Der Kunststoffanteil an einem Mittelklassewagen liegt heute bei etwa 15 % und wird mittelfristig auf 25 % steigen. Für die Fertigung verschiedenster Automobilbauteile aus Kunststoff – darunter auch Außenhautteile – sprechen viele Gründe: zum Beispiel Gewichtseinsparung, besondere konstruktive Herausforderungen, die sich mit anderen Werkstoffen nicht realisieren lassen, oder günstigere Werkzeugkosten. Eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz von Kunststoff ist allerdings eine makellose Oberfläche, die sich von anderen Werkstoffen visuell nicht unterscheidet.

Ein Bauteil, das von verschiedenen Automobilproduzenten häufig in Kunststoff gefertigt wird, ist die Tankklappe. Da sie sich an einem Platz in der besten Sichtzone befindet, gelten hier höchste Anforderungen an die Oberfläche. Aber: Trotz umfangreicher Erfahrungen in Konstruktion und Fertigung und trotz modernster Werkstoffe lassen sich kleine Einfallstellen auf der Sichtseite der Klappe nie vollständig vermeiden. Sie entstehen beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Wandstärken oder Masse-Anhäufungen an Befestigungspunkten auf der Rückseite. Obwohl diese Einfallstellen nur wenige Mikrometer tief sind, können sie nach der Lackierung sichtbar werden. Dann ist es jedoch schon zu spät für die Fehlerbeseitigung. Auf unlackierten Spritzgussteilen ist es jedoch sehr schwierig, Abweichungen in der Oberfläche visuell zu erkennen.

Im Sommer 2011, mehr als ein Jahr vor dem Serienanlauf des Golf VII, machte sich die Planung Geschäftsfeld Kunststoff von Volkswagen auf die Suche nach einem geeigneten Oberflächen-Inspektionssystem für Tankklappen. Das Ziel war, den Prozess zu optimieren und die Fertigung permanent zu überwachen. Fündig geworden ist Volkswagen bei der Firma INB Vision, einem Tochterunternehmen der Micro-Epsilon-Gruppe.

Die Oberflächenkontrolle

Für die Erkennung von Oberflächen-Formfehlern wertet INB die 3D-Daten aus. Dafür wird die Oberfläche mit einem auf der Streifenlichtprojektion beruhendem Stereosensor aufgenommen. Der kalibrierte Sensor der Baureihe „Surfacecontrol1400 Compact“ liefert exakte Höheninformationen über die Oberfläche und dient der objektiven Beurteilung der Abweichungen.

Sichtbare Abweichungen werden farbig in einer DefectMap dargestellt.

© Micro-Epsilon

Die 3D-Oberflächen-Inspektion begegnet verschiedenen Herausforderungen: So wechseln sich innerhalb der Freiformflächen konkave und konvexe Oberflächen mit unterschiedlichen Krümmungen ab. Weiterhin kann die Oberfläche einen unterschiedlichen Glanzgrad aufweisen. Eine der größten Herausforderungen ist jedoch, die lokalen Formabweichungen zu erkennen. Mit einigen 100stel Millimetern sind sie in der Regel zehnfach kleiner als die geometrischen Toleranzen des Bauteils. Werden die aufgenommenen 3D-Daten gegen einen CAD-Datensatz verglichen, wird in der Regel die geometrische Toleranz sichtbar; kleine lokale Fehler werden überdeckt.

Für die Erkennung der lokalen Oberflächen-Abweichungen, die sich in den 3D-Daten widerspiegeln, bietet INB verschiedene patentierte Verfahren an. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, das System in einem Offline-Prozess mit fehlerfreien Bauteilen zu trainieren. Das System lernt die zulässigen geometrischen Toleranzen der iO-Teile in der Serienfertigung. Aus diesen trainierten Datensätzen wird bei der Inspektion für jedes Prüfteil eine bestmögliche Referenz berechnet. Die lokalen Abweichungen zwischen Referenz- und Prüfteil werden sicher erkannt und lassen sich anhand der Höhendifferenzen objektiv bewerten.

Der virtuelle Abziehstein

Für die Tankklappen-Inspektion hat das Unternehmen ein weiteres Verfahren entwickelt, das auf einer im Presswerk und Karosseriebau auf Blechen weit verbreiteten Prüfmethode basiert – dem Abziehstein. Dabei schleift ein Mitarbeiter mit einem länglichen Schleifstein mit definierter Länge die Oberfläche in eine vorgegebene Richtung leicht an. So treten kleinste lokale Abweichungen in der Oberflächenform deutlich hervor. Überhöhungen, wie zum Beispiel Pickel, werden stärker angeschliffen, und in Vertiefungen reicht der Stein nicht hinein, so dass die gleichmäßige Schleifspur unterbrochen wird.

Beim „digitalen Abziehstein“ erfolgt das Abziehen der Oberfläche nicht physisch, sondern virtuell.

© Micro-Epsilon

Beim Verfahren des „digitalen Abziehsteins“ erfolgt das Abziehen nicht physisch, sondern virtuell – die Oberfläche wird nicht taktil, sondern optisch „abgezogen“ und somit nicht beschädigt. Nach der optischen Erfassung der Oberfläche mit dem 3D-Sensor wird analog zur Länge des Abziehsteins eine Strecke mit einer bestimmten Länge definiert. Diese Strecke wird in einer vorgegebenen Richtung Punkt für Punkt über die 3D-Daten des Bauteils „geführt“. Dabei kommt sie jeweils auf den höchsten Punkten zum Liegen. Anschließend ist der Abstand zwischen Linie und 3D-Oberflächendaten zu bestimmen. Damit liefert der digitale Abziehstein, im Gegensatz zu seinem realen Bruder, zusätzlich Informationen über die Ausprägung (Höhe/Tiefe, la­terale Ausdehnung) und die Relevanz eines Fehlers. Das Resultat wird farbig in einer sogenannten DefectMap dargestellt. Anhand vorgegebener Schwellwerte trifft das System eine automatische iO-/niO-Entscheidung.

Erste Untersuchungen an Musterteilen von Volkswagen zeigten, dass Abweichungen ab einer Tiefe/Höhe von 5 µm prozesssicher erkannt werden. Im nächsten Schritt galt es herauszufinden, ab welcher Größenordnung Oberflächen-Abweichungen im Spritzgussteil nach der Lackierung visuell erkennbar sind – schließlich muss ein Optimum zwischen Qualität und Quantität in der Fertigung gefunden werden. Dafür wurde auf einem Vorserienwerkzeug eine erste Serie an Tankklappen gespritzt. Diese Klappen wurden von INB vermessen, auf Formabweichungen untersucht und dokumentiert. Da selbst für erfahrene Auditoren eine objektive Beurteilung der Abweichungen auf unlackierten Spritzgussteilen fast unmöglich ist, wurden die Tankklappen anschließend lackiert und beurteilt. Dabei konnte eine Korrelation zwischen gemessener Dimension der Abweichung und Relevanz in der Beurteilung festgestellt werden. Dieser Schritt stellt eine wesentliche Voraussetzung für ein automatisches Prüfsystem dar.

Zwei Klappen pro Minute

Das Oberflächen-Inspektionssystem wurde 2012 bei Volkswagen installiert und die Kommunikation mit der Anlagensteuerung der vorhandenen Spritzgussanlage eingerichtet. Etwa alle 60 Sekunden öffnet sich das Werkzeug der Spritzgussmaschine und gibt zwei Tankklappen für den neuen Golf frei. Ein Roboter greift die beiden Tankklappen und hält sie nacheinander in das Prüfsystem. Wenige Sekunden später steht das Ergebnis der Prüfung fest. Fehlerfreie Tankklappen werden auf einem Auslaufband abgelegt und für die spätere Lackierung verpackt. Die modulare Systemsoftware „Surfacecontrol InspectionTools“ kümmert sich um den kompletten Prüfablauf, die Darstellung der Prüf-Ergebnisse, die Bewertung der Tankklappen und die Signale zur Anlagensteuerung. Beim Auffinden eines fehlerhaften Teils wird das Ergebnis der Prüfung automatisch dokumentiert. Das fehlerhafte Teil geht in einen separaten Behälter und wird später recycelt. Die Dokumentation der Fehler ermöglicht eine Analyse der Fehlerorte und -arten, um den Prozess kontinuierlich überwachen und zielgerichtet verbessern zu können.

Autor: Wolfram Schmidt ist Vertriebsleiter bei INB Vision in Magdeburg.

Für alle Oberflächen

Die Oberflächen-Inspektionssysteme der Produktreihe Surfacecontrol sind auf allen diffus reflektierenden Oberflächen einsetzbar.

Typischerweise handelt es sich dabei um metallische oder Kunststoff-Oberfläch­en. Für die Inspektion hochgradig glänzender Bauteile beziehungsweise lackierter Oberflächen bietet das Mutterunter­nehmen Micro-Epsilon das System „Reflectcontrol“ an.