„Jedes Teil, jede Tasse oder alles, was man beispielsweise im Auto sieht, muss irgendwann im Herstellungsprozess geprüft werden. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten“, beginnt Petra Gospodnetić ihre Erklärung, fragt man die junge Ingenieurin nach den Inhalten ihrer Forschung. Im Rahmen ihrer Doktorarbeit hat sie sich mit der sogenannten automatischen Inspektion beschäftigt: „Wie man ein automatisches Prüfsystem konzipiert. Welche Komponenten man braucht.“ Bei der Herstellung einfach geformter Gegenstände wie beispielsweise quadratischen Produkten sei dies nicht besonders schwierig. Ihr Fokus liege auf komplexen Formen, wie sie anfügt.

Dazu sollte man grundsätzlich wissen, dass die Sichtprüfung nach wie vor die am weitesten verbreitete Prüfmethode in der Industrie ist. Soll heißen: Noch immer übernehmen Menschen einen Großteil der visuellen Inspektionen, „was allerdings mit zahlreichen Nachteilen verbunden ist“, wie Petra Gospodnetić erklärt. Denn eine solche Prüfung sei sehr subjektiv, manchmal vielleicht inkonsequent. Und eine Ermüdung der Prüfenden könne das Ergebnis zusätzlich beeinflussen: „Daher werden von Forschung und Industrie große Anstrengungen unternommen, automatisierte Prüfsysteme einzuführen.“

Eine Herausforderung dabei ist die maschinelle Bildverarbeitung. Einem Laien sei vereinfacht erklärt, dass es darum geht, wie eine Kamera und die Beleuchtung auf ein produziertes Teil ausgerichtet sein müssen, sodass – wenn denn vorhanden – möglichst alle Fehler erkannt werden, die in dem vorangegangenen Produktionsprozess entstanden sein könnten. Und eine solche Inspektion soll möglichst automatisch ablaufen, gesteuert von einem Computersystem, sodass der Mensch keine Zeit und Mühe mehr investieren muss.

„Die heutigen automatischen Inspektionssysteme sind starr und funktionieren nur für bestimmte Produkte“
Es gebe zwar bereits automatische Inspektionssysteme, differenziert es Petra Gospodnetić weiter, diese seien aber starr und funktionieren nur für bestimmte Produkte. „Sie können beispielsweise nur einen bestimmten Satz an Fehlern erkennen.“ Und ist eine Änderung der Produktion nötig, dann sei die Anpassung des Systems nur begrenzt möglich, zudem teuer. Und außerdem: „Tritt während der Produktion eine unvorhergesehene Situation ein, kann das korrekte Verhalten des Systems nicht garantiert werden.“ Aus diesen Gründen seien automatisierte Inspektionssysteme derzeit weder gut anpassbar noch zweckmäßig flexibel. „Und damit schränken sie den Übergang zu einer Industrie 4.0-Produktion insgesamt ein.“ Gemeint ist jene Industrie, die Maschinen und Abläufe in der Industrie mithilfe von Informations- und Kommunikationstechnologien intelligent vernetzt. Petra Gospodnetić: „Was nützt eine hohe Prozessanpassung, wenn sie bei der Inspektion endet, die immer noch zu starr und unflexibel ist?“

Position und Geräteeigenschaft von Beleuchtung und Kamera ermitteln
Was könnte ein konkreter Anwendungsfall sein? Ein automatisches Oberflächeninspektionssystem für eine Flugzeug-Blisk, meint Petra Gospodnetić. Eine Turbinenscheibe sei das, die sowohl die Rotorscheibe als auch die Schaufeln umfasst. „Blisks bestehen aus Metall und werden mit CNC-Fräsmaschinen hergestellt.“ Die Produktion sei teuer und die Qualitätsstandards sind aus verschiedenen Gründen, vor allem aber aus Sicherheitsgründen sehr hoch. „Nehmen wir an, eine Oberflächenprüfung soll an der kompletten Blisk durchgeführt werden. Die geometrische Komplexität, die Freiformflächen der Schaufeln und die engen Abstände zwischen ihnen führen zu einer Reihe von blinden Flecken und machen es schwierig, Kamerapositionen zu finden, die die gesamte Oberfläche zuverlässig abdecken.“ Darüber hinaus führe die Oberflächenkrümmung in Kombination mit der hochglanzpolierten Metalloberfläche und der Mikrostruktur zu einem unterschiedlichen Erscheinungsbild der Oberfläche in einem einzigen Bild mit unterschiedlichen Helligkeiten, von Schatten bis zu übersättigten Bereichen. „Allein diese Probleme machen es schon schwierig, ein System zu entwickeln, das eine adäquate Abbildung der gesamten Oberfläche garantiert.“

Und sie beschreibt die Herausforderung weiter: „Um die geeignete Aufnahmekonfiguration für jeden Fehlertyp festzulegen, benötigt der Experte eine erhebliche Anzahl physischer Fehlermuster, die aufgrund der Fehlerknappheit und des Preises eines einzelnen Produkts unmöglich zu liefern ist.“ Außerdem müsse man bei einer Handhabung der Blisks besonders vorsichtig sein, um zu vermeiden, dass die Oberfläche unbeabsichtigt beschädigt wird „und somit nicht Fehler in ein Produkt eingebracht werden, das teuer in der Herstellung ist“.

Neu entwickelte Software: Gründung eines Start-ups
Genau hier setzt die Doktorarbeit von Petra Gospodnetić an: Die junge Wissenschaftlerin hat eine Software entwickelt, die diese Probleme berücksichtigen und beheben kann. „Im Studium war mein Schwerpunkt Computer Vision. Deshalb wusste ich, welche Anforderungen ein System erfüllen muss, um die Fehler zuverlässig zu erkennen. Als Fotografin verstand ich zudem die Probleme, die bei der Suche nach den am besten geeigneten Abbildungsbedingungen auftreten.“ Die von ihr entwickelte Software trägt den bezeichnenden Namen V-POI – die Abkürzung für „Viewpoint of Interest“, was übersetzt so viel bedeutet „Aussichtspunkt von Interesse“. Petra Gospodnetić: „Auf der Grundlage eines CAD-Modells der Objektgeometrie und der Beschreibung der Oberflächentextur können die erforderlichen Positionen und Geräteeigenschaften von Beleuchtung und Kamera ohne physische Interaktion bestimmt werden.“ 

Zurzeit bieten sie und ihr Team das entsprechende Verfahren noch als Dienstleistung an. In Zukunft jedoch wollen sie die Software über die Gründung eines Start-ups vertreiben. Petra Gospodnetić: „Bei mir haben sich bereits Experten aus der Qualitätssicherung gemeldet. Aus der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie sowie Hersteller bildgebender Geräte, um zu erfahren, wie sie das System testen können, was möglich ist und was die nächsten Schritte sind.“ Es scheint, als habe sie mit ihre Entwicklung genau ins Schwarze getroffen: „Vor vier Jahren herrschte unter Experten die allgemeine Meinung, dass Problem sei zu komplex, um es anzugehen. Heute jedoch wird in der Community gesehen, dass die visuelle Inspektionsplanung für die Industrie notwendig und lösbar ist.“ Und Petra Gospodnetić ergänzt: „Dadurch kann die Qualitätssicherung modernisiert und für die Anforderungen der Industrie 4.0 fit gemacht werden.“

„Mir war es wichtig, etwas Nützliches zu machen“
Petra Gospodnetić kommt ursprünglich aus Kroatien, in Zagreb hat sie Informatik studiert. „Ich wollte etwas machen, das auch gebraucht wird“, erklärt die heute 31-Jährige ihre Studienwahl. Da es damals in Kroatien nur wenige – und auch eher kleinere – Unternehmen gab, die im Bereich der Bildverarbeitung tätig waren, hat es sie nach Deutschland verschlagen: „Über Erasmus habe ich etwa ein Jahr vor meinem Diplomabschluss ein Praktikum am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik in Kaiserslautern absolviert.“ Inhaltlich ging es schon damals um Prüfsysteme. Im Jahr 2016 schloss sie ihre Masterarbeit am Fraunhofer-Institut an – und entschied sich anschließend, dort auch ihre Dissertation anzugehen. Betreut wurde sie dabei von Professor Hans Hagen vom Fachbereich Informatik der TU Kaiserslautern. „Als ich damals mein Bewerbungsinterview für die Promotionsstelle hatte, wurde ich gefragt, warum ich denn promovieren will.“ Ihre Antwort sei gewesen: „Ich will es ja gar nicht. Ich will einfach nur etwas Nützliches machen.“ Eine akademische Karriere sei für sie nicht das Entscheidende gewesen, ergänzt sie, es ging ihr um die Sache an sich. „Und es war mir wichtig, dass meine Hunde mitkommen dürfen. Sie haben mich dann immer zur Arbeit begleitet.“

Studierende der Informatik oder der Mathematik sind in ihrer Arbeitsgruppe willkommen
Seit Februar 2021 leitet die inzwischen promovierte Ingenieurin ihr eigens Team. Genauer gesagt: eine Arbeitsgruppe für Inspektionsplanung als Teil der Abteilung Bildverarbeitung am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik. „In meiner Gruppe sind zwei Doktoranden und mehrere Studenten. Das sind alles tolle, kluge Menschen.“ Die Doktoranden bauen die Themen fotorealistische Oberflächensimulationen, geometrische Oberflächenfehler-Modellierung und simulationsbasiertes maschinelles Lernen für die visuelle Oberflächeninspektion weiter aus. Petra Gospodnetić: „Meine Gruppe kann bereits die Textur simulieren und fotorealistische Bilder der Inspektion erzeugen. Dies ist besonders wichtig für das Training der Netze der künstlichen Intelligenz.“ Außerdem seien sie die ersten, die diesen Grad an Realismus ohne künstlerische Tricks erreichen.

Studierende aus den Bereichen Mathematik oder Informatik seien als Mitarbeitende im Rahmen beispielsweise einer Master- oder Doktorarbeit jederzeit willkommen, ergänzt Gospodnetić: „Wenn es darum geht, welches Projekt sie bearbeiten, dann überlege ich mir gemeinsam mit den Leuten, in welche Richtung sie sich entwickeln wollen. Denn nur wenn man sich für etwas interessiert, dann ist man auch gut darin.“

Von Freundeskreis der TUK für Doktorarbeit ausgezeichnet
Auch von der Zusammenarbeit mit der TU Kaiserslautern habe sie sehr profitiert, berichtet Petra Gospodnetić: „Mit der Arbeitsgruppe meines Doktorvaters Hans Hagen stehe ich nach wie vor im engen Austausch. Es fanden und finden sehr bereichernde Gespräche statt.“ Das habe ihr schon sehr geholfen und zeige ja auch, wie intensiv der Austausch zwischen Uni und den An-Instituten ist. „Wir kooperieren auch mit Professorin Claudia Redenbach vom Fachbereich Mathematik.“ Diese Kooperationen seien wichtig, „um gute Ergebnisse zu erzielen, da sie eine multidisziplinäre Zusammenarbeit ermöglichen“. Fragt man Petra Gospodnetić nach ihren Zukunftsplänen, dann bleibt sie bescheiden: Sie wolle vor allem ihre Forschung rund um die Bildbearbeitung in nächster Zeit „mit Vollgas weiterführen.“ Und: „Ich habe das Forschungsfeld definiert. Jetzt geht es darum, diesen Kern zu erweitern.“ Ihr bisheriger Werdegang lässt vermuten, dass ihr das in beeindruckender Weise gelingen wird. Auch der Freundeskreis der TUK zollt ihr Anerkennung – und hat Petra Gospodnetić für ihre wegweisende Doktorarbeit ausgezeichnet.

Weitere Informationen zu den Arbeitsschwerpunkten von Dr.-Ing. Petra Gospodnetić:
https://www.itwm.fraunhofer.de/de/abteilungen/bv/mitarbeiter/petra-gospo...

Weitere Informationen zur Forschung von Prof. Dr. Hans Hagen:
https://gfx.uni-kl.de/people/hans-hagen/