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Drahtinspektion so schnell wie Usain Bolt

Fraunhofer-Allianz Vision mit Themen-Schwerpunkt Inline Mess- und Prüftechnik für die industrielle Qualitätssicherung
Drahtinspektion so schnell wie Usain Bolt

Die Fraunhofer-Allianz Vision präsentiert auf der Control 2014 eine Auswahl aktueller Mess- und Prüfsysteme mit Bildverarbeitung für die Qualitätssicherung in der Produktion.

Beste Qualität, höchste Flexibilität und niedrige Kosten gehören in allen Industrien längst zum Anforderungskatalog. In der modernen Produktion werden daher Bildverarbeitung und berührungslose Mess- und Prüftechnik zunehmend direkt in der Linie eingesetzt. Innovative Inline-Technologien ermöglichen es, alle qualitätsbestimmenden Schritte und kritischen Prozesse möglichst frühzeitig, umfassend und taktgebunden zu überwachen. Das steigert nicht nur die Effizienz in der Fertigung, sondern verhindert vor allem teure Ausschusskosten, da fehlerhafte Bauteile erst gar nicht produziert werden.

Die Entwicklungen der Fraunhofer Vision-Institute liefern auf mehrfache Weise einen Beitrag:
Durch fertigungsintegrierte Mess- und Prüfsysteme lassen sich Qualitätsabweichungen bereits bei ihrer Entstehung vollständig erkennen und möglichst frühzeitig und damit kostenoptimal für den Gesamtprozess korrigieren.
Daneben übernehmen Vision-Systeme zunehmend prozesssteuernde Aufgaben und dienen mit vielen einzelnen Abfragen je Produktionsschritt der Beherrschung, Transparenz und Absicherung von Fertigungstechnologien.
Für eine automatische Kontrolle, die zunehmend auf industrieller Bildverarbeitung basiert, sprechen neben wirtschaftlichen Überlegungen insbesondere die gewonnene Objektivität sowie die hohe Reproduzierbarkeit und Verfügbarkeit im Vergleich zur manuellen Prüfung.
Mit den Technologien der Fraunhofer-Vision-Institute können Bauteile und Materialien schnell und berührungslos im Fertigungsprozess vermessen werden. Informationen über Prozessabweichungen können direkt festgestellt und Prozessparameter unmittelbar korrigiert werden.
Am Stand von Fraunhofer Vision-Stand sind mehrere Exponate zum Thema Inline Mess- und Prüftechnik für beispielhafte Anwendungsfelder zu sehen. So zum Beispiel zur optischen Inline Mess- und Prüftechnik:
100-Prozent-Kontrolle bei der Kaltumformung
Beim Kaltumformen von Draht verursachen defekte Ziehsteine immer wieder Fehler – Zieh- oder auch Querriefen, Dellen und Rattermarken mit Strukturgrößen von einigen Millimetern bis wenigen 10 µm. Herkömmliche Bildverarbeitungssysteme versagen bei der vollständigen Detektion dieser Mikrodefekte auf der sich sehr schnell bewegenden Drahtoberfläche. Mit Wire-AOI bietet das Fraunhofer IPM, Freiburg, erstmals ein produktionstaugliches Inspektionssystem an, das auch bei Geschwindigkeiten von bis zu 10 m/s die Drahtoberfläche vollständig inspiziert und dabei Fehler in Echtzeit detektiert.
Dies gelingt mit einer kamerainternen pixelparallelen Bildverarbeitung und einer speziell angepassten und daher extrem leistungsstarken, gepulsten LED-Beleuchtung. Selbst Punktdefekte von 50 μm detektiert das System zuverlässig, und zwar auf ganz unterschiedlichen Drahtmaterialien wie etwa Stahl, Aluminium oder Kupfer und bei ganz unterschiedlichen Drahtquerschnitten.
Wire-AOI klassifiziert die erkannten Oberflächenfehler und dokumentiert sie zusammen mit der Drahtposition in einer Datenbank. Das Auftreten spezifischer Fehlerklassen kann dann beispielsweise dazu führen, dass eine Warnlampe aufleuchtet oder die Produktion gestoppt wird. Dabei sind sowohl Fehlerklassen als auch die Signale für den Benutzer frei parametrierbar. Auch nach erfolgter Produktion lassen sich alle Bilddaten und detektierten Defekte jederzeit noch mit dem zugehörigen Viewer betrachten.
Ein anderes Beispiel aus dem Bereich der optischen Mess- und Prüftechnik ist die schnelle Mikro-Deformationsmessung in der Produktion: Bei der Produktion hochpräziser Bauteile müssen kleinste Deformationen in der Topographie oft bereits direkt in der Produktionslinie erfasst werden. Das vom Fraunhofer IPM für diesen Zweck entwickelte Inspektionssystem beruht auf dem Prinzip der elektronischen Speckle-Interferometrie (ESPI). Bei einer Taktrate von 500 Hz liefert der Sensor Bilder der Oberflächenverformung mit 25 nm Genauigkeit. Die Bildauflösung in x/y-Richtung beträgt eine Million Bildpunkte.
Und der Schmutz hat keine Chance
Darüber hinaus hat das Fraunhofer IPM hat ein System zur bildgebenden Fluoreszenzmesstechnik entwickelt, mit dem direkt im Produktionsprozess Restverschmutzungen wie Fette, Öle oder Rückstände von Reinigungsmitteln detektiert werden können. Die neue Version des Systems erlaubt nun die Untersuchung großer Flächen bis zu 50 cm x 50 cm und unterscheidet sich damit von kommerziell verfügbaren Systemen, mit denen lediglich die Analyse einzelner Messpunkte möglich ist.
Für das Messen und Prüfen von Oberflächen und Formen präsentieren gleich mehrere Fraunhofer Institute Lösungen: So hat das Fraunhofer IFF mit Sitz in Magdeburg eine Inline 3D-Messtechnik für Prozesssteuerung und Qualitätsprüfung entwickelt: Für den Entwurf und die Realisierung inlinefähiger 3D-Messsysteme unter Nutzung optischer 3D-Messverfahren ist am Institut der modulare Baukasten Optoinspect 3D entstanden. Er ermöglicht die flexible und effiziente Erstellung anwendungsspezifischer Inline-Systeme zur geometrischen Qualitätsprüfung oder Prozesssteuerung. Für die in der Softwarebibliothek enthaltenen Funktionen und Methoden hat die PTB im Januar 2014 ein Zertifikat erteilt, das den Methoden die höchste Genauigkeitsklasse bescheinigt.
Kohärenztomographie nun auch in der Fertigung
Inline Messtechnik für die zerstörungsfreie 3D-Charakterisierung
Das Fraunhofer IPT, Aachen, zeigt ein Inline-Messsystem für die zerstörungsfreie 3D-Charakterisierung semitransparenter, dünnschichtiger Materialien auf Basis der Optischen Kohärenztomographie (OCT), bei dem der faserbasierte OCT-Messkopf in einen Roboter integriert ist. Damit wird die OCT-Technologie, die bislang nur als Desktop-Anwendung etabliert ist, auch in Produktionsumgebungen nutzbar.
Implementiert sind sowohl die automatisierte Datenaufnahme als auch Bildverarbeitungslösungen; insbesondere zeichnet sich das System durch die schnelle Echtzeit-Datenverarbeitung auf der Grafikkarte aus. Die Anwendungen liegen insbesondere bei der Qualitätssicherung von semitransparenten Materialien, wie zum Beispiel Folien oder Spritzgussbauteilen. Daneben kann das Messsystem auch zur Charakterisierung von Oberflächen in Laserstrukturierungsprozessen zum Einsatz kommen, wo der Laserabtrag von Bauteilen charakterisiert werden kann.
Das Fraunhofer IOF mit Sitz in Jena reist mit zwei Lösungen für die Oberflächeninspektion nach Stuttgart: Das neue optische 3D-Messsystem Kolibri High-speed verbindet durch die Verwendung hochauflösender Kameratechnik und geschwindigkeitsoptimierter Algorithmen hohe Detailtreue mit einer ultrakurzen Messzeit für die 3D-Oberflächenerfassung in Fertigungsprozessen. Zudem hat das Institut ein System für die Vermessung von Teilen mit komplexer Oberflächenform entwickelt, bei dem die Bilder ultraschnell mittels Array-Projektion erzeugt werden.
Reflektometrie auch für spiegelnde Oberflächen
Am Fraunhofer IOSB in Karlsruhe wird das Verfahren der Retroreflexions-Reflektometrie (RRR-Prinzip) zur Prüfung ebener oder gekrümmter Oberflächen im Durchlauf eingesetzt. Es können sowohl spiegelnde als auch diffus reflektierende Oberflächen wie Glas, Metall oder lackierte Flächen untersucht werden. Gewonnen werden Oberflächeninformationen wie Lage und Größe kosmetischer Fehler, Fließlinien oder Reflexionskoeffizienten. In Ergänzung zur Retroreflexions-Reflektometrie liefert die Deflektometrie einen messtechnischen Zugang zur Bestimmung von Qualitätsmerkmalen von (teil-)spiegelnden Oberflächen.
Die Verfahren können überall dort eingesetzt werden, wo nicht nur die Detektion und Lokalisierung eines Oberflächendefektes gewünscht wird, sondern auch ein Vergleich mit einer Sollgeometrie notwendig ist. Mögliche Einsatzbereiche für die Verfahren finden sich überall dort, wo spiegelnde Oberflächen in der Serienfertigung geprüft und beurteilt werden sollen.
Das Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern, stellt anhand eines neuen, robotergestützten Oberflächeninspektionssystems exemplarisch einen vollständigen Inline-Prüfprozess für industrielle Bauteile vor, wobei der Fokus auf dem Zusammenspiel von Handhabung, Steuerung und Prüftechnik liegt. Mit der grafischen Benutzeroberfläche Toolip steht zudem eine Entwicklungsumge-bung zur Verfügung, mit der alle in der integrierten Softwarebibliothek enthaltenen Bildverarbeitungsalgorithmen kombiniert und entsprechend parametrisiert werden können. Für Aufgabenstellungen aus Bereichen wie Automotive-, Kunststoff- und Metallindustrie lassen sich somit in kurzer Zeit individuelle, anwendungsspezifische Lösungen entwickeln.
Polka und der Tanz um CFK-Bauteile
Der am Fraunhofer IIS, Erlangen entwickelte Prototyp der Polarisationskamera Polka ist eine Spezialkamera zur pixelweisen Erfassung und Messung des Polarisationszustands von Licht. Die Polarisation ist eine Qualität des Lichts, die für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Es eröffnen sich dadurch für die industrielle Qualitätssicherung und -kontrolle neue Einsatzbereiche, zum Beispiel im Leichtbau, wo Faserverläufe bei CFK-Bauteilen erkannt werden können, oder bei Glas beziehungsweise transparenten Kunststoffen, wo die Detektion mechanischer Spannungen möglich ist.
Das Fraunhofer ILT, Aachen, stellt den interferometrischen Abstandssensor BD-1 vor, mit dem geometrische Eigenschaften von Wellen, zum Beispiel Nocken- oder Kurbelwellen, mit Sub-Mikrometer-Genauigkeit absolut gemessen werden können. Der Sensor ist mit einem kompakten Messkopf mit bidirektionalem Messstrahl ausgestattet, was bedeutet, dass Hin- und Rückstrahl entlang derselben Linie verlaufen. Besondere Leistungsmerkmale sind die Messfrequenz von 70 kHz und eine Messgenauigkeit von besser als 200 nm in einem Bereich von 8 mm; der Arbeitsabstand beträgt 50 mm. Entwickelt wurde der Sensor für die Abstandsmessung in Wellen-Messmaschinen, es sind jedoch auch weitere Anwendungen wie Rundheits- und Abstandsmessungen in Werkzeugmaschinen möglich.
Radarsensoren für nahezu jede Umgebung
Das Fraunhofer FHR, Wachtberg, hat zur Breiten- und Abstandsmessung bei Walzvorgängen integrierte Radarsensoren entwickelt, die auch bei sehr hohen Messgeschwindigkeiten und in nahezu jeder Umgebung eingesetzt werden können. Aufgrund ihrer geringen Sendeleistung können sie zudem ohne weitere Sicherheitsanforderungen betrieben werden. Die Radarsensoren kommen in erster Linie in der Stahlindustrie zum Einsatz.
Fraunhofer-Allianz Vision Halle 1, Stand 1502

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