Integriertes BV-System

Die Fertigung von Elastomerprodukten ist ein heißumkämpftes Marktsegment. Kein Wunder, wenn man bedenkt, dass die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie Pharmaindustrie täglich rund 20 Millionen Gummidichtungen nachfragt und für den mittleren Qualitätssektor, hier vor allem den Maschinenbau und die Heizungstechnik, sogar pro Tag weltweit 80 Millionen Dichtungen benötigt werden. Von diesem großen Kuchen möchten sich verständlicherweise viele Unternehmen ein möglichst großes Stück abschneiden.

Während die eigentliche Fertigung auf die enorme Nachfrage mit einer ständig steigenden Automatisierung reagiert, bleibt die Qualitätsprüfung ein Sorgenkind. Dies liegt vor allem an den vielschichtigen Faktoren, die die Qualität von Elastomerprodukten im Produktionsprozess entscheidend determinieren. Eine zeit- und kosteneffiziente und somit wirtschaftliche Qualitätsprüfung im Sinne einer Null-Fehler-Philosophie galt daher in diesem Bereich bislang als nicht realisierbar. Andererseits gibt sich die Nachfrageseite mit Recht nur mit einer sehr hohen Qualitätsgüte von Elastomerprodukten zufrieden. Für die Produzenten in der Tat ein Dilemma, auf das man bisher nur mit einer 100prozentigen manuellen und somit sehr zeit- und kostenintensiven optischen Qualitätsprüfung reagieren konnte.

Man stelle sich einmal vor, wie in größeren Firmen nicht selten mehrere hundert Mitarbeiter allein damit beschäftigt sind, mit Lupe und Mikroskop Elastomerteile zu prüfen, während gleich neben an die Produktion hochgradig automatisiert ist. Selbst O-Ringe, gemeinhin als „Pfennigartikel“ bekannt, werden auch heute noch mit hohem manuellen Aufwand inspiziert. Um den hohen Qualitätsstandards der Luft- und Raumfahrtindustrie zu genügen, werden Dichtungen für dieses Abnehmerklientel mittlerweile aufwendig nachbearbeitet, damit sich der Ausschuss in vertretbaren Grenzen hält.

Angesichts dieser vertrackten Situation entschloss sich ein Unternehmen aus Schwerin, die Schere zwischen hochautomatisierter Elastomerfertigung und umständlicher manueller Prüfung durch ein optisches Prüfsystem, basierend auf digitaler Bildverarbeitung, zu schließen. „Im noch jungen und sich rasch technisch weiterentwickelnden Bildverarbeitungsmarkt besteht weltweit ein Absatzpotenzial allein für die Prüfung von Dichtungsringen von mehr als 700 Millionen Mark. Hier streben wir die globale Marktführerschaft an“, erklärt selbstbewusst Klaus Widmann, Geschäftsführer der KMK Mess- und Systemtechnik GmbH, dem Entwickler des optischen Prüfsystems für Elastomerdichtungen. Utopisch ist dieses Vorhaben keineswegs, immerhin gehört die KMK zur elexis AG, eine auf die Fertigungsautomatisierung spezialisierte Gruppe von Technologieunternehmen die seit Mai 1999 an der Börse notiert sind. Durch gezielte Akquisitionen in den zukunftsträchtigen Segmenten Bildverarbeitung, Robotik und Software will die elexis AG auch zukünftig ihre Fokussierung auf die Fertigungsautomatisierung international und produktseitig weiter vorantreiben.

Gewissermaßen die Eintrittskarte in das Wachstumssegment optische Qualitätsprüfung ist ein durchdachtes Konzept, das die Inspektion von Elastomerprodukten wie O-Ringe und Simmerringe automatisiert und sich vollständig in bestehende Fertigungsprozesse integrieren lässt.

Durch das Prüfsystem von KMK können alle mechanischen Abläufe vollautomatisch in den Prüfvorgang eingebunden werden. Möglich macht dies ein hochleistungsfähiges Bildverarbeitungssystem.

Um diese System flexibel und auch nahtlos in bestehende Fertigungskonzepte zu integrieren, stellen die Schweriner zwei Systemvarianten, ein Linear- und ein Rundtaktsystem, zur Verfügung. Beide basieren auf einem einheitlichen modularen Grundkonzept und lassen sich jederzeit an kundenspezifische Prüfanforderungen und -standards anpassen. Ein automatisiertes Prüfverfahren setzt natürlich ein effizientes Teilehandling voraus. Da es hierfür eine Vielzahl an Möglichkeiten gibt, wählte die KMK schließlich zwei gängige Methoden, die für eine besonders problemlose Einbindung in bestehende Automationskonzepte sprechen.

Bei der ersten Variante gelangen die Teile über einen Steilbandförderer in einen Wendelförderer, in dem sie positioniert und über eine Zwangsführung vereinzelt werden. Als Alternative bietet sich ein mit „Rasen“ ausgelegter Linearvibrationsförderer an, auf dem man die Prüflinge aus einem Vibrationsbunker schüttet. Die Ausrichtung der „Rasenhärchen“ entsprechen bei diesem Teilehandlingsystem der Förderrichtung der Prüflinge. Rotierende Bürsten stellen sicher, dass keine Teile übereinander liegen. Beide Handlingsysteme ermöglichen die Inspektion von Teilen unterschiedlicher Größe, da diese durch eine Mechanik an der Zwangsführung automatisch voreingestellt wird.

Aus der Zwangführung gelangen die Elastomerringe exakt positioniert und in einem genau definierten Abstand auf ein Förderband, das die Teile dem Linear- bzw. Rundtaktprüfsystem zuführt.

Das Linearsystem ist zur Inspektion rotationssymetrischer Teile konzipiert, wobei die Farbe der Prüflinge keinerlei Rolle spielt. Je nach Ringgröße und Qualitätsanforderungen erzielt dieses High Speed System einen Durchsatz von bis zu sechs Teilen pro Sekunde. Das Linearsystem lässt sich darüber hinaus je nach Qualitätsanforderungen an das Endprodukt in drei Stufen ausbauen.

In allen drei Stufen kommt das Herzstück des optischen Prüfsystems, eine auf die Besonderheiten von Elastomeren optimierte Bildverarbeitungssoftsware in Verbindung mit extrem schnellen Bildverarbeitungsprozessoren und hoch auflösenden CCD-Kameras, zum Einsatz. „Die von den Kameras aufgenommenen digitalen Bilder der Elastomeroberfläche werden nach dem Prinzip der Graubildstufen-Auswertung verarbeitet. Hierbei lassen sich durch eine spezielle Beleuchtung der Oberfläche alle Unebenheiten im Bereich von Schwarz bis Weiß abbilden“, erklärt Klaus Widmann. Die Bildverarbeitungssoftware unter dem Betriebssystem OS 9 vergleicht die so gewonnenen Daten mit den zuvor im Expertensystem voreingestellten Grenzwerten. Anhand der aufgenommenen Helligkeitswerte ist schnell entschieden, welche geprüfte Oberfläche fehlerhaft ist und welche nicht. Bei der millisekundenschnellen Aufnahme der Bilder werden alle Abweichungen vom Idealbild markiert. Die Auswertung erfolgt ebenfalls durch einen Vergleich mit den voreingestellten Grenzwerten. „In der Praxis stellt sich für den Betrachter auf dem PC-Monitor beispielsweise ein Riss als eine längliche schwarze Fläche, ein Loch als kleine runde schwarze Fläche und eine Blase als helle schwarze Fläche dar. Auf Grundlage der Kenntnis über das spezifische Zusammenspiel von Licht und Schatten bei verschiedensten Fehlern sowie des Materials und der Prüfumgebung können nicht nur Fehler äußerst zuverlässig identifiziert werden, auch Ablagerungen aus der Luft wie Rußpartikel und Staub, die unter normalen Bedingungen nicht als Fehler definiert würden, lassen sich bis zu einer gewissen Größe sicher erkennen und bewerten“, erläutert Widmann. Doch damit nicht genug: Selbst der Prüfzeitpunkt nach der Fertigung kann mit in die Bewertung einfließen. „Dies ist besonders wichtig bei Elastomerverbindungen, die schon nach relativ kurzer Zeit Veränderungen an ihrer Oberfläche aufweisen“, betont Widmann.

Welche Optionen der Produzent je nach geforderter Qualität seiner Elastomerteile beim Einsatz dieses Bildverarbeitungssystems hat, wird anhand der drei Ausbaustufen des Linearprüfsystems von KMK deutlich.Die erste Ausbaustufe des Linearprüfsystems dient zur Prüfung der Geometrie. Bei O-Ringen bedeutet dies eine Vermessung der Innen- und Außendurchmesser sowie der Schnurstärke. Aufgrund der aufgenommenen Bilder trennt sich die Spreu vom Weizen, gute Teile werden am Bandende ausgeblasen, während man die schlechten Teile in einen Behälter befördert. Diese Ausbaustufe ist primär zur Erkennung und Aussortierung von sehr groben geometrischen Abweichungen wie Restgrat, nicht vollständig ausgefüllte Teile etc. geeignet. In der zweiten Stufe, ebenfalls unter Einsatz eines Förderbandes, inspiziert das System Teile auf grobe Fehler an ihrer Oberfläche, wie etwa Löcher, Risse und Fremdkörper. Eine Kombination aus Geometrie- und Oberflächenprüfung ist mit der dritten Ausbaustufe gewährleistet. Sie besteht aus zwei Förderbändern und einer Wendestation. In dieser Stufe werden Geometrie und Oberfläche der Teile beidseitig auf Fehler detektiert.

Bei Dichtungselementen die höchsten Qualitätsansprüchen, z.B. für sicherheitsrelevante Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder in der Automobilindustrie, gerecht werden müssen, empfiehlt sich das Rundtaktprüfsystem. Durch eine zusätzliche Deformation des Prüflings erkennt dieses selbst kleinste Oberflächenrisse und Anomalien ab einer Fehlergröße von ±0,02 mm. Darüber hinaus garantiert das Rundtaktprüfsystem mit Inspektionsgeschwindigkeiten zwischen 1.800 bis 3.600 Teilen pro Stunde je nach Größe und Beschaffenheit der Elastomerdichtung – inklusive der Teiledeformation – eine sehr schnelle Qualitätskontrolle der Produkte.

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