Toshiba: Was zeichnet die Keramikkugeln von Toshiba (50 % Weltmarktanteil*) aus?

Jul 13, 2023

Je mehr Menschen Elektrofahrzeuge (EVs) nutzen, desto näher kommen wir der CO2-Neutralität, und glücklicherweise sind die Verkäufe dieser Fahrzeuge in den letzten Jahren weltweit gestiegen. Ein Problem, das bei Elektrofahrzeugen jedoch auftreten kann, ist die „elektrische Korrosion“ der Lager, mit denen die verschiedenen wichtigen Teile des Fahrzeugs am Motor befestigt sind- ein ernstes Problem, da es zum Ausfall des Fahrzeugs führen kann. Glücklicherweise ist es den von Toshiba für den Einsatz in diesen Lagern entwickelten Keramikkugeln gelungen, dieses Problem zu lösen.

Die Keramikkugeln von Toshiba Materials werden an Polierhersteller und anschließend an Lagerhersteller geliefert. Anschließend werden sie hauptsächlich von europäischen und US-amerikanischen Automobilherstellern verwendet. Das Fachwissen und die technologischen Fähigkeiten von Toshiba sowie die fortschrittlichen KI-basierten Qualitätsprüfungen machen dies – und ihren Weltmarktanteil von 50 %* – möglich. Hier werfen wir einen Blick auf die KI-basierten Qualitätsprüfungen, die Toshiba für diese Keramikkugeln einsetzt.

Die patentierten Hochleistungs-Keramikkugeln von Toshiba

Steigen Sie zum ersten Mal in ein Elektrofahrzeug und spüren Sie selbst, wie das Auto der Zukunft aussieht und wie es sich von einem benzinbetriebenen Fahrzeug unterscheidet. Kein charakteristisches Dröhnen des Motors, selbst wenn man das Gaspedal durchtritt, und dennoch beschleunigt das Auto – sanft, leise, kraftvoll. Dieses besondere Gefühl wird durch die Motoren und die für diese Motoren wesentlichen Lager ermöglicht.

„Lager sind Teile in Maschinen, die eine gleichmäßige Rotation von Wellen ermöglichen. Sie bestehen aus einem Innenring, einer Kugel und einem Außenring.“ So erklärt Katsuhiko Yamada von Toshiba Materials. Der Innenring, die Kugel und der Außenring von Lagern bestehen typischerweise aus Metall.Die hohe erforderliche Leistung von Elektrofahrzeugmotoren kann jedoch zu einem Phänomen namens Elektrokorrosion führen, das bei diesen Lagern seit langem ein Problem darstellt.

Schematische Darstellung des Lagers

„Die Welle ist am Innenring befestigt, mit Kugeln zwischen Außen- und Innenring. Die Kugeln ermöglichen eine gleichmäßige Drehung der Welle.“ Die Kugeln sollten immer Kontakt mit den Innen- und Außenringen haben, es entstehen jedoch zwangsläufig winzige Lücken zwischen den Kugeln und den Ringen. Wenn Strom durch diese Lücken fließt, kann die elektrische Entladung Funken verursachen, die die Kugeln beschädigen. Dies nennt man elektrische Korrosion. Hochleistungsmotoren sind aufgrund der schnell rotierenden Welle besonders anfällig für elektrische Korrosion„, sagt Yamada.

Katsuhiko Yamada, Gruppenleiter, Structural FC Manufacturing Technology Group, Structural FC Manufacturing Division, Toshiba Materials Co., Ltd.

Lager können nach dem Zusammenbau eines Fahrzeugs nicht einfach ausgetauscht werden. In den USA wird erwartet, dass die in Elektrofahrzeugen verwendeten Lager qualitativ hochwertig genug sind, um langen Strecken standzuhalten. Hochleistungslager würden den weit verbreiteten Einsatz von Elektrofahrzeugen vorantreiben und zum Vorstoß in Richtung CO2-Neutralität beitragen. Das Phänomen der elektrischen Korrosion hatte diese Bemühungen behindert, aber nicht mehr – darin liegt die Schönheit der Keramikkugeln von Toshiba.

Was verhindert bei Keramikkugeln elektrische Korrosion? „Keramik ist ein Isolator, das heißt, sie leitet keinen Strom“, erklärt Yamada. Keramikkugeln seien außerdem weniger als halb so schwer wie Metall, äußerst hitzebeständig und resistent gegen Korrosion und Rost durch Säuren und Laugen.

Toshiba stellt seit sehr langer Zeit Keramikkugeln her, angefangen im Jahr 1974, als das Unternehmen ein Patent für Siliziumnitrid erwarb, den Rohstoff, der zur Herstellung von Keramikkugeln verwendet wird. Während es verschiedene Materialien gab, die für die Herstellung dieser Kugeln verwendet werden konnten, darunter Aluminiumoxid, blieb Toshiba bei Siliziumnitrid, insbesondere aufgrund der leichten und hochfesten Beschaffenheit des Materials.

„Toshiba-Keramikkugeln wurden erstmals 1985 in Lagern für Werkzeugmaschinen eingesetzt, dann 1995 in Turbopumpen für Space Shuttles und 2008 in Windkraftanlagen. Heutzutage werden sie auch in Flugzeugtriebwerken und medizinischen Geräten verwendet“, sagt Yamada.

Toshiba-Keramikkugeln

Im Jahr 2014, nachdem der Vorstoß zur CO2-Neutralität zu einem dramatischen Anstieg der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen führte, wurden diese erstmals in Elektrofahrzeugmotoren umgesetzt. Toshiba liefert die Keramikkugeln hauptsächlich an europäische und US-amerikanische Hersteller und hält derzeit weltweit etwa 50 % *des Marktanteils für Keramikkugeln. Der Grund, warum sich so viele für Toshiba entschieden haben, ist natürlich die Zuverlässigkeit des Unternehmens, die durch seine nachgewiesene Erfolgsbilanz und seine technologischen Fähigkeiten gestützt wird.

Ein Blick hinter die Kulissen der Entwicklung eines KI-basierten Qualitätsprüfsystems durch Toshiba

Die steigende Nachfrage stellt eine erhebliche Belastung für die Qualitätsprüfung des Prozesses dar. Die Qualitätskontrollen der Keramikkugeln bestanden zunächst aus Sichtprüfungen, die von Inspektoren durchgeführt wurden, die betriebsinterne Tests bestanden hatten. Die Alterung erfahrener Inspektoren und der jüngste Arbeitskräftemangel führten jedoch zu einem dringenden Bedarf an automatischen Inspektionen.

Der erste Versuch mit der automatischen Inspektionsmaschine verlief nicht sehr gut. Yamada sagt: „Das automatische Inspektionssystem war darauf ausgelegt, Bilder zu erfassen, die Bilder auszuwerten und fehlerhafte Produkte zu kennzeichnen. Es war jedoch nicht in der Lage, ungleichmäßige Färbungen auf den Keramikkugeln richtig zu beurteilen.“ Ein Teil des Keramikherstellungsprozesses besteht darin, das Material bei hohen Temperaturen zu backen.Während erfahrene menschliche Prüfer kleine Löcher und andere Mängel anhand subtiler Farbunterschiede intuitiv erkennen konnten, war dies der Fallzu schwierig für Maschinen.

„Ich gebe es jetzt zu, aber zu diesem Zeitpunkt hatte ich die Technologie schon aufgegeben“, sagt Yamada mit einem schiefen Lächeln. „Ich habe es auf Eis gelegt.“ Bis das Corporate Manufacturing Engineering Center von Toshiba zur Rettung kam.

Taisuke Washitani vom Corporate Manufacturing Engineering Center erinnert sich an die damalige Situation. „Damals förderten wir die Automatisierung von Fertigungs- und Inspektionsprozessen. Ich besuchte viele verschiedene Standorte, und Yamada war einer von ihnen. Als ich sah, wie die Bilder in die automatische Inspektionsmaschine eingespeist wurden, wusste ich das intuitiv.“ „Diese Aufgabe eignet sich gut für KI-Deep Learning“, sagt Washitani.

Taisuke Washitani, Spezialistin, Forschungsabteilung für Optik- und Inspektionstechnologie, Abteilung Herstellungsprozess und Inspektionstechnologie, Corporate Manufacturing Engineering Center, Toshiba Corporation

Er schlug sofort ein KI-basiertes Qualitätskontrollsystem vor, und die Regalinspektionsmaschine wurde wieder zum Leben erweckt, allerdings auf andere Weise.

" Das Corporate Manufacturing Engineering Center stellt die Bedürfnisse des Standorts in den Mittelpunkt. Wir versuchen, den Nutzen der an diesen Standorten verwendeten Geräte und Technologien zu maximieren, um den Herstellungsprozess zu verbessern. In diesem Fall konnten wir eine automatische Inspektionsmaschine einsetzen, die Kugeln fotografiert, während sie sich drehen. Wir kamen zu dem Schluss, dass die Maschine auf jeden Fall nützlich sein würde, wenn wir ein KI-System entwickeln könnten, das beurteilen kann, ob die Bilder gut sind oder nicht„, sagt Washitan.

Aufnahme von Bildern einer Keramikkugel, während diese mithilfe eines Zeilensensors in drei verschiedene Richtungen/Winkel gedreht wird

Für das KI-System wurde ein typischer Deep-Learning-Algorithmus verwendet.„Der schwierige Teil war nicht die Entwicklung des Algorithmus, sondern die mühsameren Teile“, sagt Washitani und erinnert sich an die Tatsache, dass das KI-System am Anfang nicht die erwartete Leistung erbrachte.

„KI lernt aus den von Menschen erstellten Daten. Wenn die Daten Mehrdeutigkeiten enthalten, z. B. Bilder, die von einigen Inspektoren als fehlerhaft eingestuft würden, von anderen jedoch nicht, wird auch das Urteil der KI mehrdeutig. Daher konnten wir diese Art von Genauigkeit nicht erreichen.“ das wir brauchten.

Was wir letztendlich getan haben, um die Genauigkeit zu verbessern, bestand einfach darin, der KI keine mehrdeutigen Bilder zuzuführen. Dies war eine mühsame Lösung des Problems, aber es hat funktioniert. Sobald die KI einigermaßen nutzbar war, haben wir sie auf den Websites implementiert und die Leute das Urteilsvermögen der KI überprüfen lassen, um den Algorithmus zu verbessern. „Der Prozess hat lange gedauert, die KI lernte auf diese Weise etwa anderthalb Jahre lang und der Algorithmus verbesserte sich nach und nach“, sagt Washitani.

Viele Menschen hören KI und halten sie für etwas, das mit Magie vergleichbar ist. Damit KI-Systeme tatsächlich vor Ort einsetzbar sind, benötigen sie die richtigen Trainingsdaten und die richtige Anpassung durch Ingenieure vor Ort. Die Entwicklung einer solchen KI-basierten Qualitätsprüfung war möglicherweise nur möglich, weil Toshiba viele KI-Patente besitzt.

Wie MLOps Inspektionszeiten und Arbeitskosten drastisch reduziert

Und so wurde das KI-System zur Qualitätsprüfung implementiert. Dies war jedoch erst der Anfang der Geschichte. Denn die Genauigkeit dieser Art der KI-Qualitätsprüfung schwankt bei kleinsten Änderungen der Vorbedingungen, etwa der Art und Weise, wie das Licht auf die Keramikkugeln trifft, oder Änderungen am Material selbst. Um die Genauigkeit aufrechtzuerhalten, muss das KI-System angepasst werden, um diese Änderungen zu berücksichtigen. Mit anderen Worten: Es reicht nicht aus, die Anlage zu betreiben, sie muss auch gewartet werden. Hier kommt MLOps ins Spiel.

MLOps ist ein Begriff, der „maschinelles Lernen“ mit „Operation“ kombiniert. Tomoya Kobatake, der MLOps-Systeme im Digital Innovation Technology Center von Toshiba entwickelt, sagt: „Diese Systeme automatisieren den gesamten Lebenszyklus eines KI-Systems, von der Überprüfung der Genauigkeit bis zur Aktualisierung seiner Lernprozesse.“

Tomoya Kobatake, Spezialist, Abteilung Serviceplattform, Büro für Technologieentwicklung, Digital Innovation Technology Center, Toshiba Corporation

„Unsere Keramikkugeln unterliegen aufgrund von Materialänderungen und anderen Faktoren etwa alle anderthalb Jahre geringfügigen Veränderungen. Um die Genauigkeit der Qualitätsprüfungen aufrechtzuerhalten, müssen wir das KI-System selbst kontinuierlich aktualisieren. Das MLOps-System automatisiert diesen Prozess. ", sagt Kobatake.

Zuvor erwähnte Washitani die „mühsame“ Art und Weise, wie sie zunächst die Genauigkeit des KI-Systems verbessert hatten. „Ich denke, wenn wir MLOps von Anfang an genutzt hätten, hätten wir das effizienter machen können“, sagt er. Es stellte sich heraus, dass das betreffende MLOps-System nicht rechtzeitig für die Entwicklung der KI zur Qualitätsprüfung von Keramikkugeln bereit war. Daher wurde es implementiert, nachdem das KI-System bereits in Betrieb war.

MLOps-System

" Durch die zukünftige Implementierung von MLOps in allen unseren KI-Systemen wären wir in der Lage, die Entwicklungszeiten zu verkürzen, die Genauigkeit aufrechtzuerhalten und zu verbessern und den Personalbedarf für den Betrieb der KI-Systeme zu reduzieren. Das für das MLOps-System zuständige Team ist klein und flexibel, das Unternehmen selbst trifft und setzt Entscheidungen schneller um und es findet viel horizontale Zusammenarbeit statt. Diese Stärken wollen wir nutzen, um MLOps in allen Bereichen von Toshiba zu implementieren„, sagt Kobatake.

So entstand das KI-basierte Qualitätsprüfsystem für die Toshiba-Keramikkugeln. Und tatsächlich war es bei der Lösung des Problems des Arbeitskräftemangels, mit dem der Prozess seit langem konfrontiert war, bemerkenswert wirksam.

" Wir konnten den Zeitaufwand für diese Inspektionen drastisch reduzieren. Keramikkugeln sind im Vergleich zu ihren Gegenstücken aus Metall teuer. Sie haben so viele unterschiedliche Stärken und konnten die Metallstärken aus genau diesem Grund nicht ersetzen. Wenn wir die Kosten durch KI-Qualitätsprüfung senken können, können wir auch den Preis der Produkte selbst senken„, sagt Yamada.

Wie zu Beginn des Artikels erwähnt, beschleunigt sich der Einsatz von Elektrofahrzeugen mit dem Streben nach CO2-Neutralität. Dies wird einen weiteren Anstieg der Nachfrage nach Keramikkugeln bedeuten. Der Plan von Toshiba besteht darin, ein neues Produktionsgebäude zu errichten und die Produktionskapazität im Vergleich zum Geschäftsjahr 2021 um 150 % zu erhöhen.

Abschließend haben wir die drei Mitglieder nach ihren Eindrücken vom Projekt gefragt.

„Durch den Ausbau der Keramikkugelproduktion wird die Qualitätskontrolle noch wichtiger. Selbst bei erfahrenen Prüfern wird es zu unterschiedlichen Urteilen kommen, und die Zahl der erfahrenen Prüfer ist zunächst rückläufig.“ Mit KI können wir die Qualität nach denselben Maßstäben beurteilen und Arbeitskräfte einsparen. Dies bietet nicht nur Toshiba, sondern auch unseren Kunden einen größeren Mehrwert„, sagt Yamada.

„Das Corporate Manufacturing Engineering Center arbeitet an der Automatisierung verschiedener Standorte als Forschungsabteilung von Toshiba als Ganzes.Wir wollen das Know-how, das wir an einem Standort, wie in diesem Projekt, gewonnen haben, mit anderen teilen und umsetzen und uns so gegenseitig befruchten„, sagt Washitan.

„Toshiba verfügt über erstklassige Technologien in Forschung, Entwicklung und Produktion. Ziel ist es, unsere Stärken zu 120 % zu nutzen und die Dinge zu tun, die nur wir als Toshiba tun können, so viel wie möglich und so schnell wie möglich. MLOps ist.“ eine Plattform, um dieses Ziel zu erreichen.Wir möchten die hochmodernen KI-Systeme von Toshiba mit verschiedenen Unternehmen verknüpfen und einen Beitrag für unsere Kunden und die Gesellschaft insgesamt leisten„, sagt Kobatake.

*Marktanteil bei Siliziumnitrid-Kugeln (Stand Juli 2022); Inhouse-Studie

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Haftungsausschluss

Toshiba Corporationhat diesen Inhalt veröffentlicht auf19. Juli 2023 und trägt die alleinige Verantwortung für die darin enthaltenen Informationen. Verteilt durch die Öffentlichkeit, unbearbeitet und unverändert, am19. Juli 2023 04:38:05 UTC.