Extreme Temperaturunterschiede bei der Herstellung können zu Restspannungen in Glasprodukten führen, die sie instabil machen. Bisher war es in der Industrie jedoch nicht möglich, jedes einzelne Produkt auf dem Weg in den Verkauf darauf zu überprüfen. Das dürfte sich mit dem Einsatz der Polarisationskamera POLKA ändern. Denn im Gegensatz zu anderen Kameras kann sie neben Farbe und Helligkeit auch die Polarisation des Lichts erfassen. Die gemessenen Polarisationswerte können dazu genutzt werden, problematische Stellen im Glas aufzuspüren und fehlerhafte Objekte unmittelbar auszusortieren.

Glühbirnen, Solarzellen, Scheinwerfer, Handydisplays – jedes Jahr werden in Deutschland unendlich viele Produkte aus Glas produziert, die in den verschiedensten Branchen benötigt werden. Laut dem Bundesverband Glasindustrie laufen pro Jahr circa 16 Milliarden Getränkeflaschen und Lebensmittelgläser über die Fließbänder. Während der Produktion ist das Glas extremen Temperaturen ausgesetzt: Aus dem über 1000 Grad heißen Schmelzofen geht es in die Kühlung. Dabei kann es zu mechanischen Fehlern im Glas kommen: Bleiben diese während der Produktion unbemerkt, steht das Material unter Spannung: Es wird instabil und kann beim Transport zu Bruch gehen. Fehlerhafte Produkte müssen also idealerweiser noch während der Herstellung aussortiert werden. Um diesen Vorgang zu vereinfachen, haben die Forscher am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS die Spezialkamera POLKA entwickelt. Die Kamera nutzt polarisiertes Licht, um Spannungen in transparenten Materialien wie Glas oder Kunststoff zu messen und zu analysieren.

»Licht hat verschiedene Eigenschaften, die wir mit dem menschlichen Auge sehen können: die Farbe und die Intensität. Licht hat aber noch eine weitere Eigenschaft, die wir nicht sehen können: Polarisation. Sie sagt aus, in welche Richtung die Welle schwingt«, erläutert Arne Nowak, Leiter der Arbeitsgruppe Bildgebende Verfahren in der Abteilung Bildsensorik am Fraunhofer IIS. Bei den meisten natürlichen Lichtquellen wie der Sonne aber auch bei normalen Lampen sind alle Polarisationsrichtungen vorhanden. Das bedeutet, das Licht ist unpolarisiert. »Herrscht aber eine Schwingungsrichtung vor oder ist nur eine vorhanden, spricht man von Polarisation«, erklärt Nowak. Das Sonnenlicht wird zum Beispiel polarisiert, wenn es auf die Moleküle in der Atmosphäre trifft. Die Wissenschaftler am Fraunhofer IIS haben sich das Prinzip der Polarisation zunutze gemacht, um die Qualitätssicherung von Glas- und Kunststoffprodukten zu verbessern. »Wenn man Glas mit polarisiertem Licht beleuchtet und eine mechanische Spannung im Glas besteht, dann wird die Polarisation des Lichts beeinflusst, sobald es auf diese Spannung trifft. Und man weiß: Hier befindet sich ein problematischer Bereich im Glas«, so Nowak.

Prototyp der Polarisationskamera POLKA des Fraunhofer IIS. Bild: Fraunhofer IIS

Auf diesem Vorgang basiert die Technik der Spezialkamera POLKA, deren Herzstück ein neuartiger, patentrechtlich geschützter Bildsensor ist. Um polarisiertes Licht zu messen, verwendet der Sensor Gitterfilter. Diese Filter lassen elektromagnetische Wellen, die senkrecht zu dem Gitter stehen, hindurch und blenden die anderen größtenteils aus. »Wenn man den Polarisationszustand auf herkömmliche Art und Weise messen möchte, müssen mehrere Aufnahmen mit unterschiedlich ausgerichtetem Polarisationsfilter gemacht werden«, erklärt Nowak. Um den linearen Anteil der Polarisation zu messen, wurden mehrere Gitterfilter in den Bildsensor integriert. So kann die Kamera eine einzige Aufnahme gleichzeitig mit vier verschiedenen Winkeln machen – null Grad, 45 Grad, 90 Grad und 135 Grad. Das System wertet die einzelnen Messwerte aus und berechnet daraus die Polarisationsinformationen. Die Software visualisiert die Ergebnisse anschließend so, dass man auf einen Blick erkennt, wo sich Spannungen im Glas befinden. In einer farblichen Darstellung stehen stark gesättigte Farben beispielsweise für stark polarisiertes Licht; an den Stellen, wo die Farben blasser sind, ist der Anteil des polarisierten Lichts gering.

Die Kamera kann in eine Produktionsanlage integriert werden und ermöglicht ein deutlich höheres Maß an Qualität, als bis dato in der Produktion denkbar war: Bisher wurden in der Glasherstellung lediglich Stichproben genommen und einzelne Flaschen im Labor auf Restspannung geprüft. Mit POLKA kann nun jede einzelne Flasche schon während der Herstellung geprüft und fehlerhafte Flaschen können aussortiert und direkt wieder eingeschmolzen werden.

Software zur Messung der Restspannung im Glas. Bild: Fraunhofer IIS

Bei Glasflaschen wird zum Beispiel der Boden vermessen, in dem die Kamera von oben in die Flasche schaut. Weil er relativ dick ist und im Kühlofen am ungleichmäßigsten abkühlt, sammeln sich dort die meisten Spannungen. Die Aufnahmezeiten der Kamera sind so kurz, dass auch Objekte in Bewegung – wie die Flaschen auf dem Fließband – gestochen scharf aufgenommen werden können. »Das System eignet sich aber nicht nur für Flaschen, sondern für jegliche Art von Glasprodukten. Besonders bei Glasgefäßen wie Ampullen, die in der Medizin oder der Chemie zum Einsatz kommen, spielt die Stabilität eine große Rolle. Diese enthalten oft sehr teure oder gefährliche Stoffe und die Hersteller wollen sichergehen, dass sie nicht zerbrechen«, sagt Nowak. Zurzeit wird POLKA in der Praxis erprobt. Die Kamera wurde in einer Glasflaschen-Prüfanlage des Unternehmens Optische Prüfsysteme Dr. Günther integriert. Ab Ende des kommenden Jahres rechnet Nowak mit einer Markttauglichkeit des Systems. Bis dahin wollen die Forscher den Bildsensor und die Kameratechnik weiter optimieren.

POLKA ist übrigens nicht nur für die Qualitätskontrolle von Glas geeignet. Die Kamera kann auch bei der Produktion von kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt werden, die etwa in der Automobilindustrie immer häufiger genutzt werden. Da Kohlenstofffasern das Licht senkrecht zur ihrer Ausrichtung polarisieren, lässt sich auch die Faserausrichtung prüfen. Stabilitätsprobleme werden auch hier schnell und zuverlässig erkannt. (mdi)

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Michael Schöberl
  • Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
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