Eine blaue linienförmige Auflichtbeleuchtung ermöglicht optimale Lichtverhältnisse bei der Folieninspektion. (Bild: Stemmer Imaging)
In einer Käseverpackung will niemand eingeschweißte Insekten sehen und beim Blick auf einen TFT-Bildschirm sollten keine trüben Stellen auffallen. Der Meinung von Mendo Gusevski dürften alle Verbraucher zustimmen. Gusevski ist Projektmanager beim Unternehmen OCS, das sich auf die optische Qualitätssicherung von Polymeren und den daraus produzierten Folien spezialisiert hat. Die Einsatzbereiche solcher Folien reichen von Flachbildschirmen, Pharma-Tablettenblistern oder Lebensmittelverpackungen bis hin zu Babywindeln.
Um Kunststofffolien zu produzieren, gibt es zwei Verfahren: die Blasfolien- oder Gießfolienextrusion. Das Gießen von Folien ist ein kontinuierlicher Vorgang, bei dem ein Thermoplast geschmolzen und durch ein flaches Werkzeug auf eine Kühlwalze extrudiert wird. Eine Kühlwalze zieht die dabei entstehende Folie ab und wickelt sie zu einer Rolle auf. Bei der Blasfolienextrusion wird die Schmelze nach dem Extruder durch ein Werkzeug mit Ringdüse gedrückt. Luft bläst den entstehenden Schmelzeschlauch auf und ein weiterer Luftstrom kühlt den Schlauch. Weitere Anlagenkomponenten legen den abgekühlten Folienschlauch flach und wickeln ihn abschließend auf. Zu den möglichen Fehlerquellen im Prozess gehören: nicht korrekt aufgeschmolzenes Material (Stippen oder Anbrenner), Dünnstellen, Löcher, Schlieren, Fließlinien oder schlicht Schmutz. Ohne Bildverarbeitung sind diese Mängel in der geforderten Geschwindigkeit kaum zu erkennen.
Qualitätskriterien von Kunststofffolien
Bezüglich der Qualität von Kunststofffolien gibt es unterschiedliche Standards. Die spezifischen Ansprüche werden zwischen Herstellern und Anwendern vereinbart. Dabei spiegeln Art und Anzahl der zulässigen Fehler zwangsläufig den Aufwand für die Herstellung, also letztlich den Preis der Folien wieder. 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 die Qualitätssicherung die Größenordnung von 50 bis 200 μm, bei Oberflächenschutzfolien zum Beispiel von 60 bis 160 μm. Bei Folien mit speziellen optischen Eigenschaften kann es erforderlich sein, Fehler von 25 bis 100 μm zu erkennen.
Bis zu zehn Kameras parallel
Bei der Qualitätskontrolle werden alle Fehler – letztlich Inhomogenitäten der Folien – in Bildern erfasst, die bei Bedarf auch im Nachhinein auswertbar sind. Gemeinsam mit Stemmer Imaging hat OCS dafür ein skalierbares, modulares Inspektionssystem entwickelt, in dem bis zu zehn Kameras nebeneinander arbeiten können: das FSP-600. In der Praxis kommen in den meisten Anwendungen Systeme mit zwei Kameras zum Einsatz und prüfen dabei eine Folienbreite von 1 500 bis 2 000 mm.
Die Applikation bestimmt die benötigte Auflösung
Neben der Sensorgröße der Zeilenkamera von bis zu 8 192 Pixel (8k) bestimmt auch der Abstand der Kamera zur Folie die mögliche Auflösung. Beispielsweise fordern Folien für die Verpackungsindustrie in der Regel nicht mehr als 150 bis 200 μm Auflösung, was einem Einsatz von einer Kamera pro Meter Folienbreite entspricht. Technische Folien werden hingegen mit doppelter bis dreifacher Auflösung und entsprechend mehr Kameras überprüft.
Die Zahl der Pixel ist aber nicht allein entscheidend. In 8k-Kameras sind die Sensorelemente kleiner und entsprechend weniger lichtempfindlich. Bei Materialien, die das Licht schlechter durchdringt, ist also ein Einsatz von 4k-Kameras mit größerem Pixeldurchmesser sinnvoll.
Blick über den Tellerrand: Infrarotkameras mit Potenzial
Die Contact Imaging Sensors (CIS) sind Kamerazeilen von etwa 30 bis 90 cm Länge, wobei jeder Pixel über eine eigene Optik (Rod Lens) mit telezentrischen Eigenschaften verfügt. Dies ermöglicht eine unverzerrte Aufnahme von zeilenförmigen Bildern. CIS-Module arbeiten mit 22 kHZ in CL 55KHZ in CXP bei 600 dpi. Zudem verschleißfrei in der industriellen Ausführung mit 12 mm Abstand . Eine weitere Technologie sind Polarisationskameras von Teledyne Dalsa. Laut Mendo Gusevski arbeiten sie für besondere Anwendungen, etwa die Farbdetekion von Pellets, mit Kameras von JAI, die über drei Sensorzeilen und ein Prisma für RGB verfügen. Aktuell hat Teledyne Dalsa eine vierzeilige Kamera mit Polarisationsfiltern vorgestellt, die auf jeder Zeile um 90° gedreht angeordnet sind. Aus den Bildunterschieden zwischen den Zeilen mit unterschiedlicher Polarisation lässt sich eine neue Art von Bildinformation herauslesen, beipsielsweise die Pannungen im Material. Potenzielle Einsatzmöglichkeiten dieser Technik gilt es noch zu finden. Das Unternehmen hat außerdem mit ungekühlten langwelligen Infrarot-Kameras Versuche durchgeführt, um zu sehen, ob thermische Untersuchungen eine weitere Prüfmöglichkeit für Folien darstellen. Die Ergebnisse waren laut Gusevski vielversprechend und sie werden diese Option weiterverfolgen.
Jede Kamera mit eigenem Frame Grabber
Das Inspektionssystem kann Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 1 200 m/min in Echtzeit überwachen. Um die Zahl der dabei anfallenden Bilddaten zu bewältigen verfügt jede Kamera über einen Frame Grabber. Beide Komponenten sind an der Maschine in einem Gehäuse untergebracht. Diese sogenannten Workstations sind modular und ermöglichen kurze Signalwege zwischen Kamera und Grabber, vornehmlich per CL-Schnittstelle. Integrierte Kühlventilatoren erzeugen zudem einen leichten Überdruck und verhindern so, dass sich Staub auf der Optik ablagert. Bei aggressiven oder besonders schmutzigen Umgebungsbedingungen kommen darüber hinaus hermetisch dichte Gehäuse zum Einsatz, die durch einen eigenen staub- und feuchtekontrollierten Spülluft-Kreislauf gekühlt werden.
Kundenspezifische Beleuchtungen
Damit das System die Folien optimal erkennt, benötigt es eine entsprechende Beleuchtung. Möglich machen das LED-Zeilen. Die zwischen 100 und 3 600 mm langen Beleuchtungen stellt der Lieferant von Stemmer Imaging, CCS in Japan, kundenspezifisch her. Das derzeitige Design beruht auf einem Standardprodukt, das stets an die vielfältigen Anforderungen der täglichen Praxis angepasst wurde. „Das zeigt sich zum Beispiel bei der Homogenität der LED-Lichtleistung, den Diffusor-Eigenschaften in allen drei Achsen, dem Steckverbinder- und Wartungskonzept bis hin zur Schutzklasse IP54“, erklärt Georg Schelle, Senior Key Account Manager für OCS bei Stemmer Imaging.
Robuste LED-Beleuchtungen
Eine robuste und austauschbare Kappe schützt die LED-Zeile gegen Verschmutzung und Kratzer. Dies ist nötig, da beim Anfahren der Produktion die zunächst noch sehr dicken Folien häufig durchhängen und so zu Verschleiß der Beleuchtung führen. Unter der Schutzkappe befindet sich der antistatisch behandelte Diffusor, der für die Folieninspektion optimiert ist.
Die richtige Wahl des Lichteintrittswinkels ist ein Parameter zum Optimieren des Prüfvorgangs: Je schmaler das Lichtband, desto stärker der Kontrast für bestimmte Fehler. Bei Folien mit vielen Stippen, die jedoch etwa bei Verpackungen nicht stören, genügt eine weniger kontrastreiche Beleuchtung. Für die Suche nach Anbrennern oder Verschmutzungen eignet sich indessen ein hoher Kontrast. Der Diffusor spielt auch bei der Prüfung von strukturierten Folien eine Rolle. Durch eine angepasste Ausleuchtung werden so strukturbedingte Signale gedämpft und damit Fehler besser erkannt. Auch farbiges oder UV-Licht sind eine Option sowie Infrarot bei lichtempfindlichen Folien oder Beschichtungen.
Eine Truecolor-Beleuchtung mit ansteuerbaren LED-Elementen ermöglicht verschiedene Farben oder bei Bedarf den Einsatz von Licht im nahen Infrarotbereich. Stemmer Imaging
Software zur Prozesskontrolle ordnet Abschnitten Fehler zu
Die von OCS entwickelte Analyse-Software ermöglicht dem Anlagenpersonal unterschiedliche Darstellungen von Fehlertrends, aus denen sich Alarme und gezielte Änderungen für bestimmte Prozessparameter im Herstellungsprozess ableiten lassen. Zudem zeigen Trenddaten Tendenzen als Folge von Veränderungen. So können Probleme erkannt und Längenabschnitten zugeordnet werden. Mögliche Ursachen sind beispielsweise das Zuführen von Additiven, außergewöhnliche Schmutzeinträge oder ein Wechsel von Pellet-Tanks. In späteren Kommissionierläufen können die Folienhersteller die fehlerhaften Abschnitte dann herausschneiden.
Wunsch nach 100-prozentiger Kontrolle
Im Hintergrund erkennt und speichert das Inspektionssystem Details, die bei Bedarf in weiterreichende Analysen zur Qualitätssicherung einfließen. Galt vor Jahren bei den QS-Verantwortlichen noch eine Inspektion von circa 10 % der Bahnbreite als ausreichend, zeigt sich mit der wachsenden Rechenleistung verstärkt der Wunsch nach 100-%-Kontrolle. Die derzeit breiteste Bahn, die das FSP-600-System inspiziert, misst 870 cm und läuft mit 1 200 m/min. Die dabei anfallenden Datenmengen von bis zu 400 MB pro Kamera sind laut OCS-Verkaufsleiter Oliver Hissmann nur auf der Hardware-Ebene beherrschbar: „Deshalb kommunizieren wir entsprechend bei Bedarf auch direkt mit den Entwicklern bei Teledyne Dalsa über Details, von denen andere Anwender mit weniger zeitkritischen Abläufen nicht betroffen sind. Die höchste, kundenseitig geforderte Auflösung, liegt laut Hissmann derzeit bei 25 μm auf 1 500 mm Breite.“
Oliver Hissmann, Sales Manager bei OCS, erläutert die Funktionsweise einer Anlage zur Folieninspektion. Stemmer Imaging
Hauseigenes Testzentrum
Je nach Aufgabenstellung stellen verschiedene Beleuchtungsvarianten eine Option dar: Durchlicht oder Auflicht, Hellfeld oder Dunkelfeld. Im hauseigenen Test- und Schulungszentrum bei OCS findet sich unter anderem ein Umwickler, an dem Voruntersuchungen durchgeführt werden können. Hier lässt sich die Ausrüstung einer geplanten Anlage anhand von Folienmustern optimieren und bei Geschwindigkeiten von bis zu 400 m/min verifizieren. Eine kürzlich getestete Applikation ist eine Truecolor-Beleuchtung, an der ansteuerbare LED-Elemente das Einstellen verschiedener Farben oder bei Bedarf sogar den Einsatz von Licht im nahen Infrarotbereich ermöglichen.
Peter Stiefenhöfer
(ml)
