Qualitätsprüfung auf Masshaltigkeit und Oberflächenfehler

Hersteller von Halbzeugen stehen zunehmend vor der Herausforderung, präzise gefertigte Teile mit Toleranzen von wenigen 1/100 mm ohne Oberflächenfehler zu fertigen und deren Qualität zu dokumentieren. Besonders bei Halbzeugen wie Stanz-, Press- oder Gussteilen, die am Anfang jeder Wertschöpfungskette stehen, ist das Einsparpotenzial durch eine frühzeitige Fehlererkennung enorm. Abhilfe schaffen schnelle Prüfautomaten, die die Bauteile beispielsweise optisch und taktil auf festgelegte Merkmale hin präzise inspizieren. Hierzu werden die Bauteile vereinzelt, orientiert und nacheinander zu Prüfstationen transportiert. Alternativ beziehungsweise ergänzend kommen Roboter zum Einsatz, die Sensorik oder Bauteil bewegen. Das Problem dabei: Dabei wird immer mindestens eine Stelle der Bauteiloberfläche verdeckt. Zur vollständigen Inspektion muss das Bauteil daher nach der ersten Prüfung immer ein zweites Mal positioniert werden. Das kostet Zeit, die man im Produktionstakt meist nicht hat. Als einzige wirtschaftliche Qualitätsprüfung bleibt am Ende meist nur die manuelle Stichprobenprüfung übrig, zum Beispiel in Form einer Sichtprüfung oder einer taktilen Lehrenprüfung.

100-Prozent-Prüfung im freien Fall
Eine wirtschaftliche Alternative bietet die kamerabasierte Prüfung der Teile im freien Fall mit dem System Inspect-360°. Mit ihr lassen sich unterschiedlich geformte Halbzeuge schnell auf Masshaltigkeit, Textur, Reinheit sowie Beschichtungen prüfen – und das in einem einzigen System vereint in einem einzigen Vorgang. Per Förderband werden dazu die Teile einzeln in eine Hohlkugel befördert und im freien Fall von einem Multikamerasystem gleichzeitig aus allen Richtungen inspiziert (Bild 1). Dank einer diffusen Beleuchtung werden bei blanken Oberflächen oder vorhandenem Ölbelag sowohl Schlagschatten als auch störende Reflexe weitgehend vermieden.
Die Teile passieren das Messvolumen vereinzelt, aber in beliebiger Orientierung – ein spezifisches Handling der Halbzeuge ist nicht notwendig. Nach dem Passieren der Prüfkugel werden die Teile über eine Rutsche auf ein Förderband geleitet, von wo aus Fehlerteile ausgeschleust werden können. Geeignet ist die Methode für alle Bauteile, deren Qualitätseigenschaften durch den Fall aus einer Höhe zwischen 0,6 bis 2 m je nach Bauteilgrösse auf eine weiche Unterlage nicht beeinträchtigt werden. Für die meisten als Schüttgut gehandelten Metall- und Kunststoffteile ist dies der Fall.

CAD-Daten für typunabhängige Prüfung
Vor Beginn der Prüfung werden die CAD-Modelle aller zu prüfenden Teiletypen dem System einmalig bekannt gemacht. Das System berechnet zu diesem Zeitpunkt einmalig und automatisch Merkmale aus jedem CAD-Modell und hinterlegt diese zum jeweiligen Teiletypen. Die Posenschätzung (Bestimmung von Lage und Orientierung) erfolgt für jede Messung im Sekundentakt in einem zweistufigen Verfahren aus den Bildern unter diffuser Beleuchtung. Zunächst wird die grobe Pose durch Vergleich der zuvor aus dem CAD-Modell berechneten Merkmalen und den aus den Bildern berechneten Merkmalen bis auf einige Winkelgrad genau geschätzt. Im zweiten Schritt erfolgt die genauere Anpassung der Pose aus dem Konturvergleich der aufgenommenen Bilder und den CAD-Daten. Dieses iterative Verfahren bestimmt die Pose auf zirka 1 px genau. Das Verfahren wurde inzwischen so weit entwickelt, dass die Pose auch für Teile mit Scheinsymmetrie, bei denen nur ein unscheinbares Merkmal die Symmetrie aufhebt, zuverlässig erkannt werden kann. Durch diese rein rechnerische Posenschätzung kann erstens auf eine orientierte Zuführung der Bauteile verzichtet werden. Und zweitens ist das Freifall-Verfahren hierdurch automatisch typunabhängig, da lediglich das CAD-Modell als erwartete Geometrie bekannt gemacht werden muss.

Prüfung von Masshaltigkeit und Textur
Im Anschluss an die Posenschätzung wird das Teil auf Masshaltigkeit geprüft. Hierzu gibt es zwei Optionen: Erstens kann mittels globalem Schwellwert festgelegt werden, wie gross die maximal zulässige Konturabweichung zum CAD-Modell eines Teils sein darf. Zweitens können pro Teiletyp zwei zusätzliche CAD-Modelle verwendet werden, die die oberen und unteren Grenzen der Toleranz lokal festlegen. Hierdurch können Bereiche mit engen und weiten Toleranzen auf dem Teil berücksichtigt werden. Eine Prüfung auf bis zu 30 µm ist hierdurch möglich.
Die Textur der Teile wird mittels KI-basierter Anomaliedetektion geprüft. Auffälligkeiten auf der Oberflache können damit schnell erkannt werden, was für viele Anwendungen bereits einen grossen Nutzen darstellt. Für das Training des neuronalen Netzes werden nur Gut-Teile benötigt, sodass ein umfangreiches Suchen von Fehlerteilen im Vorfeld entfallen kann. Mit dem Verfahren werden beispielsweise oberflächliche Einschlüsse, Verfärbungen, Kratzer und Risse detektiert.
Neben der diffusen Beleuchtung können weitere Beleuchtungsarten eingesetzt werden, um mögliche Defekte sichtbar zu machen. Durch den Einsatz einer zusätzlichen UV-Beleuchtung werden organische Substanzen auf der Oberflache zur Fluoreszenz angeregt. Dadurch können zusätzlich Beschichtung und Reinheit auf der Bauteiloberflache quantitativ geprüft werden.
Aber auch Mikrorisse, die nicht mit dem Auge sichtbar sind, können durch die UV-Beleuchtung detektiert werden, wenn ein fluoreszierendes Flux- oder Penetranzmaterial aufgebracht wurde. Dies ist ein typische Fehlerbild was bei Gussteilen sicher erkannt werden muss – auch das gelingt im freien Fall (Bild 2). Je nach Systemausführung liegt die optische Auflösung bei 30 bis 200 µm. Der Durchmesser der prüfbaren Teile reicht von wenigen Millimetern bis zu rund 25 cm.

100-Prozent-Prüfung von Stanzteilen
Steckverbindungen, Hülsen oder Pins werden mit hoher Präzision und in hohen Stückzahlen aus Blechen gestanzt. Sie kommen in zahlreichen Hightech-Produkten zum Einsatz, zum Beispiel im Automobil, in der Telekommunikation, in elektronischen Systemen oder in der Medizintechnik. Bisher konnte die Qualitätssicherung bei Schüttgut mit dem hohen Produktionstakt von Stanzprozessen nicht mithalten. Stanzteile werden daher heute meist nur stichprobenartig per Sichtprüfung oder mithilfe von CT-Scans geprüft. Inspect-360° wurde dah er in einem Produktionsprozess für Steckverbindungen aus Kupferblech getestet, von denen 330 Teile/min gefertigt werden.
Die bis zu 40 mm grossen Teile werden aus der Stanzmaschine einzeln in eine Prüfkugel befördert und werden darin frei fallend von einem hochauflösenden Multikamerasystem aus unterschiedlichen Perspektiven erfasst (Bild 3). Das Aussortieren falscher Teiletypen, die sich mitunter nur geringfügig von den richtigen Teilen unterscheiden, ist mit dem Verfahren ebenfalls möglich. Somit lassen sich ganze Chargen mit vielen hunderttausend Teilen, die nur eine Handvoll falscher Teile beinhalten, wirtschaftlich sortieren.

Fazit und Ausblick
Die kamerabasierte Inline-Prüfung im freien Fall ermöglicht eine 100-prozentige Kontrolle der Masshaltigkeit von Halbzeugen wie Stanz- und Gussteilen mit einer Genauigkeit von bis zu 100 Mikrometern. Die Methode ist typunabhängig und kann flexibel für verschiedene Teileformen und -grössen ohne nennenswerten Rüstaufwand verwendet werden. Durch die Verwendung diffuser Beleuchtungstechniken und spezieller UV-Beleuchtung werden selbst kleinste Oberflächendefekte und Verunreinigungen erkannt. Künftig werden bei den Bildauswertungen verstärkt KI-Modelle insbesondere zur Oberflächenprüfung eingesetzt.

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