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Komplette Prozessoptimierung

Sichere Fehleranalyse mit Highspeed Video
Komplette Prozessoptimierung

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Die frühzeitige Vermeidung von Fehlerquellen im Fertigungsprozess steigert die Produktqualität, optimiert den Prozessablauf und reduziert die Kosten. Für diese nachhaltige Strategie erwies sich beim Batterie-Produzenten VARTA die digitale Hochgeschwindigkeits-Kamera MotionBlitz Cube als äußerst effizientes Werkzeug.

Dipl.-Ing. Kamillo Weiß, Fachjournalist, Leinfelden-Echterdingen Tel. 0711/755956, Fax 0711/752198, Email: Kamillo.Weiss@ kamillo-pr.de

Digitale Hochgeschwindigkeits-Kameras gewährleisten die unmittelbare Einsicht in schnell ablaufende Vorgänge die sich dem menschlichen Auge entziehen. Immer mehr Unternehmen nutzen diese Analysetechnik sowohl in der Entwicklung als auch in der laufenden Produktion zur schnellen Ursachenforschung und nachhaltigen Optimierung von Produkten, Anlagen und Prozessen.
Bei Varta Consumer Batteries in Dischingen, einem der weltweit größten Produzenten von Batterien, erwies sich die kompakte Kamera MotionBLITZ Cube2, des Herstellers Mikrotron GmbH in Unterschleißheim, an vielen Produktionsschritten als äußerst nützliche Technologie. In der Anlagen- und Prozessplanung ebenso wie in der Wartung und Instandhaltung konnten dadurch viele gänzlich unterschiedliche Probleme und Fehlerursachen erkannt, behoben, sowie die Effektivität von Prozessen durch bessere ‚Einsicht’ optimiert werden.
Problem erkannt Fehler gebannt
Bei Taktraten bis zu 600 pro Minute hat man im Dischinger Batterie-Werk mit bloßem Auge keine Chance, die Ursache von Fehlern in der laufenden Produktion eindeutig zu erkennen. Nur die Zeitlupen-Technologie mit modernen digitalen Hochgeschwindigkeits-Videosystemen liefert eindeutige Ergebnisse verborgener Ursachen und deren messtechnisch erfassbare Details. In den schnell laufenden Rundtaktanlagen erzielt eine gesteigerte Prozessqualität nicht nur Kostenvorteile, sondern verbessert über die Produktqualität letztendlich auch das Image bei den Kunden bis hin zu den Endverbrauchern.
Aus diesen Überlegungen heraus standen die Verantwortlichen im Werk Dischingen im Jahr 2006 vor der Investitionsentscheidung für ein Highspeed-Videosystem. Die schnelle Entscheidung für das System MotionBlitz Cube hatte plausible Gründe, wie der technische Leiter im Werk Dischingen, Otto Hessel, betont:
„Wir haben uns für eine Mikrotron MotionBLITZ Cube2 entschieden, weil wir bereits anhand der in weniger als 15 Minuten entstandenen Demoaufnahmen eines unserer wichtigsten Prozessprobleme genau identifizieren konnten.“ Aufnahmegeschwindigkeit, Bildqualität und insbesondere die ausgesprochen einfache Handhabung des Gerätes entsprachen voll den Anforderungen im täglichen Einsatz in der Produktion und Anlageninbetriebnahme. Darüber hinaus sah man es bei Varta gerne, mit einem erfahrenen deutschen Hersteller zusammen zu arbeiten und damit auch eine Strategie der kurzen Wege zu nutzen.
Ereignisse direkt vor Ort erfassen
Die kompakte und robust gebaute Produktfamilie der Hochgeschwindigkeits-Kameras MotionBLITZ Cube weist einzigartige Leistungsmerkmale auf und überdeckt einen sehr breiten Anwendungsbereich in Forschung und Industrie. Die Standard-Gigabit Ethernet-Schnittstelle (GigE) mit sehr hoher Datenübertragungsrate ermöglicht den Betrieb der Kamera von jedem Notebook aus. Auch der Standalone-Betrieb ist mit der Cube möglich. Damit wird ein ausgesprochen mobiler und schneller Einsatz auch unter beengten oder unzugänglichen Bedingungen gewährleistet. Selbst ungeübte Benutzer gelangen durch die selbsterklärende, Windowsbasierte Bedienersoftware schnell zu sehr guten Ergebnissen.
Die Bildauflösung der MotionBLITZ Cube2 von 1280 x 1024 Pixeln erschließt Analysen bis in sehr kleine Messwertbereiche. Bei dieser Vollauflösung sind Aufnahmegeschwindigkeiten von 500 Bildern/Sekunde möglich, die sich durch Reduzierung der Auflösung bis auf 45.000 B/S steigern lassen.
Der Bildausschnitt (RoI = Region of Interest) und damit die Auflösung können durch einfaches Ziehen mit der Maus auf dem Bildschirm in Lage und Größe beliebig eingestellt werden. Die jeweils maximale Bildfrequenz stellt sich dabei jeweils automatisch ein (kann jedoch auch manuell justiert werden).
Die gewonnenen Aufnahmen werden im Aufzeichnungs-Modus permanent neu auf einen in der Kamera integrierten Ringspeicher geschrieben, bis ein Triggersignal die Aufnahme stoppt. und eine frei definierbare Bildanzahl davor und danach im Ringspeicher erhalten bleibt. Die optional in zwei Größen erhältlichen Datenspeicher gewährleisten eine Aufzeichnungszeit bis zu 3 oder 6 Sekunden bei maximaler Geschwindigkeit und Auflösung.
Bei Varta erwies sich besonders der eingebaute ImageBLITZ Auto-Trigger von Vorteil. Ein beliebig in Größe und Lage definierbares Sensorfenster im Aufnahmefeld übernimmt die Funktion einer Lichtschranke oder Signalgebers, indem es auf jede Helligkeitsveränderung reagiert. Das ergibt eine sehr einfache, äußerst feinfühlig einstellbare, und mit extrem kurzer Reaktionszeit arbeitende Triggerung, die aufwändige externe Trigger-Mechanismen wie Lichtschranken und Sensoren in vielen Bereichen ersetzen kann.
Exakter Einspritzprozess
Das Markenunternehmen Varta zum US-Konsumartikel-Konzern Spectrum Brands gehörend, steht innerhalb des Konzerns für den Produktbereich Premium Batterien. Im Dischinger Werk ist man auf alle Typen von Rundzellen, von Mono- bis Microzelle (Typ AAA) spezialisiert. Nach Rezepturvorgaben der US-Zentrale werden in Dischingen sämtliche Montage-, Bestückungs- und Befüllprozesse entwickelt. Bis hin zum fertig bedruckten und verpackten Endprodukt finden sämtliche Prozessschritte in diesem Werk statt. Etwa 3 Millionen Zellen laufen täglich über Rundtaktanlagen, Förderstrecken, Testeinrichtungen und Verpackungsmaschinen bis in das Versandlager. Dabei tragen nicht alle Batterien einen der beiden Markennamen des Hauses. Auch viele Handelspartner mit Eigenmarken werden mit hochwertigen Mignonzellen beliefert.
Dazu Otto Hessel: „Wir stehen in Qualität und Preis im weltweiten Wettbewerb. Nicht nur gegen ‚echte’ Konkurrenten, sondern auch gegen andere Produktionsstandorte im Konzern.“ Dadurch steht man ständig unter hohem Druck. Konsequente Ziele sind höchste Anlagenverfügbarkeit und optimale Produktionsprozesse zu geringst möglichen Kosten.
Die neueste Varta-Batterie-Generation hat laut Otto Hessel eine deutlich höhere Leistung als der Mitbewerb. Der Grund dieser Leistungssteigerung liegt in einer speziellen Rezeptur des in den Batteriekörper gefüllten Elektrolyts. Dabei kommt es jedoch einerseits auf genaueste Dosierung an, andererseits stehen nur wenige Hundertstelsekunden für den Abfüllvorgang zur Verfügung.
Dieser Fertigungsschritt verursachte in der Vergangenheit zwei Probleme:
Erstens trat immer wieder eine erhebliche Verschmutzung der Anlage auf. Erhöhter Wartungsaufwand und damit eine geringere Anlagenverfügbarkeit reduzierten die Produktionszahlen. Außerdem führte die Verschmutzung zu Qualitätseinbußen in der äußeren Beschaffenheit der Batterien.
Zweitens hatten die Elektrolyt-Abfüllprobleme zur Folge, dass die Leistung der einzelnen Batterien stärker schwanken konnte als es die Spezifikation zuließ, und die Rezeptur es theoretisch erlaubt hätte.
„Bereits die ersten Highspeed-Videoaufnahmen brachten uns riesige Fortschritte“ erläutert Josef Graule, der sich als Produktionsingenieur auf die Arbeit mit dieser Kamera spezialisiert hat. „Wir konnten bereits nach wenigen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen die Abfüll-Düsen so wählen, dass der Füllvorgang ohne lästige Spritzer ablief.“ Die folgenreiche Verschmutzung von Anlagen und Maschinen mit dem aggressiven Elektrolyt war damit beseitigt. Schnell konnte man mit Hilfe der Zeitlupenstudien die Prozessparameter so einstellen, dass die hohen Qualitätsanforderungen innerhalb der sehr kurzen Zykluszeit erfüllt werden.
Früher musste man im zeitaufwändigen „Try-and-Error“-Verfahren warten, bis nach jeder Anlagen-Neujustage die fertigen Produkte getestet werden konnten. Heute lässt sich im laufenden Prozess erkennen, wie sich Steuerparameter unmittelbar auswirken. Dadurch ist man in der Lage, sowohl die Anlagen als auch die ablaufenden Prozesse besser als bisher zu bewerten.
Schnelle Amortisation
Die Untersuchung bei laufender Produktion war bisher unzufriedenstellend, da dafür die Prozessgeschwindigkeit stark herunter gefahren werden musste. Dann allerdings liefen die Maschinen meist problemlos, weil die Fehler erst bei Vollauslastung auftraten. Die Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht es nun, auch bei maximaler Produktionsgeschwindigkeit zu erkennen, wo Probleme auftreten. Dazu Graule: „Die MotionBlitz Cube2 liefert uns nun die Information, mit deren Hilfe wir Engpässe im Produktionsfluss immer weiter reduzieren können.“
Innerhalb von nur einem Jahr wurden an mehr als 20 Stellen im Produktionsprozess der Batteriezellen Untersuchungen mit der Cube2 vorgenommen. Aus den Ergebnissen erfolgte eine ganze Reihe von Optimierungen. Bei der Anschaffung des Cube2 war die Wunschvorstellung, dass sich dieses System innerhalb eines Zeitraumes von einem Jahr amortisiert. Für jeden Produktionsfachmann ist aber eine Stillstandszeit von einer Stunde an einer Fertigungslinie eine ebenso griffige wie gefürchtete Wertevorstellung. Gemessen daran ist die heutige Aussage, dass die Amortisation der Kamera in weniger als einem Jahr erzielt wurde, sicherlich als geschmunzeltes Understatement zu werten.
Ganz zu schweigen von den Vorteilen, die nicht direkt in die wirtschaftliche Kalkulation einfließen.
So gibt es ja eine ganz menschliche Reaktion des Maschinenpersonals. Wenn immer wieder mal ein Produktionsproblem auftritt ohne dass man die Ursache erkennen und beheben kann, führt das zu Frustration, . Ist die Problemursache bekannt, kann und will man auch den Fehler beheben, und die Mensch-Maschine-Interaktion läuft reibungslos. Die Arbeitsmoral verbessert sich, was sich wiederum auf Kosten Qualität auswirkt.
Auch in der Batterie-Etikettierung konnte man mit dem Cube2 deutliche Erfolge verbuchen. Wenn die Batteriezellen mit den umlaufenden Etiketten versehen werden, dann muss das sehr schnell und dennoch sehr exakt erfolgen, denn die Maschine läuft mit einer Geschwindigkeit von 900 bis 1000 Teilen/Minute. Jedes einzelne Etikett muss punktgenau an der rotierenden Zelle mit der gleichen Bandgeschwindigkeit ansetzen, denn jeder Schlupf im Etikettentransport oder ungenügende Anhaftung an der Zelle führt zu einem Problem an der nächsten Zelle. Fehlerhaft etikettierte Batterien ergeben unnötigen Ausschuss und Materialverlust. Eventueller Etikettenstau muss behoben werden und führt zu Maschinenstillstandszeiten, die sich über eine Schicht hinweg summieren können. Die Fehleranalyse an dieser Maschine mittels Highspeed-Video wäre ohne die gleichzeitig sehr hohe Bildauflösung nicht möglich gewesen. Bei den dabei erforderlichen seitlichen Aufnahmen ist das Etikett nur als Kontur einer sehr dünnen Linie erkennbar. Dennoch konnte auch dieses komplexe Problemfeld gründlich analysiert und Wege der Fehlerbehebung beschritten werden. Die Maschinenstillstandszeiten und weitere Nachteile konnten erheblich reduziert und damit auch dieser Fertigungsschritt optimiert werden.
Ein weiteres Beispiel ist die Einrichtung und Justierung einer permanenten Messkontrolle mit Hilfe der Cube2. Die Montage einer neuen Laser-Messeinrichtung zur Qualitätsüberwachung konnte überhaupt erst exakt vorgenommen werden, weil die Zeitlupe genau zeigte, an welcher Stelle des Batteriekörpers die Messung anzusetzen war, und an welcher Stelle des Taktes bei Vollauslastung der Anlage die höchste Genauigkeit der Messung erzielt werden konnte. Dabei erweist sich die in die Kamera integrierte Funktion des Zeitstempels in jedem Einzelbild als äußerst vorteilhaft. Das ermöglicht Prozessabstimmungen im Millisekundenbereich. „Die zusätzliche Einblendung von Steuersignalen in die Hochgeschwindigkeitsaufnahme liefert weitere wertvolle Hinweise zur Optimierung des Prozesses, da wir auf einer Maschine oft mehrere Prozessschritte miteinander koordinieren müssen“, erklärt Josef Graule.
Nachhaltige Prozessoptimierung
In Dischingen sieht man in Highspeed-Video als Optimierungs-Tool noch viel weiteres bislang ungenütztes Potential. Langfristig wird die präventive Anlagenoptimierung auf der Basis von eindeutigen Informationen mittels Zeitlupenaufnahmen als wirkungsvolle Möglichkeit gesehen, um noch mehr für die Produktivität zu tun. Das wäre nicht nur ein entscheidender Schritt zu größter Prozess- und Qualitätssicherheit, sondern würde darüber hinaus weitere Leistungsreserven in der Produktion mit den gleichen Maschinen erschließen. Graule: „Ich bin mir sicher, dass wir in Zukunft noch mehr Prävention betreiben werden. Dazu liefert uns die Cube die perfekten Informationen.“
MIKROTRON, Unterschleißheim
QE 517
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