Qualitätssicherung/Messtechnik Einfach sehen, was wirklich da ist: Anspruchsvolle Oberflächeninspektion leicht gemacht Bild 1: Optische Methoden haben sich in der Qualitätssicherung als Alternative zur manuellen Prüfung bewährt, weil sie weniger fehleranfällig sind Autoren: Bei der Qualitätskontrolle von Bauteilen haben sich optische Verfahren bewährt. Die Bandbreite von Prüfmethoden reicht vom Menschen, der den Prüfling inspiziert, bis zum hochautomatisierten System mit Kamera und Bildauswertung. Den steigenden Anforderungen, welche oftmals in die Richtung einer Fehlerrate von 0 ppm gehen, wird die Prüfung durch den Menschen nicht gerecht. Die notwendige Prüfsicherheit ist oftmals nur über eine automatisierte optische Kontrolle möglich, was auch wirtschaftlich immer attraktiver wird. Bei der Auswahl der Prüfmethode sollten alle möglichen Fehlerquellen bekannt sein, welche die Prüfqualität beeinflussen können, damit man alle Defekte erkennt und den Pseudoausschussanteil minimiert. Gerade bei Funktionsteilen dürfen optische Abweichungen jedoch nicht als Fehler eingestuft werden. Ein viel versprechendes Prüfverfahren nutzt ein optimiertes Shape-from-Shading- Prinzip, um die Oberflächentopologie des Prüflings unabhängig von den optischen Eigenschaften zu bestimmen. Grundlagen Bei Produkten mit Funktionsflächen, ebenen Metallteilen oder medizinischen Produkten und Verpackungen sind Fehler auf der Oberfläche bestmöglich zu vermeiden, aber in der Herstellung oft nicht vollständig auszuschließen. Eine Qualitätsprüfung erlaubt es, Schlechtteile auszusortieren und so trotzdem nur einwandfreie Ware zu liefern. Weil das Zeit und Geld kostet, wird die Qualitätskontrolle nur eingesetzt, wenn die Qualitätsanforderungen entsprechend hoch sind. Falls das Produkt, wie in der Automobil- oder Medizintechnik, über Leben und Tod entscheiden kann, ist sie ein unverzichtbarer Baustein im Herstellungsprozess. Aber auch bei hochwertigen Gütern und Luxusartikeln wirkt sich ein Defekt negativ auf das Image der Marke aus, sodass sich die Qualitätskontrolle trotz zusätzlichem Aufwand lohnt. Automatisierte optische Methoden haben sich hier in den letzten Jahren als zuverlässige, günstige und flexible Alternative zu herkömmlichen Prüfverfahren (z.B. taktile Prüfung, manuelle Prüfung) bewährt. Durch die objektive Betrachtung sind sie auch bezüglich der Falscherkennung besser als die manuelle Prüfung (Bild 1). Die Produktion großer Stückzahlen erfordert schnelle, robuste Verfahren, die sich leicht in einen industriellen Prozess integrieren lassen. Für die hochauflösende Weißlicht-Interferometrie beispielsweise Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Grimm Sales & Marketing Director bei der SAC Sirius Advanced Cybernetics GmbH Dipl. Phys. Marco Antoni Redaktionsbüro Stutensee Bild 2: Fehlerhafte Produkte müssen zuverlässig als solche erkannt werden. Gleichzeitig sollen aber auch möglichst wenig gute Produkte als Pseudoausschuss aussortiert werden. Das Helligkeitsbild der Membran (a) zeigt kaum erkennbare Fehler. Im Krümmungsbild (b) wird die Beschädigung sichtbar 42 4/2016
Qualitätssicherung/Messtechnik Bild 3: Reflektierende Materialien sind rein optisch (a) schwierig erfassbar. Mit diffuser Beleuchtung und Shape from Shading (b) werden die Oberflächeneigenschaften dennoch sichtbar Bild 4: Die prozessbedingten Schwankungen in Farbe oder Helligkeit dürfen hier nicht zur Einstufung als Ausschuss führen sind die geforderten Taktzeiten in der Regel zu kurz und die Anforderung an die Mechanik zur Präsentation des Prüflings vergleichsweise hoch. Herausforderungen der optischen Oberflächeninspektion 4/2016 Ziel der Oberflächeninspektion bei größeren Stückzahlen ist es, anhand vorgegebener Kriterien für einen Prüfling möglichst günstig und schnell zu entscheiden, ob er die Qualitätsanforderungen erfüllt oder nicht. Am wichtigsten ist dabei, dass fehlerhafte Produkte zuverlässig als solche erkannt werden. Gleichzeitig sollen aber auch möglichst wenig gute Produkte fälschlich als schlecht aussortiert werden (Bild 2). Ein solcher Pseudoausschuss muss nachproduziert werden, was insgesamt höhere Herstellungskosten bedeutet. Des Weiteren sollen die Prüfergebnisse dokumentiert werden können und die Möglichkeit bieten, den vorgelagerten Produktionsprozess zu optimieren. Schließlich muss sich das Prüfsystem einfach in die übergeordnete Steuerung integrieren lassen, damit diese die Schlechtteile ausschleusen kann. Dabei gibt es bei optischen Messmethoden einige Fallstricke: reflektierende Materialien, wie Metalle, sind optisch schwierig erfassbar (Bild 3). Farbe oder Bild 5: Rückstände von Schmiermitteln, Wasser und Reinigungsmitteln verändern an zufälligen Stellen die Farb- und Reflexionseigenschaften (oben). Das Krümmungsbild (rechts) wird davon nicht beeinflusst Helligkeit der Prüflingsoberfläche können prozessbedingt schwanken, was aber gerade bei Funktionsteilen nicht zur Einstufung als Ausschuss führen darf (Bild 4). Bei einem Prüfling, der aus mehreren Materialien besteht, kann der gleiche Fehler verschieden aussehen und damit schwieriger zu erkennen sein, je nachdem, in welchem der Materialien er auftritt. Auf den Bauteilen verändern Konservierungsmittel sowie Rückstände von Wasser oder Reinigungsmitteln an zufälligen Stellen die Farb- und Reflexionseigenschaften (Bild 5). Je nach Funktion des Bauteils kann eine Erhöhung einen Fehler darstellen, eine Vertiefung dagegen harmlos sein. Ob der Prüfling in Ordnung ist, muss dennoch zuverlässig festgestellt werden. Ebenfalls müssen Bauteile mit komplexer Geometrie des Prüfbereichs, wie sie beispielsweise bei Wellenscheiben oder Kugelkalotten vorkommt, in allen Bereichen mit vergleichbarer Prüfschärfe kontrolliert werden können. Erfassung der Oberflächentopologie Um die Herausforderungen zu bewältigen, bietet sich ein Shapefrom-Shading-Ansatz an, welcher über eine kontrollierte diffuse Beleuchtung die Informationen des Prüfbereichs in zwei Kanäle aufsplittet – Helligkeit und Topologie. Optische Eigenschaften, wie Farb- und Helligkeitsschwankungen, können im Helligkeitsbild bewertet werden. Die Oberflächentopologie kann unabhängig von den optischen Eigenschaften im entsprechenden Kanal bestimmt werden. Eine Unterscheidung von Erhöhung und Vertiefung ist nun einfach möglich (Bild 6). Die diffuse Beleuchtung bringt noch einen weiteren Vorteil: Störende Glanzeffekte werden so vermieden. Diesen Ansatz verwendet die SAC Sirius Advanced Cybernetics GmbH bereits seit zehn Jahren erfolgreich im industriellen Umfeld, um die Prüfqualität von 3D-Verfahren mit der Geschwindigkeit moderner 2D-Bildverarbeitung zu verbinden. Bisher ist ein sehr leistungsfähiges modulares System verfügbar, das an die jeweilige Prüfaufgabe angepasst wird. Nun ist mit trevistaCAM zusätzlich ein Standardprodukt erhältlich, das sehr schnell einsatzbereit ist und für viele Anwendungen ausreicht (Bild 7). Das patentierte System besteht aus einer intelligenten Dombeleuchtung, einer Kamera und der Auswertesoftware. Die Beleuchtung hat die Form einer Halbkugel, unter der der Prüfling positioniert wird. Über eine spezielle Anordnung und Ansteuerung der LEDs entste- 43
