Eine 100-%-Kontrolle in der Fertigungslinie lässt sich nur durch die Kombination verschiedener Verfahren erreichen, um so unterschiedliche Prüfstellen schnell und zuverlässig zu überwachen. Beim Spritzguss bietet sich beispielsweise ein Zusammenspiel von Thermografie und Farbmesssystem an.

Durch die Nutzung von Wärmebildkameras bei der Fertigung von Kunststoff-Spritzgussteilen lässt sich die Produktqualität insbesondere hinsichtlich Stabilität und Passgenauigkeit überwachen. Wesentlich hierfür ist die Prüfung des Abkühlprozesses: Unregelmäßigkeiten beim Abkühlen können unterschiedliche Materialdichten verursachen und sich auf die Materialeigenschaften der Spritzgussteile auswirken. Für die Überwachung wird ein Bauteil während des Produktionsprozesses zunächst direkt vor die Infrarot-Kamera bewegt, um es auf Fehler zu überprüfen. Ermöglicht wird dies durch ein automatisches Handling-System zur Bauteil-Entnahme und Ablage, mit dem moderne Spritzgießmaschinen üblicherweise ausgestattet sind. Als Inline-Thermografie-System für die Bauteil-Prüfung kann beispielsweise ‚Mold-control‘ von Micro-Epsilon genutzt werden. Dieses System ermöglicht eine schnelle, konstante Qualitätsprüfung gespritzter Kunststoffteile direkt in der Fertigungslinie. Die Systemlösung besteht aus einer Wärmebildkamera der Serie ‚ThermoImager‘, einem betriebsbereiten Net-PC und der Moldcontrol-Software.

Infrarot-Wärmebilder zur Fehler-Erkennung

Wo herkömmliche Bildverarbeitungsverfahren an ihre Grenzen stoßen und aufgrund von Geometrie, Farbe und Reflexionsgrad Schwierigkeiten haben, fehlerhafte Bauteile zu erkennen, punkten Infrarot-Kameras, die auch die Möglichkeit zur Protokollierung bieten. Via Thermografie lassen sich selbst unvollständig ausgespritzte Bauteile, die bei visueller Sichtprüfung unentdeckt bleiben, sofort erkennen. Inline-Thermografie-Systeme ermöglichen die frühzeitige Erkennung von Qualitätsschwankungen und auf Basis der gemessenen Werte ein schnelleres ­Anfahren der Produktion sowie eine optimierte Werkzeugtemperatur, um Ausschuss zu verringern. Per Infrarot-Wärmebildkamera lässt sich das komplette Bauteil erfassen, begutachten und nach vordefinierten Parametern bewerten. Anhand definierter Referenzwerte trifft das System schließlich eine Gut-/Schlechtteil-Auswahl.

Durch die Positionierung des Bauteils vor der Kamera kann ein exaktes Zeitfenster für die Aufnahme der Thermografie-Bilder eingehalten werden, was die Vergleichbarkeit der Wärmebilder von Schuss zu Schuss sichert. Bei der automatisierten Entnahme ist eine Gut-/Schlechtteil-Auswahl in kürzester Zeit zu treffen. Denn das Ziel ist, Probleme bei der Weiterverarbeitung zu verhindern und möglichst schnell Korrekturmaßnahmen einzuleiten.

Dank der berührungslosen Technologie lassen sich Messobjekte ohne physikalische Einwirkung präzise und verschleißfrei prüfen, große Flächen können im Millisekunden-Intervall erfasst werden. Zur kontinuierlichen Prozessüberwachung laufender Prozesse ist die Kamera in einem Zeilenüberwachungsmodus einsetzbar. Die Infrarot-Kamera registriert das gesamte Bauteil aus bis zu sechs unterschiedlichen Ansichten und begutachtet es. Die miniaturisierte industrielle Wärmebildkamera erfasst die von dem Werkstück ausgehende Infrarotstrahlung und visualisiert sie. Dabei liefert die Temperaturverteilung eine globale Qualitätsaussage über Fehltemperierung des Werkstücks, Fehlfunktion der Werkzeugtemperierung, sichtbare Geometriefehler und verdeckte Fehler. Das System minimiert die Anfahrausschüsse nach Stillständen oder Werkzeugwechsel, da bereits das erste Gutteil nach dem Wiederanlauf zuverlässig erkannt wird. Die Auswertung findet in der Totzeit zwischen zwei Schüssen statt. Dabei stellt die Software das Referenzbild, das IR-Bild vom Bauteil und die Differenz der beiden Bilder dar. Als Grundlage für die Unterscheidung zwischen Gut- und Schlechtteil dienen die identifizierten Temperaturunterschiede. Dabei lassen sich die Temperatur-Alarmgrenzen frei über die Bediensoftware festlegen. Fehlerhafte Bauteile werden entsprechend dieser Einstellungen aussortiert.

Das Inline-Farbmesssystem 'Colorcontrol' ­identifiziert eine Farbe nicht nur über den Vergleich zum Referenzwert, sondern zudem über das Reflexionsspektrum.

© Micro-Epsilon

Darüber hinaus ist es beispielsweise möglich, Bediener durch eine Ampel bei Fehler-Ereignissen zu warnen oder die Maschine im Extremfall abzu­stellen. Grenzwerte für verschiedene Bauteile lassen sich in einer Bauteil-Datenbank speichern und abrufen. Neben der sofortigen Sortierung der Bauteile wird von jedem Schuss ein IR-Bild des Teils auf die Festplatte oder ein Netzlaufwerk gespeichert und somit eine 100-%ige Nachverfolgbarkeit eines Bauteils realisiert.

Wurde durch das Moldcontrol-System zuvor verifiziert, dass es sich bei einem Bauteil um ein Gutteil handelt, lässt sich dieses direkt im Anschluss in der Linie mittels des ‚Colorcontrol ACS 7000‘ auf seine Farbe überprüfen. Bis dato war eine zu 100 % automatische Farbprüfung am frisch gespritzten Bauteil wegen des Thermochromie-Effektes messtechnisch nicht möglich: Demzufolge weisen warme Bauteile eine andere Farbe auf als im abgekühlten Zustand. Speziell bei roten Farbstoffen ist dieser Effekt sehr ausgeprägt und eine Farbunterscheidung schwierig. Denn schon bei einem Temperaturunterschied von 20 °C können je nach Einfärbung Farbabweichungen von mehr als 2 ∆E-Einheiten entstehen.

Das Farbmesssystem von Micro-Epsilon bestimmt die exakte Farbe am gerade gespritzten Formteil – aufgrund eingelernter Messwerte, die die Farbveränderung über die Tem­peratur widerspiegeln, wird die Farbe im abgekühlten Zustand abgeleitet.

Automatische­ Farbüberprüfung

Im Unterschied zu konventionellen Technologien wird bei diesem Inline-Farbmesssystem mit einer Messge­nauigkeit von ΔE ≤ 0,08 eine Farbe nicht nur über den Vergleich zum Referenzwert, sondern über das Reflexionsspektrum eindeutig identifiziert. Das System arbeitet mit dem Spektralverfahren: Zunächst wird die Probe mit homogenem weißem LED-Licht beleuchtet. Danach wird das Spektrum des reflektierten Lichtes mit einer Weißreferenz verrechnet. Hieraus werden die Koordinaten im CIE-XYZ-Farbsystem für alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts (von 390 bis 780 nm) ermittelt und im gewünschten Farbraum ausgegeben. Der Controller berücksichtigt dabei verschiedene Beobachtungsbedingungen wie Lichtart und Normalbeobachter. Drei Betriebsarten sind möglich: In der ersten wird der Farbabstand ΔE zur Referenz gemessen. Dabei arbeitet das System mit bis zu 15 eingelernten Werten. Im zweiten Modus wird das Reflek­tivitätsspektrum der Probe ermittelt und ausgegeben. Im dritten Modus werden Farborte bestimmt und im ­gewünschten Farbraum angezeigt. Für die Qualitätsprüfung kann über einen beliebigen Zeitraum die Trendanalyse über die Farbwerte wahlweise in L*a*b*, XYZ oder L*c*h erfolgen. In allen Modi lassen sich Messungen mit der Geschwindigkeit bis 2 kHz durchführen. Über eine Web-Ober­fläche erfolgen Bedienung und An­zeige, mit Hilfe von Tasten am ­Controller oder der Bedienoberfläche lässt sich auch eine Hell-/Dunkel-Korrektur durchführen. Zur Datenausgabe stehen Ethernet/Ethercat, RS422 und digitale I/Os zur Ver­fügung.

Für jede Oberfläche ein Sensor

Das optische Messsystem Colorcontrol ACS 7000 verfügt über drei verschiedene Sensorköpfe für unterschiedliche Messaufgaben: Für strukturierte, hochreflektierende sowie metallisch-glänzende Oberflächen eignet sich insbesondere der 360°-Ringkopf. Im Sensor sind 24 Beleuchtungsoptiken um die Empfangsoptik angeordnet und sorgen für eine konstante Ausleuchtung der Oberfläche. Dadurch kann die Messung unabhängig von der Drehlage des Messobjekts erfolgen. Für eine Farbmessung auf matten und feinstrukturierten Materialien eignet sich der Winkelkopf. Hier sind Beleuchtung und Empfänger im 30°/0°- beziehungsweise 45°/0°-Winkel zueinander angeordnet.

Autor:
Manfred Pfadt ist Produktmanager Sensorik bei Micro-Epsilon Messtechnik in Ortenburg.