Produzieren ohne Fehler

Presseinformation / 15.4.2011

Ein neuartiges Bildverarbeitungssystem überprüft Drähte bereits während der Herstellung zuverlässig auf Fehler – obwohl der Draht mit sechs Metern pro Sekunde durch die Maschinen saust. Auf der Messe Control vom 3. bis 6. Mai in Stuttgart stellen Forscher der Fraunhofer-Allianz Vision Exponate zum Thema »Null-Fehler-Produktion« vor (Halle 1, Stand 1502).

Mit sechs Metern pro Sekunde rast der Draht durch die Maschinen, umgerechnet etwa 22 Kilometer pro Stunde. Mehrere Produktionsschritte lassen ihn dünner und dünner werden, bis er die gewünschte Stärke erreicht hat. Dabei können verschiedene Fehler auftreten: Ziehriefen, von der Form vergleichbar mit einem langen Kratzer im Autolack; Rattermarken, ähnlich einer Delle im Auto, die etwa durch ein Hagelkorn verursacht wird. Oder es entstehen Querriefen, die senkrecht zum Draht sind, so als wolle man den Draht durchschneiden. An diesen Schwachstellen könnte der Draht später reißen. Doch nicht nur die Qualität des Drahtes wird dadurch gemindert: Reißt ein Draht während der Herstellung in der Maschine, können die Maschinen Schaden nehmen. Das kann zu teuren Produktionsausfällen führen. Bisher kontrollieren die Hersteller die Qualität des Drahtes nur in Stichproben, denn bei der schnellen Bewegung des Drahtes ist eine kontinuierliche Überwachung schwierig.

Kamerasystem für schnellbewegte Oberflächen

Wissenschaftler der Freiburger Fraunhofer-Institute für Physikalische Messtechnik IPM und für Werkstoffmechanik IWM haben nun ein Kamerasystem entwickelt, das die schnell bewegte Drahtoberfläche während der Produktion vollständig auf Fehler überprüft. Dabei erkennt es Defekte, die kleiner als hundert Mikrometer sind. »Wir verwenden eine spezielle Kamera, die extrem kurze Regelzeiten erlaubt«, sagt Andreas Hofmann, Geschäftsfeldbeauftragter am IPM. »Die kürzeste mögliche Regelzeit – also Bildaufnahme, Auswertung und Signalerzeugung – beträgt 100 Mikrosekunden. Innerhalb dieser Zeit wird der Draht nur zehn Mikrosekunden lang über eine LED-Beleuchtungseinheit angestrahlt, ähnlich wie bei einem Stroboskop in der Disko. Die restlichen 90 Mikrosekunden verbleibt der Draht im Dunkeln, die Kamera nimmt während dieser Zeit zwar weiterhin auf, sieht aber nichts mehr.« Da der Draht sich in den »dunklen« 90 Mikrosekunden weiter bewegt, nehmen die Forscher einen ausreichend großen Bildausschnitt von fünf Millimetern auf. Das Bild überlappt mit der vorhergehenden und der nachfolgenden Aufnahme. Die einzelnen Bilder fügen sich so lückenlos aneinander und der Draht kann auf der kompletten Länge kontrolliert werden. Vier Kameras und acht Beleuchtungseinheiten sorgen dafür, dass er von allen Seiten überprüft werden kann. Fehler fallen sofort auf.

Der Knackpunkt der Entwicklung lag vor allem in den Algorithmen, die die aufgenommenen Bilder auswerten. »Wir verwenden für dieses System Cellular Neural Networks-Kameras, kurz CNN: Bei ihnen sitzt an jedem einzelnen Chip ein kleiner Rechner, der die Daten sofort auswertet und mit denen des Nachbarchips vergleicht. Weichen sie stark voneinander ab, deutet das auf einen Fehler im Material hin. Dadurch können, wenn man diese parallele Rechnerarchitektur ausnutzt, bis zu 100 Milliarden Operationen pro Sekunde in Echtzeit auf dem Kamerachip ausgeführt werden«, erklärt Hofmann. Je nach Art der Abweichung ermittelt das System, um welchen Fehler es sich handelt, und passt die Produktionslinie entsprechend an oder stoppt diese, wenn nötig.

Auch bei anderen schnellen Produktionsprozessen ist das System hilfreich. »Wir können diese Inline-Überwachung an jeden Prozess anpassen, bei dem bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten kleine Fehler auftreten können. Ein Beispiel sind Laserschweißprozesse, wie sie im Automobilbau eingesetzt werden«, sagt Hofmann.

Das Testmodul stellen die Forscher auf der Messe Control vom 3. bis 6. Mai in Stuttgart aus (Halle 1, Stand 1502). Was das Drahtziehen angeht, ist das System einsatzbereit, soll das System an andere Aufgabenstellungen angepasst werden, brauchen die Forscher dafür etwa ein halbes Jahr.

Prüfsystem für transparente Materialien

Ein weiteres der zahlreichen Exponate zum Themenschwerpunkt »Null-Fehler-Produktion«, das die Forscher der Fraunhofer-Allianz Vision zeigen, ist das Prüfsystem Purity. Es soll Herstellern von Gläsern und anderen transparenten Materialien dabei helfen, Blasen und Partikeleinschlüsse schneller zu erkennen – denn diese würden das Licht streuen oder absorbieren. Zudem erschweren sie die Weiterverarbeitung der Gläser. »Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen ermöglicht das Prüfsystem Purity mit einer einzigen Aufnahme eine komplette Inspektion«, sagt Matthias Hartrumpf, Projektleiter am IOSB in Karlsruhe, der das System gemeinsam mit Kollegen entwickelt hat. »Das erreichen wir, indem wir ein dreikanaliges Bild der Objekte aufnehmen. Jeder Kanal zeigt eine Abbildung des Prüflings mit einer anderen Bildaufnahmekonstellation. In den einzelnen Kanälen prägen sich die unterschiedlichen Defekte dadurch verschieden aus« Zudem unterscheidet der Sensor zuverlässig zwischen Staub und Materialeinschlüssen, er lässt sich daher auch in normalen Produktionsumgebungen einsetzen.