Wenn alle Stricke reißen

Kersten Zaar, Stl. gepr. Elektrotechniker Datenverarbeitungstechnik und Nachrichtentechnik

Während mittlerweile fast standardgemäß hochaufgelöste Kameras mit dem PC schnelle Produktionsflüsse zu akzeptablen Kosten regeln, kommen hochwertige Hochgeschwindigkeitssysteme, Infrarotkameras oder endoskopische Miniaturkameras nur beim äußersten Problemfall zum Einsatz. Die Bildverarbeitung sortiert wohl Shampooflaschen mit schrägem Etikettauftrag aus, nur wieso treten diese teuren Fehler überhaupt kontinuierlich auf?

Obwohl sich der Nutzen längst herumgesprochen hat, schrecken Einstandspreise für Hochleistungskamerasysteme zwischen 40.000,– und 140.000,– DM ab. Was liegt näher, als das Visualisierungsproblem an erfahrene Fachleute weiterzugeben?

Bei diesem Albstädter Unternehmen häufen sich regelmäßig ab Donnerstag Nachmittag Anfragen aller Art: Eilig werden einige Termine vor oder während des Wochenendes arrangiert, Geräte noch schnell per 24 Stunden Dienst versandt oder mit dem eigenen Fahrtdienst auf die Reise geschickt. Hierzu ein repräsentatives Beispiel:

Drei Tage hat ein Maschinenbauunternehmen mit erheblichem Zeit- und Materialaufwand versucht, die neue Induktionsschleife zur Klebenahtaushärtung von Karosserieteilen optimal einzustellen. Vergeblich, das Außenblatt einer Tür verzieht sich, der Spezialklebstoff härtet im falschen Moment aus. Das Resultat ist Ausschuss fast am laufenden Band. Soll die alte Anlage wieder installiert werden? Die Produktion muss am kommenden Montag wieder ohne einschränkendes Nadelöhr anlaufen. Alle weiteren kundeneigenen Infrarotkameras zur bildgebenden Temperaturmessung der Abteilungen Instandhaltung und Forschung sind wie immer nicht verfügbar. Und wer soll die komplexen Messungen an dem halbreflektiven Rohblech verbindlich durchführen? Acht Stunden nach der ersten Kontaktaufnahme war das Problem um 23:00 Uhr mit einem akzeptablem Ergebnis gelöst. Die Kostenersparnis beträgt vermutlich über mehrere 100.000,– DM. Man wünscht noch einen schönen Abend und verabschiedet sich bis zum nächsten Mal vielleicht sonntags oder über die Osterfeiertage beim Lieferanten in Mexiko.

Die Top-Hersteller geben dem Bediener einer neuen Kamera einen mindestens dreitägigen Grundkurs in Strahlungsphysik mit auf den Weg. Denn bereits vor dem Kauf haben die Interessenten oft viele Fragen zu Punkten wie kurz- oder langwellige Kameras, Scanner oder FPA System, räumliche und thermische Auflösungen, gekühlte und ungekühlte Detektoren, Software, Akkubetrieb, optisches Zubehör und letztendlich den Gesamtpreis. Das Unternehmen sucht aus über 25 Spezialsystemen die passende Kamera für die aktuellen Anforderungen zum Mieten oder Kaufen heraus. Von einer Mietkamera kann man erwarten, dass sie korrekt kalibriert ist. Sie kostet je nach Anzahl der Optiken und Filter 2.000.– DM bis 4000.– DM jährlich.

Nicht immer müssen es 40.000 Bilder pro Sekunde sein. Die meisten Abläufe in der Industrie lassen sich mit 500 bis 2.000 Bildern in der Sekunde hervorragend darstellen und analysieren. Vor nur einem Jahrzehnt mussten alle noch schnellen Vorgänge auf Celluloid gebannt werden oder man versuchte mit einem Stroboskop wenigstens einen Teil des Vorgangs zu sichten. Teure Zwischenlösungen mit schnellen Videobandaufzeichnungssystemen (bis zu 1000 fps) findet man heute kaum noch im Markt. Die Systeme waren groß und schwer sowie teilweise äußerst störanfällig. Der Durchbruch digitaler und lichtempfindlicher Hochgeschwindigkeitskameras fand mit der Massenherstellung von hochleistungsfähigen Speicherbausteinen statt. Je nach Ausbau nehmen handelsübliche Kameras zwischen 0,5 und 16 Sekunden auf, bevor das am weitesten zurückliegende Bild wieder überschrieben wird. Angehalten wird dieser unendliche Schreibvorgang dann von einem Fehlersignal oder einfach per Tastendruck: Anschauen, Aufnahme sichern, Maschine verstellen, neue Aufnahme. Auf die Millisekunde genau lässt sich so zum Beispiel die Verzögerung dokumentieren, die zwischen dem elektrischen Steuersignal „Ventilöffnung“ und erster Zylinderbewegung bei einer pneumatischen Mimik entstehen.

Der Hersteller stellt hier für jede Anforderung die richtige Kamera zur Verfügung. Der ständige Wunsch nach bestmöglichster Bildauflösung ist den Ingenieuren bekannt. Jedoch reicht oft eine preiswertere Auflösung von nur 128 x 128 Pixel, um den „event of interest“ zu bannen, wenn Beleuchtung, Kameraposition und alle sonstigen Einstellungen stimmen. Mit bis 512 x 512 Pixeln bei 1.000 Bildern in der Sekunde und Farboption werden auch in diesem Dienstleistungsbereich die Topsysteme des Marktes angeboten, um (fast) alle Aufgaben zu lösen. Oft wird ein Kamerasystem nur noch angeliefert, optimal positioniert und das Personal vor Ort applikationsbezogen eingewiesen. Nach Beendung der Aufnahmen holt ein Fahrtdienst alle Koffer wieder ab. Beim Kunden bleibt wahlweise eine wertvolle CD, ein digitales Videoband oder ein VHS Band, auf dem alle relevanten Daten gesichert sind.

Oft beeinflussen fehlerhafte Rohrleitungen, Ventile und Behälter die Produktionsqualität. Auf Grund der großen Vielfalt von schlecht zugänglichen Hohlräumen gibt es eine nicht minder große Anzahl von Inspektionskameras und Endoskopen auf dem Markt. Grundsätzlich gilt: Was heute die Anforderungen an eine Problemstellung und ein Budget erfüllt, ist morgen zu kurz, zu groß im Durchmesser, zu dunkel und sowieso veraltet. Gut sortiert stehen deshalb Standardlösungen ab 2 mm Durchmesser und für Strecken bis zu 180 Meter zur Miete zur Verfügung. Volumen können bis zu einem Durchmesser von 10 Metern ohne Einschränkung mit extremen Zoom exakt untersucht werden. Nicht selten wird jedoch eine komplette Sonderkamera benötigt: hochaufgelöst, Farbe und kleiner als 5 mm, aus dem eigenen Ersatzteillager für Videoendoskopreparaturen. Oft stellt den Betreiber die Entnahme von Materialproben, die einfache Bergung von georteten beziehungsweise bekannten Objekten oder versehentlich hereingefallenen Fremdkörpern vor eine fast unlösbare Aufgabe.

Viele Inspektionen, Messungen und Analysen scheitern am fehlenden Zubehör. Oft verbirgt sich Interessantes in schwer zugänglichen Maschinenregionen. Die wenigsten Besitzer von High Speed und IR Kameras verfügen über spezielle Gelenkspiegel (auch IR Spiegel), Lasertriggerung, Vakuumstativ, ausfallsichere LED Beleuchtung, LED Stroboskoptechnik, LCD-Shutter, SPS Signalinterface, Hitzeschutzgehäuse mit Objektivfernbedienung, mehrere Kameras für Synchronaufnahmen, verschiedenen (Zoom-) Objektive und ganz zu schweigen von einer Anbindung an spezielle Endoskoptechnik mit Hochleistungslichtprojektoren. VT Technik allgemein und die Endoskopie benötigen nicht minder oft individuelles Zubehör: Zentrierwerkzeuge, Seitblickspiegel, Schubsysteme, „Guid-Tubes“ etc. Zur Dokumentation werden alle Mietsysteme wahlweise mit einem digitalen Aufzeichnungsgerät oder einem hochwertigen VHS Industrievideorekorder ausgeliefert. Netzfreie Energieversorgungen stehen übrigens für fast alle lieferbaren Kameras zur Verfügung: Das geschlossene Getriebe eines vorübergehend stillgelegten Windgenerators lässt sich oft nur mit einer Kamera im Akkubetrieb inspizieren.

Nicht minder häufig werden die verschiedensten Kamerasysteme in der Instandhaltung zum CM (Condition Monitorring, Zustandsüberwachung) und im Bereich Forschung zur Produktoptimierung und Entwicklung gezielt eingesetzt. In einem Sonderbereich des CM, der Elektrothermografie, etabliert sich die Infrarotkamera zunehmend als unersetzliches Werkzeug für eine zuverlässige Kontrolle der gesamten elektrischen Energieverteilung, MSR-Technik sowie Einzelmaschinensteuerungen auf mögliche Brand- oder Ausfallgefahren. Bei dem Dienstleister beschäftigt sich aufgrund des großen Bedarfs eine eigene zertifizierte Abteilung mit dieser speziellen Materie – selbstverständlich mit abgestimmter Kameratechnik und eigener Datenbank. Zum CM gehört gleichfalls die Kontrolle von Lagerungen und Antrieben aller Art auf auffällige Temperaturkonzentrationen. Übrigens können mit Hochgeschwindigkeitskameras auch gewünschte und unerwünschte relative Bewegungen im Raum, mitunter Schwingungen aller Art, sichtbar gemacht werden. Bei einer Drehzahl von 2.800 min-1 und 1.000 Bildern in der Sekunde ergeben sich mehr als zwanzig Einzelaufnahmen je Umdrehung. Eine isoliert montierte Kamera dokumentiert nun entsprechend der Amplitude alle Laufunruhen.

Die Beispiele für Forschungsanwendungen für die bereits genannten Kamerasysteme sind allein durch die Fantasie des Entwicklers begrenzt. Ganze Industriezweige wie die Verpackungstechnik können ohne Ablaufzerlegungen mit High Speed Kameras kaum noch die bereits optimal laufenden Maschinen verbessern. Im Detail werden durch professionelle Kameraoptimierung die notwendigen Millisekunden vor dem Wettbewerber gewonnen, ohne dass das Produkt beschädigt oder beschmutzt wird, teure Hilfsstoffe verschwendet werden, die Mechanik überbelastet oder gar das Produkt vorgeschädigt wird. Bereits bestehende Kamerasysteme werden hier gerne für einzelne, zeitbegrenzte Spezialanwendungen durch eine High-End Kamera aus dem Mietpark ergänzt.

Niedrige Betriebstemperaturen sind fast immer gleichzusetzen mit einer langen Lebensdauer und das Ziel vieler Geräteentwicklungen. Ein weiterer Entwicklungswunsch kann eine gleichmäßige Verteilung oder eine lokal begrenzte Temperaturspitze sein. Oftmals darf auch die Berührungstemperatur entsprechend den gängigen Gesetzgebungen eine bestimmte Außentemperatur nicht überschreiten. Nur durch eine berührungslose Messung wird das empfindliche thermische Gleichgewicht von Kunststoff nicht verfälscht. Selten langt ein einfaches Infrarot Thermometer. Meist gibt erst ein komplettes Bild die notwendige Sicherheit, das Produkt entsprechend den geforderten, strengen und weltweit verschiedenen Richtlinien freigeben (UL, UVV etc.) zu können. Infrarotmessungen an Metallen aller Art sollten nur vom Profi durchgeführt werden. Die unterschiedlichen, je nach Höhe der Temperatur auch verschieden reflektierenden Oberflächen erfordern viel Erfahrung, Einbeziehung der Werkstückgeometrie, indirekte Messungen oder gar eine Veränderung der Oberfläche.

Das Unternehmen verwaltet und achtet übrigens mittlerweile über 200 Geheimhaltungsverträge. Alle Arbeitsverträge von geschulten Technikern und Ingenieuren beinhalteten zusätzlich zum gesetzlichen Verschwiegenheitsrecht explizite Ausführungen, um das geistige Eigentum der Kunden bestmöglichst zu schützen – ein besonderer Aspekt bei der Auswahl von Dienstleistern für den sensiblen Forschungsbereich.

Die Situation gleicht sich überall: Papierhersteller, Druckereien, chemische Industrie, Kraftwerke und alle Bereiche der Produktion benötigen heute im optimalen Umgang mit modernen Maschinen mehr als Erfahrung und eine gute Nase: Beweise und Fakten, denn Betriebsunterbrechungen, Taktreduzierungen und Ausschuss können ruinöse Größenordnungen erreichen. Ärgerlich, wenn dann trotz eigener Hochgeschwindigkeitskameraausrüstung der interne Spezialist im Urlaub ist oder das entscheidende Zubehör fehlt. Über 80 Prozent aller Kunden dieses Dienstleisters sind übrigens regelmäßige „Wiederholungstäter“. Viele empfehlen das moderne Serviceunternehmen von der schwäbischen Alb aus Erfahrung uneingeschränkt weiter. Wenn mal wirklich keine Lösung angeboten werden kann, bemüht man sich hier zumindest um eine weitere kompetente Adresse.

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