Dauerbrenner Qualitätssicherung

Unbewusst benutzen wir heute täglich Technologien des maschinellen Sehens und der Industriellen Bildverarbeitung. Sie erleichtern unseren Alltag. Die Kamera eines Smartphones beispielsweise macht nicht nur Fotos. Sie kann noch mehr: Die Daten eingescannter Visitenkarten werden richtig zugeordnet und können direkt im Adressbuch gespeichert werden. Dank intelligenter Bildverarbeitung werden fotografierte Sehenswürdigkeiten erkannt und das Smartphone „versteht“ sogar eingescannte Wörter übersetzt sie in die gewünschte Sprache.

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 höchst unterschiedlich.

Aufgaben mit steigendem Schwierigkeitsgrad

Eher 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 Drehlageerkennung von Stückgütern dient häufig der Ansteuerung von Robotern. Doch all das ist noch keine Qualitätssicherung am Produkt. Die Aufgaben in der Qualitätssicherung 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. „Auch in einigen der übrigen Branchen, wie Automotive und deren Zulieferer, spielt die Kunststoffverarbeitung eine wichtige Rolle“, so Jansen.

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 von Bauteilen und Produkten aus Kunststoffen. 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. Gleichzeitig ist in vielen Bereichen eine Tendenz zu individualisierten Produkten sowie niedrigen Stückzahlen erkennbar. Fast schon wie selbstverständlich angenommen wird eine einwandfreie Qualität, die aber häufig eine 100-Prozent-Kontrolle erfordert – bereits heute von einigen Anwendern verlangt. Beispiele sind in der Automobilindustrie oder der Medizintechnik zu finden. 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 für die Qualitätssicherung kann die Bildverarbeitung nur dann eingesetzt werden, wenn sich die Qualität des Bauteils 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 – wie die Industrielle Bildverarbeitung – sind auch dann sinnvoll, wenn beispielsweise ein hoher Ausschussanteil auftritt, weil das Produkt erst am Ende geprüft wird. Wenn die Prüfaufgaben zu komplex für das menschliche Auge oder zu monoton für das menschliche Gehirn sind. Der Mensch wird andernfalls aufgrund schwankender Leistung zum Unsicherheitsfaktor. Besonders bedenkenswert ist dies, wenn es um sicherheitskritische Teile geht, die sehr häufig einer 100-Prozent-Kontrolle bedürfen. Schwarzkopf ergänzt: „Die Rückverfolgbarkeit kann ebenfalls ein relevanter Faktor sein, aber auch die Miniaturisierung ist ein wichtiger Aspekt. Und natürlich sind sehr schnelllaufende Prozesse, beispielsweise Folien, und hohe Stückzahlen gute Argumente für den IBV-Einsatz.“

Tankklappen von Fahrzeugen beispielsweise werden mit einem virtuellen Abziehverfahren auf Oberflächendefekte geprüft – bevor sie lackiert werden. Jansen nennt weitere Beispiele: „Bei Bahnwaren wie Kunststoff-Folien und -Filmen detektieren Zeilenkameras bei hoher Geschwindigkeit auf der kompletten Bahnbreite in 100-Prozent-Kontrolle kleinste Oberflächenfehler. 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 auf Handyschalen, Maßhaltigkeitskontrolle von Präzisionsteilen aber auch Druckbildinspektion auf Kunststoff-Flaschen und Track & Trace anhand von 1D- und 2D-Codes sind alles Beispiele für den erfolgreichen Einsatz der IBV 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.

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 – hier einen wesentlichen Beitrag leisten können.

Nachgehakt

Für welche Prüfaufgaben setzen Sie Industrielle Bildverarbeitung ein?

Seifert: Zum einen scannen wir Teile mit der Streifenprojektion: Hierbei werden bevorzugt in der Projektphase die ersten werkzeugfallenden Teile geprüft, um die nächsten Schritte bei der maßlichen Optimierung des Werkzeuges festzulegen. Oder wir prüfen den Teileverzug nach der Beschichtung oder Verschweißung der Rohteile als Abgleich. Außerdem wird zurzeit ein automatisierter optischer Profilprojektor (2D) für die Fertigungsfreigabe in der Serienproduktion eingeführt, mit dem bis zu fünf Bauteile durch ein Messprogramm gleichzeitig ausgewertet werden können. Weiterhin wird bei einem Artikel aus der Haushaltsindustrie nach dem Hinterspritzen eines Metallteiles eine optische Kontrolle durch Kamera und eine interne Auswerteeinheit durchgeführt. Kamerakontrollen in der laufenden Produktion auf Vollständigkeit von Montageteilen oder die optische Kontrolle von Oberflächen gehören schon fast zum Standard.

Wo stoßen Sie dabei an Grenzen?

Seifert:     Bei flexiblen oder instabilen Teilen, die vollständig eingescannt werden sollen, müssen für alle Raumlagen spezielle Konturaufnahmen vorliegen, um Verformungen der Teile zu vermeiden. Schwarze Teile müssen für optische 3D-Messungen mit weißem Titandioxid eingesprüht werden, um die Kontur der Bauteiloberfläche besser erkennen zu können. TiO2 lässt sich aber nur aufwändig entfernen und die Teile sind dann nicht mehr kundentauglich. Bei größeren Teilen müssen auf jedem Bauteil Referenzpunkte aufgeklebt werden. Kleinteile können in einem Referenzrahmen befestigt werden und damit deutlich komfortabler eingescannt werden. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass wegen der Abschattungen kleine Öffnungen nicht in der Tiefe erfasst werden können. Dieses Problem haben wir beim Prüfen von Sacklöchern für selbstschneidende Schrauben oder Gewinde.

Dieter Seifert ist Leiter QM-Labor bei
Weber Kunststofftechnik + Formenbau, Dillenburg

Optimal wäre ein kostengünstiges, universell einsetzbares Gerät für die 100-Prozent-Kontrolle der Bauteile im Spritzzyklus mit integrierter Anbindung an ein SAP-System.

Welche Herausforderungen begegneten Ihnen bei der Implementierung des Bildverarbeitungssystems?

Seifert:     Die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse wird durch den Falschfarbenvergleich mit dem Datensatz wesentlich erleichtert. Abweichungen können schnell lokalisiert und auch kundentauglich dargestellt werden. Beim 2D-System sind Präzision, Schnelligkeit sowie die kompakte Einheit vorteilhaft. Die Messgeschwindigkeit ist beim 3D-Messsystem sehr hoch. Beim 2D-System ist bei der Messung von mehreren Teilen gegenüber früheren Systemen eine wesentlich kürzere Mess- und Auswertezeit realisierbar. Allerdings müssen die Schnittstellen zur automatisierten Übertragung der Messergebnisse in ein SAP-System selbst programmiert werden. Beim 3D-System ist dies problematisch umzusetzen. Beim 2D-System haben wir es mit eigenen Ressourcen und zusätzlichen Equipment intern geschafft. Aufgefallen ist uns außerdem, dass insbesondere bei Videocheck-Systemen eine aufwendige Anlernphase und Betreuung der Analyse der Ausschussteile bei Systemänderungen notwendig wird.

Strenge Qualitätsvorgaben bei individualisierter Produktion und häufigen Modellwechseln – eine Vision der Industrieproduktion von morgen. Ist die Industrielle Bildverarbeitung eine Möglichkeit, diesen Anforderungen gerecht zu werden?

Seifert: Hier sehen wir eher Vorteile beim optischen Scannen via Streifenprojektion der Teile. Es müssen keine aufwendigen Messprogramme geschrieben werden, deshalb ist ein häufiger Modellwechsel kein Problem mehr. Auch andere optische Messsysteme vermessen sehr schnell, was zu Vorteilen bei häufigeren Wechseln der Bauteile führt. Unserer Erfahrung nach sind mit den von uns eingesetzten Verfahren Qualitätsvorgaben bis ± 0,02 mm realisierbar und für uns auch mittelfristig ausreichend. Die Nutzung der optischen 3D-Messtechnik in der Serienproduktion dagegen sehen wir zurzeit noch kritisch.

Insbesondere die Verdichtung auf fertigungsrelevante Maße und die automatisierte Dokumentation der Ergebnisse – Übertragung an ein SAP-System – ist hier noch nicht gegeben. Deshalb  werden wir in diesem Jahr eine taktile Messmaschine und kein optisches System in die Fertigungsfreigabe einführen. Die Einführung der CT-Technologie wäre für uns auch interessant, ist aber aus Kostengründen noch nicht wirtschaftlich.

Welche Wünsche an die Entwicklungen in der Industriellen Bildverarbeitung haben Sie?

Seifert: Vor allem die Anbindung an ein SAP-System ist immer noch unzureichend gelöst. Hier müssen immer individuelle Lösungen gefunden werden. Besser wären Komplettsysteme für diverse Anwendungsfälle, die möglichst universell und ohne komplexes Hintergrundwissen eingesetzt werden können.

Besonders bei 2D-System ist man zurzeit aufgrund von optischen Einschränkungen auf ein Messfeld von 100 mm beschränkt. Hier wären deutlich größere Messfelder von Vorteil, wobei die Geräte immer noch kostengünstig und komfortabel zu bedienen sein sollten. Optimal wäre ein kostengünstiges, universell einsetzbares Gerät für die 100-Prozent-Kontrolle der Bauteile im Spritzzyklus mit integrierter Anbindung an ein SAP-System. Ein großes Potenzial sehen wir noch in einfach zu bedienenden Systemen für Bedienpersonal und Einrichter in der Fertigung.