Industrielle Bildverarbeitung Fehlerfrei: Folieninspektion bis 1200 m/min in Echtzeit

OCS aus Witten stellt Maschinen für die produktionsintegrierte Folieninspektion her. Bis zu zehn Kameras nebeneinander arbeiten in dessen skalierbaren Systemen und ermöglichen damit Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 1200 Metern pro Minute. Optische Basis ist Bildverarbeitung von Stemmer Imaging.

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Bei genauerem Hinsehen findet man Kunststofffolien in unterschiedlichsten Stärken und Farben – transparent bis undurchsichtig (opak), strukturiert oder beschichtet – in nahezu allen Lebensbereichen und Branchen. Die Anwendungen reichen von Flachbildschirmen, Handydisplays, Pharma-Tablettenblister oder Lebensmittelverpackungen bis hin zu Babywindeln. Produziert werden die Folien rund um die Welt und rund um die Uhr in riesigen Anlagen. Die Qualität hängt von vielen Parametern ab. Qualitätsüberwachung und -sicherung im laufenden Produktionsprozess sind daher entscheidend für die Qualität des Endprodukts.

Dabei gibt es unterschiedliche Standards. Die spezifischen Ansprüche werden zwischen Herstellern und Anwendern individuell vereinbart. Dabei spiegeln Art und Anzahl der zulässigen Fehler zwangsläufig den Aufwand für die Herstellung, also letztlich den Preis der Folien wieder. „Einfach gesagt: In einer Käseverpackung will niemand eingeschweißte Insekten sehen, beim Blick auf einen TFT-Bildschirm sollten keine trüben Stellen auffallen und in der Isolation von Hochspannungskabeln sind Löcher definitiv nicht erwünscht“, erläutert Mendo Gusevski beispielhaft die Sachlage. Er ist Projektmanager bei OCS, das auf die optische Qualitätssicherung von Polymeren und den daraus produzierten Folien spezialisiert ist und weltweit zu den drei Größten in der Branche zählt.

Fehlererkennung nur mit Bildverarbeitung

Der Messbereich relevanter Fehler in extrudierten Folien hängt meist von deren geplanter Verwendung ab. Bei Verpackungsfolien (PET) müssen Fehlergrößen zwischen 150 und 500 μm erkannt werden. Bei technischen Folien betrachtet man die Größenordnung von 50 bis 200 μm, bei Oberflächenschutzfolien zum Beispiel von 60 bis 160 μm und bei Folien mit speziellen optischen Eigenschaften kann es erforderlich sein, Fehler von 25 bis 100 μm sicher zu erkennen.

Fehler entstehen beim Extrusionsprozess durch nicht korrekt aufgeschmolzenes Material (so genannte Stippen oder Anbrenner), Fischaugen, Dünnstellen, Löcher, Schlieren, Fließlinien – oder schlicht Schmutz. Die Frage, ob eine Inhomogenität der Folie auch als Fehler im Sinne der Qualitätsüberwachung zu deuten ist, lässt sich nur mit Blick auf die spätere Anwendung beantworten. Ohne Bildverarbeitung sind all diese Fehler in der geforderten Geschwindigkeit nicht zu erkennen.

Skalierbares, modulares Inspektionssystem

Gemeinsam mit Stemmer Imaging hat OCS über die Jahre der Zusammenarbeit ein skalierbares, modulares Inspektionssystem entwickelt, in dem bis zu zehn Kameras nebeneinander arbeiten können. In der Praxis kommen in den meisten Anwendungen Systeme mit zwei Kameras zum Einsatz und prüfen eine Folienbreite von 1500 bis 2000 mm.

Neben der Sensorgröße der Zeilenkamera von bis zu 8192 Pixel (8k) bestimmt noch der Abstand der Kamera die erreichbare Auflösung. Zum Beispiel verlangen Folien für die Verpackungsindustrie in der Regel nicht mehr als 150 bis 200 μm Auflösung, was dem Einsatz von einer Kamera pro Meter Folienbreite entspricht. Technische Folien werden mit doppelter bis dreifacher Auflösung und einer entsprechend höheren Zahl von Kameras überprüft.

Die Zahl der Pixel ist aber nicht allein das Maß der Dinge. In 8k-Kameras sind die Sensorelemente kleiner und entsprechend weniger lichtempfindlich. Bei weniger lichtdurchlässigen Materialien würde man sich also eher für 4k-Kameras mit größerem Sensordurchmesser entscheiden. Schon diese einfache Betrachtung zeigt, dass hier seitens der Anlagenbauer viel Erfahrung gefragt ist, um die technischen Anforderungen und die Kosten optimal einzusetzen.

Jede Kamera mit eigenem Framegrabber

Um die Zahl der anfallenden Bilddaten bei Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 1200 m/min in Echtzeit bewältigen zu können, verfügt jede Kamera über einen eigenen Framegrabber. Beide sind an der Maschine im gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Diese Workstations bieten die notwendige Modularität und kurze Signalwege. Integrierte Kühlventilatoren erzeugen einen leichten Überdruck und verhindern, dass sich produktionsbedingter Staub auf der Optik ablagert. Bei aggressiven oder besonders schmutzigen Umgebungsbedingungen kommen hermetisch dichte Gehäuse zum Einsatz, die dann durch einen eigenen Staub- und Feuchtekontrollierten Spülluft-Kreislauf gekühlt werden.

Für die Folieninspektion haben sich beide Firmen auf eine Reihe interner Standards für Kameras, Kabel und Beleuchtung geeinigt. Die Zusammenarbeit führte sowohl bei den Kameras von JAI und Teledyne Dalsa als auch bei den Framegrabbern von Teledyne Dalsa zu speziellen Firmware-Versionen. Damit lassen sich rund 90 Prozent der Anwendungen realisieren.

Stemmer Imaging hat die Rolle des reinen Distributors längst verlassen. „Um Großkunden massiv zu entlasten haben wir hier mittlerweile viel Kompetenz mit eigenem Know-how aufgebaut“, erläutert Georg Schelle, der OCS als Senior Key Account Manager schon seit vielen Jahren betreut. „Statt eines bestimmten Satzes an Komponenten liefern wir immer häufiger vormontierte Module, die vorab mit den Kunden genau definiert werden und ihnen Zeit bei der Integration in die Anlagen sparen. Bei den Folienapplikationen von OCS sind dies neben den reinen Komponenten aufgrund der hohen Komplexität meist auch die Optikbaugruppen mit Optiken von Qioptiq und Filtern von Schneider Kreuznach oder Midwest Optical Systems. Dies verkürzt die Lieferzeiten, erhöht die Funktionssicherheit der Anlagen und senkt letztlich die Kosten für unsere Kunden.“

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