Qualitätssicherung 100-Prozent-Prüfung, die Kosten senkt

Redakteur: Anne Richter

Bereits kleinste Kratzer, Poren oder Schlagstellen können die Funktion von Bauteilen beeinträchtigen: Ein Lager läuft womöglich nicht mehr rund oder ein Bohrer zeigt zu früh Verschleisserscheinungen. Ein Szenario, das der teurer gewordenen Marke «Swiss Made» leicht das Image kosten könnte. Moderne Technologien ermöglichen es, fehlerträchtige Sichtprüfungen zu automatisieren. Das steigert nicht nur die Qualität, sondern senkt auch die Kosten.

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Das Oberflächenprüfgerät Surfmax von Zeiss setzt auf die Technik der phasenschiebenden Deflektometrie: LED-Arrays beleuchten das Werkstück mit Streifenmustern. Diese werden an der Oberfläche des Teils reflektiert und von einer Kamera aufgenommen.
Das Oberflächenprüfgerät Surfmax von Zeiss setzt auf die Technik der phasenschiebenden Deflektometrie: LED-Arrays beleuchten das Werkstück mit Streifenmustern. Diese werden an der Oberfläche des Teils reflektiert und von einer Kamera aufgenommen.
(Bild: Carl Zeiss AG)

Die Aufwertung des Frankens steckt hierzulande insbesondere den exportstarken Herstellern und deren Zulieferern der Werkzeugmaschinenbranche in den Knochen. Damit die Unternehmen weiterhin einen Grossteil ihrer Waren zu wettbewerbsfähigen Preisen in den Euro-Raum ausführen können, müssen sie ihre Kosten senken. Und sie müssen die sprunghafte und plötzliche Verteuerung ihrer Maschinen durch eine noch höhere Qualität abfedern. Möglich wird dieser Spagat durch die Einführung modernster Technologien. Beispiel Oberflächenprüfung: Noch setzen viele Maschinenbauer, Werkzeughersteller und Automobilzulieferer auf fehleranfällige Sichtprüfungen. Mit der Technik der phasenschiebenden Deflektometrie lassen sich dagegen Oberflächenprüfungen automatisieren. Eine Investition, die sich auszahlt.

Erst seit Kurzem technisch realisierbar

Kopffläche, Fasen, Nuten … Es dauert nur Sekunden, während der Greifarm das zylindrische Werkstück um 360 Grad dreht und der optische Sensor alle von oben sichtbaren Bereiche der Oberfläche scannt. Einmal wenden und Prüfstation Nr. 2 erfasst die untere Hälfte, während die erste Station bereits das nächste Werkstück inspiziert. «So sieht die Oberflächenprüfung der Zukunft aus», sagt Torsten Brändle, Leitung Technischer Vertrieb, Carl Zeiss OIM GmbH.

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Was einfach aussieht, war bisher technisch nicht umzusetzen. Denn Standard-Kamerasysteme erkennen nur einen Teil der unterschiedlichen Defekte, die an feingedrehten, geschliffenen oder gehonten Oberflächen auftreten können. Deshalb wurden Oberflächenprüfungen bislang selten automatisiert, sondern per Sichtprüfung durchgeführt. Diese hat jedoch ebenfalls ihre Nachteile: Die Ergebnisse schwanken abhängig von der individuellen Vorgehensweise und Tagesform des Prüfers. Zudem lassen sich keine einheitlichen objektiven Kriterien für die Bewertung definieren, die Ergebnisse sind daher auch nicht reproduzierbar. Die Entscheidung zwischen Gutteil und Ausschuss fällen die Prüfer häufig auf Basis von Referenzen und Fotos von Defekten. Dies kann dazu führen, dass Schlechtteile beim Kunden landen oder intakte Werkstücke als Pseudoausschuss aussortiert werden.

Die Automatisierung dieser Prüfung ist ein leicht gangbarer Weg, um die Pseudoausschussrate zu senken. Unternehmen, die bisher aus Sicherheitsgründen mehr Ausschuss produzierten als nötig, können mit dieser Technologie von heute auf morgen ihre Stückkosten senken. Ein Punkt, der angesichts der Aufwertung des Franken existentiell für viele Firmen geworden ist. Hinzu kommt der grosse Zeitaufwand der Kontrolle mit blossem Auge, der sich bei hohen Stückzahlen schwer bewältigen lässt und zudem aufgrund des hohen Lohnniveaus auch als Kostenfaktor stark ins Gewicht fällt.

Prüfung per LED-Array und Kamera

«Um Oberflächenprüfungen reproduzierbar, zuverlässiger und zeitsparender durchzuführen, automatisieren wir sie mit Hilfe der phasenschiebenden Deflektometrie», erläutert Brändle. «Mit Taktzeiten zwischen zwei und fünf Sekunden lassen sich sogar 100-Prozent-Prüfungen umsetzen.» Die Prüfstationen basieren auf folgender Technik: LED-Arrays beleuchten das Werkstück mit mehreren, aufeinander folgenden, sinusförmigen Streifenmustern, die zueinander phasenverschoben sind. Die bogenförmige Anordnung der LED-Arrays ermöglicht es, auch gekrümmte Oberflächen vollständig auszuleuchten. Die Muster werden an der Oberfläche des Prüfteils reflektiert und von einer Zeilen- oder Matrixkamera aufgenommen. Dabei erfasst die Kamera jeweils mehrere Bilder in direkter Abfolge, mit unterschiedlichen Streifenmustern. Aus diesen Rohbildern errechnet die Software nicht nur ein Graubild mit reinen Helligkeitsinformationen, wie es ein Standard-Kamerasystem liefert. Zusätzlich verarbeitet sie Glanz- und Neigungsinformationen der Oberfläche. Dadurch verbessert sie die Ergebnisse der Oberflächenkontrolle laut Brändle erheblich: «Eine Scheuerstelle, die im Graubild kaum sichtbar ist, tritt zum Beispiel im Glanzbild deutlich in Erscheinung. Das Neigungsbild dagegen offenbart unter anderem Schlagstellen und Kratzer.»

Klare Kriterien und Grenzwerte

Die spezielle Software, die Teil des Oberflächenprüfsystems von Zeiss ist, wertet die Bilder automatisch anhand eindeutiger Kriterien aus. «Diese Kriterien sowie konkrete Grenzwerte bestimmen wir mit dem Anwender auf Grundlage realer Beispiele», sagt Brändle. «Anschliessend sortiert die Maschine zum Beispiel ein Werkstück automatisch aus, wenn sie einen Lunker mit einer Ausdehnung von soundso viel Millimetern entdeckt – oder eine Schlagstelle mit einer definierten Materialbeeinflussung.» Damit erhält der Anwender eine klare objektive Basis für reproduzierbare Prüfergebnisse. Eine solche Referenz kann Zulieferern auch Absprachen mit dem Kunden erleichtern. Zudem lassen sich die ausgewählten Parameter laut Brändle bei Bedarf schnell und unkompliziert ändern. Das ermögliche es dem Anwender, das System etwa an gestiegene Qualitätsanforderungen anzupassen oder neue Parameter hinzuzufügen. Und schlussendlich hat eine automatische Oberflächenprüfung noch einen weiteren Vorzug gegenüber der Sichtprüfung: Die Prüfergebnisse werden automatisch dokumentiert. Auch dies trägt laut Brändle dazu bei, dass sich diese Art der 100-Prozent-Prüfung für die Unternehmen rechnet – nicht nur aus Qualitäts-, sondern auch aus Kostengründen. <<

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