NDE eine Kombination von zfP Verfahren mit z. B. optischen scannenden Verfahren der Metrologie ist, also eine Kombination aus ZfP und Metrologie. Beides gemeinsam fungiert dann als Datenquellen für den im 1. Absatz beschriebenen Prozess.

Geschichte: Revolutionen in der Zerstörungsfreien Prüfung

Visualisierung der vier industriellen und ZfP-Revolutionen. Für die Definition der vier ZfP-Revolutionen wurde gewählt, sie unabhängig von der Industrie durch die revolutionären Veränderungen innerhalb der ZfP zu definieren.

Die Entwicklungen, die zu ZfP 4.0 geführt haben, wurden ebenso wie die Entwicklungen, die zu Industrie 4.0 geführt haben, in frühere Revolutionen unterteilt, die auf bestimmten technologischen und historischen Faktoren basieren. Diese werden in der Regel für die Industrie und damit für die zerstörungsfreie Prüfung definiert. Die folgenden Defintionen gehen auf einen wissenschaftlichen Diskurs zurück der im Jahre 2017–2019 bei den Tagungen der DGZfP und der ASNT gelaufen sind. Es gibt dazu einige Publikationen - insbesondere in dem Special Issue der "Materials Evaluation" zum Thema ZfP 4.0 aus dem Jahre 2020. Für das Handbook of NDE 4.0 das bei Springer Nature veröffentlicht wurde, haben die Editoren das Ergebnis dieses wissenschaftlichen Diskurses in dem Kapitel "Introduction to NDE 4.0" veröffentlicht. Im folgenden die Zusammenfassung:

ZfP 1.0

Die erste Revolution in der zerstörungsfreien Prüfung fällt mit der ersten industriellen Revolution zusammen und bezieht sich auf den Zeitraum zwischen etwa 1770 (nach der Erfindung der Watt'schen Dampfmaschine im Jahr 1769) und 1870. Der Übergang von der manuellen und handwerklichen Produktion und der "Muskelkraft" zur mechanisierten Produktion und der Dampf- und Wasserkraft machte die Einführung der zerstörungsfreien Prüfung erforderlich. Vor dieser Zeit haben die Menschen Gegenstände seit Tausenden von Jahren mit einfachen Methoden geprüft, die auf der menschlichen Sinneswahrnehmung beruhten – durch Fühlen, Riechen, Hören und Beobachten, je nach Bedarf.

Die Entwicklung in der ersten industriellen Revolution brachte die zerstörungsfreie Prüfung durch die Einführung von Werkzeugen, die die menschlichen Sinne schärften, und durch anfängliche Versuche mit standardisierten Verfahren hervor. Einfache Hilfsmittel wie Linsen, Stethoskope, Klopf- und Hörverfahren und andere verbesserten die Erkennungsmöglichkeiten, indem sie die menschlichen Sinne schärften. Durch die Festlegung in Verfahrensanweisungen wurden die Ergebnisse der Inspektionen im Laufe der Zeit vergleichbar. Gleichzeitig machte die Industrialisierung auch eine Ausweitung der Qualitätssicherungsmaßnahmen erforderlich, ein Prozess, der bis heute anhält.

ZfP 2.0

Die zweite Revolution in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung wird gemeinhin als der Zeitraum zwischen 1870, als die ersten Massenproduktionsmittel aufkamen und die Einführung des Förderbandes erfolgte, und 1969 bezeichnet. Wie die zweite Revolution in der Industrie ist sie durch die Nutzung physikalischer, chemischer, mechanischer und elektrischer Kenntnisse zur Verbesserung der Prüfung und Bewertung gekennzeichnet.

Die Umwandlung von elektromagnetischen und akustischen Wellen, die außerhalb des menschlichen Wahrnehmungsbereichs liegen, in Signale, die vom Menschen interpretiert werden können, führte zu Mitteln zur Abfrage von Bauteilen zur besseren Sichtbarmachung von Materialinhomogenitäten an oder nahe der Oberfläche. Nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung im Jahr 1895 wurde sie zur vorherrschenden Prüfmethode, gefolgt von der Gammastrahlenprüfung und später von elektromagnetischen Prüfverfahren.

Mit der Einführung des Transistors in der Elektronik entwickelten sich Prüfverfahren wie Ultraschall zu leichteren, tragbaren Systemen, die sich für Prüfungen vor Ort eignen. Etwa zur gleichen Zeit wurden die ersten Detektoren für die Infrarot- und Terahertz-Detektion entwickelt, und die ersten Wirbelstromgeräte wurden verfügbar. Obwohl es sich hierbei um wichtige Prüfmethoden handelt, die bis heute fortbestehen, kam der  Durchbruch dieser Methoden erst mit der Digitalisierung und der digitale Elektronik, die im Rahmen der dritten Revolution entwickelt wurden.

ZfP 3.0

Die dritte Revolution in der ZfP verläuft parallel zum Aufkommen der Mikroelektronik, der digitalen Technologien und der Computer. Sie wird üblicherweise als der Zeitraum ab 1969 betrachtet, der durch die Einführung der ersten speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) gekennzeichnet ist. Digitale Prüfgeräte wie Röntgendetektoren, digitale Ultraschall- und Wirbelstromgeräte sowie Digitalkameras wurden zu festen Bestandteilen des Prüf- und Bewertungssystems. Die Robotik führt zu automatisierten Prozessen, die Komfort, Sicherheit, Geschwindigkeit und Wiederholbarkeit verbessern.

Die digitalen Technologien ermöglichten große Fortschritte bei der Erfassung, Speicherung und Verarbeitung von Inspektionsdaten, bei der 2D- und 3D-Darstellung, der Interpretation und der Kommunikation. Die Verarbeitung und gemeinsame Nutzung von Daten wurde zur Norm. Gleichzeitig brachten diese Entwicklungen neue Herausforderungen und Chancen mit sich, wie z. B. Datensicherheit und -integrität, und führten neue Konzepte ein, wie z. B. den Wert von Daten und ihre Monetarisierung.

ZfP 4.0

Während frühere Revolutionen sich auf die Verbesserung der Prüfung und Bewertung konzentrierten, indem sie die zu den jeweiligen Zeitpunkten verfügbaren Werkzeuge, Methoden und Entwicklungen nutzten, ist die vierte ZfP-Revolution durch die Integration gekennzeichnet; die Integration von Werkzeugen, Prüfmethoden, digitalen Technologien und Kommunikation in kohärente, geschlossene Systeme, die sowohl eine Rückkopplung als auch eine Weiterleitung an die Fertigung ermöglichen. Das Ziel ist eine Verbesserung der Prüfung und Bewertung unter Nutzung aktueller und neuer Produktionstechnologien und Kommunikations- und Informationssysteme.

Im Mittelpunkt von ZfP 4.0 stehen Digitalisierung, Vernetzung, Informationstransparenz, Vernetzung, Kommunikation und Verarbeitungswerkzeuge wie künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen. Einer der wichtigsten Mehrwerte von ZfP 4.0 ist die Möglichkeit des Produktdesigns und der gleichzeitigen zerstörungsfreien Bewertung durch die Verwendung digitaler Zwillinge und digitaler Fäden, so dass sowohl das Design als auch die Prüfung sich gegenseitig kontinuierlich beeinflussen können. Ein weiterer Aspekt ist die Fähigkeit, aufkommende Trends zu bedienen, wie z. B. die Prüfung in der kundenspezifischen Fertigung, die Remote-Prüfung und die vorausschauende Wartung über die gesamte Lebensdauer von Produkten.

ZfP 4.0 ist kein feststehender Satz von Regeln und Konzepten, sondern vielmehr eine Weiterentwicklung von Ideen, Werkzeugen und Verfahren, die durch Fortschritte in der Produktion, Kommunikation und Verarbeitung hervorgerufen werden. Ihr globaler Zweck ist es, den Bedürfnissen der Industrie zu dienen und auf Veränderungen zu reagieren, die durch das Entstehen neuer Möglichkeiten hervorgerufen werden.

Treiber und Bestandteile von ZfP 4.0

Die primäre Triebkraft von ZfP 4.0 ist dieselbe wie die der vierten industriellen Revolution – die Integration von digitalen Werkzeugen und physikalischen Methoden, angetrieben von aktuellen digitalen Technologien durch die Einführung neuer Wege der Digitalisierung bestimmter Schritte in ZfP-Prozessen, mit dem Versprechen einer Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit. Es gibt drei erkennbare Komponenten von ZfP 4.0. Erstens können die aufkommenden digitalen Technologien der Industrie 4.0 zur Verbesserung der ZfP-Fähigkeiten genutzt werden, was als "Industrie 4.0 für ZfP" bezeichnet worden ist. Zweitens bietet die statistische Analyse von ZfP-Daten einen Einblick in die Produktleistung und -zuverlässigkeit. Dies ist eine wertvolle Datenquelle für Industrie 4.0 zur kontinuierlichen Verbesserung des Produktdesigns im Rahmen des Prozesses " ZfP für Industrie 4.0". Drittens können immersive Schulungserfahrungen, Remote-Betrieb, Intelligenzerweiterung und Datenautomatisierung das Nutzenversprechen von ZfP in Bezug auf die Sicherheit der Prüfer und die menschliche Performance in der dritten Komponente von ZfP 4.0 – der "Human Consideration" – verbessern.

Standards und deren Entwicklung im Bereich ZfP 4.0

DICONDE ist ein offener Standard, um Bilder und digitale Daten aus der industriellen Materialprüfung anzuzeigen, zu übermitteln und zu speichern. Er ermöglicht es, Signale und Bilder zwischen verschiedenen DICONDE konformen Systemen auszutauschen und anzuzeigen. Hierdurch bietet DICONDE ein herstellerunabhängiges Datenspeicherungs- und Übermittlungsprotokoll für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und wird damit zu einem zentralen Standard für ZfP 4.0. DICONDE basiert auf dem medizinischen Standard DICOM. DICONDE wird vom Subkommitee E07.11 der ASTM International entwickelt , zudem gibt es eine Arbeitsgruppe der DGZfP die derzeitige, potentielle Schwachstellen von DICONDE identifiziert und Erweiterungen der Standards vorschlägt . Am 15. Juni 2023 hat die DGZfP eine Einführung in DICONDE in Form eines Informationsblattes veröffentlicht.

Um eine Maschinenlesbarkeit für die zerstörungsfreien Prüfung zu erreichen wurde mit dem Aufbau einer Ontologie (Informatik) in Form einer OPC Unified Architecture Companion Specification begonnen. Dazu wurde am 19. Juni 2023 die Joint Working Group "Non-destructive Evaluation" zwischen OPC Foundation, VDMA und DGZfP gegründet.

«International Conference on NDE 4.0»

Die «International Conference on NDE 4.0» wurde von der internationalen ICNDT Fachgruppe (SIG) für ZfP 4.0 initiiert und soll alle zwei Jahre stattfinden (dieser Plan musste aufgrund der Corona-Krise etwas abgeändert werden):

1. 14/15 & 20/21 April 2021: Virtuelle Konferenz mit 4 Keynotes, 26 eingeladenen Vorträgen und vier Podiumsdiskussionen, organisiert von der DGZfP (Videoaufzeichnungen sind online verfügbar) und co-sponsored von ICNDT
2. 24. - 27. Oktober 2022 in Berlin, Deutschland, mit 4 Keynotes und 15 technischen Sessions (u.a. Künstliche Intelligenz, Digitaler Zwilling, Additive Fertigung, Erweiterte Realität, Zuverlässigkeit und Vorausschauende Instandhaltung). Diese Konferenz wurde von der DGZfP organisiert und co-sponsored von der ICNDT. Auf dieser Konferenz wurde der Kurzweil Award for High Impact in NDE 4.0 (benannt nach Ray Kurzweil) initiiert und an Prof. Dr. Norbert Meyendorf und Prof. Dr. Bernd Valeske für ihre Arbeit "Starting the Field of NDE 4.0" verliehen.
3. Februar 2025 in Indien. Diese Konferenz wird von der indischen Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (ISNT) organisiert und co-sponsored von ICNDT.

Peer-Reviewed ZfP 4.0 Sonderausgaben und Bücher

Peer-Reviewed-Publikationen zum Thema ZfP 4.0 wurden in mehreren Sonderausgaben und Büchern behandelt:

1. 2020: "NDE 4.0" (Sonderausgabe «Materials Evaluation»)
2. 2020: "NDE 4.0" (Sonderausgabe «Research in Nondestructive Evaluation»)
3. 2020/2021: "Trends in NDE 4.0: Purpose, Technology, and Application" («Topical Collection» im «Journal of Nondestructive Evaluation»)
4. 2021/2022: "NDE 4.0: Technical Basics, Applications and Role of Societies" («Topical Collection» im «Journal of Nondestructive Evaluation»)
5. 2022: "Handbook of Nondestructive Evaluation 4.0" (Major Reference Work)
6. 2022/2023: "NDE 4.0 Creating success stories, building the eco-system and continuing research" («Topical Collection» im «Journal of Nondestructive Evaluation»)

Literatur

• Jason Bloomberg: Digitization, Digitalization, and Digital Transformation: Confuse Them at Your Peril. In: Forbes. 29 April 2018.
• Victor Singh: Engineering with a Digital Thread (PDF) (en) 2018.
• Lawrence Gould: What are Digital Twins and Digital Threads (en) 23 January 2018.
• Michael Grieves: Can Digital Twin Transform Manufacturing (en) 5 October 2015.
• What is a Digital Twin? (en)
• Ripi Singh, Johannes Vrana: The NDE 4.0 - An Ecosystem Perspective. In: e-Journal of Nondestructive Testing. 26, Nr. 9, September 2021.
• Randy Kluver: Globalization, Informatization, and Intercultural Communication. In: American Journal of Communication. 3, Nr. 4, 2000.
• Jan Walker, Eric Pan, Douglas Johnston, Julia Adler-Milstein, David Bates, Bradford Middleton: The Value of Healthcare Information Exchange and Interoperability. In: Health Affairs. 19 January 2005, 2005, S. W5-10-W5-18. doi:10.1377/hlthaff.w5.10. PMID 15659453.
• Brian Diaz: What is Semantic Interoperability? (en)
• DICONDE (en)
• Data Monetization (en)
• https://www.gartner.com/en/information-technology/glossary/data-monetization
• Hugh Boyes, Bil Hallaq, Joe Cunningham, Tim Watson: The Industrial Internet of Things (IIoT): An Analysis Framework. In: Computers in Industry. 101, 2018, S. 1–12. doi:10.1016/j.compind.2018.04.015.
• What is IIoT? Definition and Details (en)
• Will Kenton: Ideation (en) 4 January 2021.

Einzelnachweise

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