Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen müssen Produktionsfehler ausgeschlossen sein. Wegen ihrer oft komplexen Freiformoberflächen aber ist eine Inspektion dieser Objekte bislang nur durch Mitarbeiter möglich. Menschen jedoch übersehen Fehler und können Bauteile nicht zwangsläufig immer im Takt der Produktion kontrollieren. Ein computergestütztes System des Fraunhofer ITMW ermöglicht es nun erstmals, automatisierte 100-Prozent-Kontrollen durchzuführen. Der Clou: eine Software berechnet vorab was die eingesetzte Kamera überhaupt sehen kann und korrigiert die Lage des Objekts entsprechend.

Sind Sie ein Morgenmensch? Oder sind Sie eher jemand, dessen natürliche Leistungsphase ihren Höhepunkt erst in den späteren Stunden am Tag erreicht? Sicher ist (auch wenn das einige vermutlich nicht glauben wollen): Sie sind mit hoher statistischer Wahrscheinlichkeit kein Nachtmensch. Zumindest nicht, wenn es darum geht, fokussiert und konzentriert zu arbeiten. Denn die Aufmerksamkeit und Leistungsfähigkeit eines Menschen nimmt ab, sobald es Nacht geworden ist. Für die meisten von uns stellt dieser Umstand kaum ein Problem dar. Anders ist es, wenn auch nachts, auf »Schicht«, gearbeitet werden muss. Dann nämlich steigt zum einen das Unfallrisiko der Schichtarbeiter teils eklatant an. Und zum anderen erhöht sich signifikant die Wahrscheinlichkeit, Fehler zu machen. Vor allem bei Kontrollaufgaben wie der Qualitätsprüfung kann das problematisch werden. Etwa, wenn es um sicherheitsrelevante Bauteile wie Flugzeugturbinen oder Bremsscheiben geht.

Bislang aber ist es kaum möglich, Menschen in diesen Bereich zu entlasten und die Oberfläche auch komplexerer Bauteile mithilfe hochpräziser Videotechnik so zu analysieren, dass die Qualitätskontrolle vollständig automatisiert erfolgen kann. Grund dafür ist vor allem, dass Oberflächenfehler vielfältig sind. Allein durch Werkzeugabnutzungen und Verschmutzungen kann es zu kleinsten Veränderungen kommen, die je nach Oberflächenbeschaffenheit nur unter bestimmten Bedingungen für Maschinen erkennbar sind. »Komplexe Freiformoberflächen auf Fehler zu untersuchen bedeutet für eine Maschine nicht nur, die Oberflächenform genau zu kennen, sondern auch Variablen wie Lichteinfall oder Kameraposition exakt zu berücksichtigen«, erklärt Markus Rauhut vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. Während Menschen die sich verändernden Umstände durch Erfahrung (zumeist teilweise) ausgleichen, falle es Inspektionssystemen schwer, so flexibel »mitzudenken«, dass sie individuell und treffgenau arbeiten.

Umlaufende Inspektion

Rauhut und sein Team setzen deshalb auf ein System, das nicht nur die Rahmenbedingungen möglichst exakt berücksichtigt, sondern auch »weiß«, wo mögliche Problemstellen bei der Analyse liegen können. »Die Software ist dafür so konzipiert, dass sie anhand des spezifischen Produkts individuelle Scanpfade für die auf einen Drehteller platzierten Objekte berechnet«, sagt Rauhut. Sie nutzt dabei die Vorteile des »Raytracing«: Mithilfe dieses Verfahrens lassen sich Vorhersagen berechnen, welche Bereiche eines Bauteils aus welcher Position sichtbar sind.

Bild: Petra Gospodnetic|Fraunhofer ITWM

Rauhut: »Wir bilden dafür in den Rechnern eine virtuelle Kamera nach. So können wir schon vorab sehen, wo wir bei welchem Betrachtungswinkel zwischen Kamera, Licht und Oberfläche welchen theoretischen Defekt überhaupt erfassen können.« Dabei stelle sich nicht selten heraus, dass es Stellen gibt, bei denen das System keinen »Einblick« hat. Dann müssen Position des Objekts, Lichteinfall oder andere Parameter zunächst virtuell so verändert werden, dass eine vollständige Inspektion möglich ist. Erst anhand der so ermittelten optimalen Einstellungen wird dann das reale Objekt erfasst.

Robotergestütztes Oberflächeninspektionssystem

Das EPI-System (EPI steht für revolving/evolving product inspection) des Fraunhofer IWTM besteht aus einem sechsgelenkigen Roboterarm mit einer Kamera und einer Ringbeleuchtung. »Zur Vorbereitung der Scans nutzen wir Vorwissen, das sich aus den vorhandenen CAD-Daten ableiten lässt«, sagt Rauhut. Die anhand der »Führung« durch die CAD-Daten gewonnenen Bildaufnahmen werden anschließend analysiert und das so erfasste reale Objekt wieder mit dem CAD-Modell abgeglichen. Die aufgenommenen Bilder werden automatisiert und die Inhalte online auf Oberflächenfehler untersucht. Dabei werden auch unerwünschte Reflexionen und Hell-Dunkel-Übergänge berücksichtigt und letztlich »herausgerechnet«. Geprüfte Bauteilregionen werden farblich gekennzeichnet. Für den gesamten Vorgang ist für bestimmte Produkte eine herkömmliche Kamera mit einer Auflösung von 2448 × 2050 Pixel und eine diffuse Beleuchtungseinheit vollkommen ausreichend. Für andere Produkte müssen Kamera und Beleuchtung gewechselt werden. Allerdings stimmen CAD Modell und reales Objekt oftmals nicht auf den Millimeter genau überein. »Wir arbeiten deshalb mit automatischen Fehlerkorrekturen, mit der die vorhandenen harten Werte ohne einen Qualitätsverlust etwas flexibler gehandhabt werden können«, betont Rauhut.

Das System ist zunächst nicht darauf ausgelegt, schneller zu sein als menschliche Inspektoren. »Uns geht es darum, automatisierte Kontrollen zu ermöglichen, die im Takt der Produktion arbeiten und konstant die gewünschte 100-Prozent-Leistung bringen«, so Rauhut. Ein Prototyp des EPI-Systems ist derzeit bei einem Bremsscheibenhersteller testweise im Einsatz. Sollten sich die aktuell guten Erfahrungen weiter bestätigen dürften schon in mehreren Jahren die Marktreife erreicht sein. (hen)

Keine Kommentare vorhanden

Das Kommentarfeld darf nicht leer sein
Bitte einen Namen angeben
Bitte valide E-Mail-Adresse angeben
Sicherheits-Check:
Sechs + = 10
Bitte Zahl eintragen!
image description
Experte
Alle anzeigen
Markus Rauhut
  • Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Weitere Artikel
Alle anzeigen
(Teil)Spiegelnde Oberflächen und inverse Muster  
Gut Zuhören
Pure Qualität
Stellenangebote
Alle anzeigen