In der Industrie wird die Bildverarbeitung – auch als Machine Vision bezeichnet – zur Führung und Steuerung von Robotern, zur Prozesssteuerung durch die Identifikation von Bauteilen, für Tracking & Tracing anhand von Barcodes oder als berührungsloses Prüfverfahren zur Sicherung der Produktqualität herangezogen. Dabei nehmen Kameras mit unterschiedlichen Verfahren Bilder auf, die von Prozessoren zu Messwerten und Qualitätsaussagen verarbeitet werden. Das maschinelle Sehen kann in der Qualitätssicherung zur Oberflächeninspektion, zur Form- und Maßprüfung, Lage- oder Objekterkennung, zur Schichtdickenmessung oder zur Vollständigkeitsprüfung eingesetzt werden. Der Schwierigkeitsgrad dieser Aufgaben ist unterschiedlich. Einfache Anforderungen sind Vollständigkeitsprüfungen oder sogenannte Pick- and Place-Aufgaben. Hier kommt es darauf an, bestimmte Muster mit einem Sollwert zu vergleichen. Etwas komplexer sind Zählen, Suchen und Vergleichen oder Codes und Zeichen zu lesen. Die Lage- und Drehlage-Erkennung dient häufig das Ansteuern von Robotern. Doch all das ist noch keine Qualitätssicherung am Produkt. Diese Aufgaben gehören eher zu den komplexeren: Mit der Kontrolle von Oberflächen, von Maßen und Farben wird die Aufgabe für das maschinelle Sehen schwieriger.

Bildverarbeitung nicht mehr wegzudenken

Heute ist die Industrielle Bildverarbeitung längst in der Kunststoffindustrie angekommen – und findet dort immer neue Anwendungsfelder. Laut VDMA, Frankfurt, sind die Lieferungen in die Gummi- und Kunststoffindustrie 2011 merklich gewachsen (+33 Prozent). Zwischen 2007 und 2009 waren sie kontinuierlich zurückgegangen. Eine Zunahme der Kunststoffverpackungen sowie von Kunststoffprodukten für die Medizintechnik, Pharmazie und Kosmetik bedeuten zusätzliche Marktchancen für den Einsatz der Industriellen Bildverarbeitung. Derzeit liegt der Branchen-Anteil am Umsatz von Bildverarbeitungssystemen 2011 wie auch 2010 bei knapp sechs Prozent. Daran werde sich auch, so Patrick Schwarzkopf, Leiter der VDMA Fachabteilung Industrielle Bildverarbeitung, 2012 nicht viel ändern.

Die Marktdaten des europäischen Bildverarbeitungsverband EMVA (European Machine Vision Association), Barcelona, Spanien, zeigen ein ähnliches Bild. Gabriele Jansen, Mitglied im Vorstand der EMVA und Geschäftsführerin von Vision Ventures, Heppenheim, interpretiert die Zahlen: „Zwar wird hier nur ein kleiner Teil des jährlichen Gesamtumsatzes der Anbieter aus Europa direkt dem Bereich Rubber & Plastic zugeordnet – etwa vier Prozent, aber knapp 14 Prozent des Gesamtumsatzes entfallen auf Container und Packaging, weitere sechs Prozent auf Pharma und Kosmetik, sowie knapp drei Prozent auf Medical Devices.“ Dies alles sind Bereiche in denen die Kunststoffverarbeitung einen signifikanten Anteil hat.

Unterstützt Nachhaltigkeit und Produktionseffizienz

Es ist das Potenzial der Industriellen Bildverarbeitung (IBV), das sie als das geeignete Qualitätssicherungs-Verfahren für die Produktion der Zukunft erscheinen lässt – auch und gerade bei Kunststoffprodukten für die Medizintechnik. Die Debatte zur Produktionseffizienz, zur Nachhaltigkeit zeigt, dass wir künftig mit möglichst geringem Material- und Energieverbrauch einen maximalen Nutzen erzielen müssen. Hohe Ausschussraten laufen diesem Trend zuwider. Dabei ist eine einwandfreie Qualität, die aber häufig eine 100-Prozent-Kontrolle erfordert, gerade in der Medizintechnik häufig unabdingbar. In der Praxis bedeutet dies für den Verarbeiter, dass jedes einzelne Teil, jeder Zentimeter einer Folie oder eines Stranges, jede einzelne Verpackung auf verschiedene – relevante – Parameter überprüft worden sein muss. Für das menschliche Auge eine nicht zu bewältigende Aufgabe.

Wann ist die Bildverarbeitung das richtige Verfahren?

„Als Methode zur Qualitätssicherung kann die Bildverarbeitung nur dann eingesetzt werden, wenn sich das Qualitätsmerkmal optisch darstellt oder abbilden lässt. Sofern dies der Fall ist, sollte dennoch überprüft werden ob und gegebenenfalls welche anderen Prüfverfahren möglich sind und welche Methode welche Vor- und auch Nachteile aufweist“, warnt Jansen bei aller Begeisterung für die Technologie davor, mit Kanonen auf Spatzen zu schießen. „Eine Qualitätskontrolle, die mit einem einfachen optischen Sensor möglich ist, sollte dann auch mit diesem und nicht mit einem kamerabasierten System durchgeführt werden. Die einfachste Lösung ist – meist – die beste.“

Die Qualität des Bauteils muss sich optisch erkennen lassen. Innenliegende Bauteilstrukturen oder Fehler (Einschlüsse) sind nicht darstellbar. Automatisierte Prüfmethoden sind auch dann sinnvoll, wenn beispielsweise ein hoher Ausschussanteil auftritt, weil das Produkt erst am Ende geprüft wird. Oder wenn die Prüfaufgaben zu komplex für das menschliche Auge oder zu monoton für das menschliche Gehirn sind. Besonders bedenkenswert ist dies, wenn es um Teile geht, die einer 100-Prozent-Kontrolle bedürfen. Schwarzkopf ergänzt: „Die Rückverfolgbarkeit kann ein relevanter Faktor sein, aber auch die Miniaturisierung ist ein wichtiger Aspekt. Und natürlich sind sehr schnelllaufende Prozesse und hohe Stückzahlen gute Argumente für den IBV-Einsatz.“

Jansen nennt weitere Beispiele: „Bildverarbeitungssysteme kontrollieren das Be- und Entladen von Verarbeitungsmaschinen durch 2D- bis 3D-Lageerkennung der Bauteile und Roboterführung. Nach der Spritzgussmaschine wird die Bildverarbeitung eingesetzt zur 100-Prozent-Qualitätskontrolle der produzierten Bauteile, beispielsweise auch mit Thermographiekameras. Oberflächeninspektion, Maßhaltigkeitskontrolle von Präzisionsteilen und Track & Trace anhand von 1D- und 2D-Codes sind alles Beispiele für den erfolgreichen Einsatz in der kunststoffverarbeitenden Industrie.“ Selbst in der Instandhaltung und damit der vorbeugenden Qualitätssicherung kann die Bildverarbeitung eingesetzt werden. So ist es möglich, durch maschinenintegrierte optische Scanner zur automatisierten 3-D-Digitalisisierung, den Verschleiß eines Umformwerkzeugs zu ermitteln, um dieses bei Bedarf rechtzeitig instandsetzen zu können.

Beraten lassen und Erfahrung sammeln

Eine gute Beratung ist vor dem ersten Einsatz der IBV ebenso notwendig wie eine sorgfältige Planung des Gesamtprojektes. Der erste Schritt ist – wie bei jedem Projekt – die Ausarbeitung eines detaillierten Lastenheftes als Basis für ein gemeinsam mit dem Anbieter der Bildverarbeitung zu erarbeitenden Pflichtenheftes. „Hier ist es besonders wichtig daran zu denken, dass das BV-System sich auf optische Informationen verlässt, das heißt, dass bei der Spezifikation die optische Stabilität – oder eben auch Instabilität – von Produkt und Prozess beachtet werden muss“, betont Jansen. So erfordere ein neues Werkzeug immer, auch die Randbedingungen neu zu bewerten. Bei der Anbieterauswahl ist Sorgfalt geboten und es sollte eine Reihe von Kriterien einbezogen werden, die über eine reine Preisbetrachtung hinausgehen.

Beispielsweise spielen auch Erfahrung, Referenzen, Breite und Tiefe des Leistungsangebotes, zur Verfügung stehende Ressourcen, Erreichbarkeit eine große Rolle für das Gelingen eines Projektes. Doch nicht jede IBV-Anwendung ist ein großes oder komplexes Projekt. Für eine Vielzahl von Aufgabenstellungen gibt es standardisierte Lösungen bis hin zu Komponenten, die der Anwender selbst integrieren kann. „Dies setzt jedoch eine gewisse Erfahrung voraus, die sich ein erstmaliger Anwender der Technologie zunächst aneignen muss“, warnt Jansen vor reinem Buy-Plug- and Play-Aktionismus.

Schon bei der Planung miteinbeziehen

Häufig werden Bildverarbeitungssysteme bereits bei der Planung einer Produktionsanlage oder einer Maschine mit einbezogen. Das hat Vorteile für die mechanische, elektrische und steuerungstechnische Integration des Systems, ebenso wie für die Bedienbarkeit der Anlage. Allerdings entwickelt sich die Technologie in der Bildverarbeitung sehr schnell weiter und erschließt sich durch ein sich kontinuierlich verbesserndes Preis-/Leistungsverhältnis immer wieder neue Anwendungsgebiete. Deshalb werden nach wie vor auch bestehende Anlagen nachgerüstet. Und erst wenn sich die neue Anwendung in der Praxis bewährt und den – monetären – Nutzen bewiesen hat, wird sie in die Planungen ähnlicher Anlagen standardisiert aufgenommen.

Grenzen der Technologie

Für ein bildbasiertes Verfahren müssen die qualitätsrelevanten Parameter optischer Natur sein – oder sichtbar gemacht werden können. Innenliegende Bauteilstrukturen oder auch innenliegende Fehler – wie beispielsweise Einschlüsse – können kaum erkannt werden. „Es gibt zwar erste Ansätze sich die Computertomographie als bildgebende Technologie auch in der Produktion zunutze zu machen, aber dazu müssen noch einige technische Herausforderungen gemeistert werden“, deutet Jansen an. Schwierig sind in der Praxis sogenannte „unkooperative optische Verhältnisse“. Dazu zählen starke Kontrastschwankungen. Tageslichteinfluss im Prüfbereich kann beispielsweise durch geeignete Lichtschutzmaßnahmen vermindert werden. „Bei fehlendem Kontrast, beispielsweise durch Schwarz auf Schwarz wie bei den Prägeziffern in Gummireifen gibt es Ansätze, die 3D-Bildverarbeitung als Methode zur Kontrasterzeugung zu nutzen: Höheninformation statt Grauwertinformation“, erläutert Jansen. Schwarzkopf ergänzt: „Auch die Kombination mit anderen Verfahren – beispielsweise der Thermografie – kann neue Anwendungen erschließen. Das gilt insbesondere für die Spritzgussfertigung.“

Technologieentwicklung mit hoher Geschwindigkeit

Noch vor einigen Jahren war die Geschwindigkeit der Messungen ein Thema, wenn es um die IBV zur Qualitätssicherung ging. Heute spricht davon kaum mehr jemand. Im Gegenteil: Neue technische Entwicklungen – dazu gehören die 3D-Bildverarbeitung, die Multispektral-Technologien, Image-Sensoren mit immer höherer Auflösung, Geschwindigkeit, Empfindlichkeit oder Dynamik, sowie die darauf basierenden Kameras mit den entsprechenden Schnittstellen – erschließen immer neue Anwendungen. Parallel zur Computertechnik steigt das Preis/Leistungverhältnis zu Gunsten der Nutzer, Komponenten werden kleiner, die Handhabung einfacher. „Auch die zunehmende Standardisierung erleichtert die Anwendung, was der Marktdurchdringung förderlich ist.“, stellt Schwarzkopf fest, wobei die Verbände – EMVA und VDMA – hierbei einen wesentlichen Beitrag leisten.

 

Technik im Detail

Der Bereich der Medizin- und Pharmatechnik zeichnet sich durch ein besonders hohes Anforderungsprofil bezüglich der Qualitätskontrolle aus. Hinsichtlich der Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Rückverfolgbarkeit der Prüfergebnisse sind höchste Ansprüche und Vorgaben zu erfüllen. 

Anwendungsbereich Medizin

Hier spielt die Prüfung von Stents und medizinischen Schrauben auf präzise Geometrie, Maße und Form eine ebenso wichtige Rolle wie die Kontrolle von zum Beispiel Hörgeräten und Zahnmodellen und die Vermessung von medizinischen Nadeln. Mit 3D-Prüfsystemen lassen sich eine schnelle und einfache Prüfung sowohl der einzelnen Produktionsschritte als auch der fertigen Endprodukte sicherstellen.

Anwendungsbereich Pharma

Zu den typischen Prüfungen gehören unter anderem das Lesen, Erkennen und Identifizieren verschiedenster Schriften und Codes (OCR/OCV, Datamatrix, Barcode, Braille-Schrift) auf unterschiedlichen Materialien wie Medikamenten-Schachteln, Ampullen oder Folien. Auch die Tablettenprüfung, die Verpackungskontrolle, Bedruckungskontrolle und Kunststoffspritzkontrolle  sind wichtige Aufgaben in diesem Bereich.

Nutzen

Der Einsatz von Bilderverarbeitungssystemen ermöglicht eine zuverlässige Realisierung der Null-Fehler-Strategie. Das System muss aber perfekt auf den jeweiligen Produktionsprozess abgestimmt und darüber hinaus jederzeit in der Lage sein, sich an neue Prüfkriterien anzupassen.

Autor

Über den Autor

Christine Koblmiller ist Redakteurin des Plastverarbeiter christine.koblmiller@huethig.de