03.02.2015

Im Fokus der Kamera

Sonderdruck aus der Fachzeitschrift QZ Qualität und Zuverlässigkeit 2/2015
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Optische Verfahren für Geometrie und Oberfläche von Drehteilen

Autor Karl-Heinz Donadt Carl Leipold GmbH - für das Fachmagazin QZ 2/2015

Im Fokus der Kamera

Risse in der Oberfläche von Präzisionsteilen führen unter extremen Einsatzbedingungen zu Materialversagen in der Anwendung. Daher hat die Leipold Gruppe, Wolfach, die Inspektion mittels eines neuartigen optischen Prüfverfahrens ausgebaut. Die Kameratechnik kontrolliert über die übliche geometrische Prüfung der Teile hinaus auch deren Oberflächen und sortiertfehlerhafte Teile automatisch aus.

Lange galten Risse in der Oberfläche von Präzisionsteilen als unumgehbares Übel. Die schadhaften Stellen waren eher Makel denn wirkliche Fehler. Doch im Zuge wachsender Ansprüche an die Teile in den Endanwendungen entwickelten sich die marginalen Abweichungen zu einem größeren Problem gleichermaßen für die Teile-Hersteller wie für deren Kunden. Risse können im Einsatz unter extremen Nutzungsbedingungen sogar zum vollständigen Materialversagen führen. Die einwandfreie Qualität der Teile sicherzustellen, war den Herstellern bisher faktisch unmöglich. Mit dem menschlichen Auge zu prüfen, versprach bei den kaum erfassbaren Rissen keine Genauigkeit und ist auch aus wirtschaftlicher Sicht keine effiziente Lösung, zumal bei großen Chargen mit Stückzahlen von mehr als einer Million Teilen. Technische Prüfverfahren zur Qualitätssicherung gab es bisher nicht am Markt.

2019 wird das Unternehmen 100 Jahre alt

Auch die Leipold Gruppe stand vor dem Problem: In der jüngeren Firmen-geschichte – 2019 wird das Unternehmen 100 Jahre alt – stieß der Hersteller von Präzisionsteilen zunehmend in hochspezialisierte Bereiche vor – mit steigenden Anforderungen an die Teile. Sowohl bei der Fertigung von Kugelbuchsen am Standort in Dransfeld in Südniedersachsen als auch bei der Herstellung von Überwurfmuttern am Stammsitz in Wolfach im Schwarzwald war eine erhöhte Qualitätssicherung nötig. Beide Typen kommen im Automobilbereich in Hochdruckumgebungen von bis zu 200 bar an den elementaren Schnittstellen der Kraftstoffzufuhr zum Einsatz. Durch Risse in der Oberfläche kann Kraftstoff austreten oder das Teil durch die starke Beanspruchung sogar ganz brechen. Um sein Qualitätsversprechen von Null-Fehler-Lieferungen in die Tat umzusetzen, suchte das Unternehmen nach einer Lösung. Unter Laborbedingungen testete Leipold zwei verschiedene Systeme: einerseits die Prüfung mittels Wirbelstrom, andererseits die optische Fehlererkennung mittels Kameratechnik. Für die Beurteilung beider Verfahren fertigte Leipold mehrere Fehlermuster. Dafür erzeugte der Hersteller Risse in einer Breite von 60 μm und in verschiedenen Längen durch das Erodieren des Bauteils an verschiedenen Positionen. Im Fokus stand vor allem die hochkritische Stelle direkt an der Kante eines Sechskantprofils der Überwurfmuttern. Beim Test erkannte die Wirbelstromprüfung diese kritischen Stellen nicht prozesssicher. Die fehlerhafte Stelle sollte bei der Aufladung des Bauteils eine andere Leitfähigkeit aufweisen als das Bauteil selbst. „Ausschließlich die Kameraprüftechnik erbrachte den technischen Nachweis der Machbarkeit, Fehler in der Oberfläche unserer Teile sicher zu entdecken“, sagt Pascal Schiefer, Vorsitzender der Geschäftsführung der Leipold Gruppe.

Bei der neuen, vollautomatischen Kameraprüfung entschied sich die Leipold Gruppe für die Technik der Vester Elektronik GmbH aus dem schwäbischen Straubenhardt. In einer Entwicklungskooperation stimmten die beiden Unternehmen die Anlage VideoCheck VVC 811 E auf die individuellen Bedürfnisse des Teileherstellers ab. Dabei handelt es sich um einen Drehteller-Prüfautomaten für die 100-Prozent-Kontrolle von Serienteilen. Die integrierte Software zur Auswertung von Geometrie und Oberfläche entwickelte Vester in Abstimmung mit Leipold selbst. Mittels definierter Kriterien passten die Projektpartner die Anlage auf die besonderen Formen der Überwurfmuttern an. Die Partner entwickelten festgelegte Algorithmen, die Form und Beschaffenheit der Oberflächen im Optimalzustand abbilden. Über eine automatische Zuführung gelangen die Teile kontinuierlich in die Anlage. Auf einem rotierenden Glasteller durchlaufen sie fünf Prüfstationen, in denen sie in einer 360-Grad-Kontrolle aus allen Blickwinkeln von den integrierten Kameras aufgenommen werden. Dank der Algorithmen erkennt das System automatisch, welche Teile fehlerhaft sind und welche nicht. Erkennt das System ein Teil als fehlerhaft, durchläuft es zur Sicherheit erneut die optische Prüfung. Bei erneuter Fehlermeldung wird es automatisch aussortiert. Auch der sogenannte Pseudo-Ausschuss fällt durch das Raster. „Alleine solche Teile, die nur fehlerhaft sein könnten, werden automatisch durch das System erkannt und automatisch aussortiert“, erklärt Schiefer. Herzstück der Anlage sind CCDMatrixkameras beziehungsweise deren Objektive. Jeder Prüfstation ist eine spezielle Prüfung zugewiesen. An Prüfstation 1 messen zwei telezentrische Messobjektive die Gesamtlänge der Präzisionsteile und prüfen den Außensechskant, den Durchmesser der Bohrung und ob die Teile spänefrei sind. Prüfstation 2, ausgestattet mit einem Lochinspektionsobjektiv, kontrolliert die Fehlerfreiheit der Innengewinde. Während die ersten beiden Stationen auf Geometrie und Form achten, machen die drei folgenden Stationen den Unterschied zur gängigen Teileprüfung aus. Sowohl Station 3 als auch Station 4 prüfen, jeweils ausgestattet mit einem Catadioptric-Objektiv, zuerst im oberen, dann im unteren Schärfebereich die Mantelfläche auf Risse und Oberflächenfehler. Zum Schluss kontrolliert Prüfstation 5 mit einem telezentrischen Messobjektiv die Gewindeanfänge auf Beschädigungen. Für den Durchlauf von der Ein- bis zur Ausschleusung benötigt jedes Teil circa fünf bis sechs Sekunden. Innerhalb einer Arbeitsschicht durchlaufen mehr als 20 000 Teile die Kameraprüfung.

Leipold schaltet der vollautomatischen Kameraprüfung ein optimiertes Oberflächenfinish mittels Korundtbestrahlung vor

Um eine vergleichbare Oberflächengüte herzustellen, schaltete Leipold der vollautomatischen Kameraprüfung ein optimiertes Oberflächenfinish mittels Korundtbestrahlung vor. Eine festgelegte Menge an Teilen wird rotierend in einer Trommel von einer Druckdüse permanent mit Strahlgranulat beaufschlagt. So werden die Oberflächen von Ablagerungen und leichten Oxidationsresten aus dem gesamten Herstellungsprozess durch mechanischen Abtrag gereinigt, und die Kanten werden entgratet. Durch diese Harmonisierung der Oberflächen garantiert Leipold, dass fehlerfreie Teile bei der anschließenden Kameraprüfung durch die festgelegten Algorithmen nicht doch als fehlerhaft eingestuft werden, wobei die fehlerhaften Teile sicher ausgeschleust werden. „Mit der vollautomatischen Kameraprüfung speziell für Oberflächen beschreiten wir in Sachen Qualitätssicherung neue Wege in der Branche“, betont Pascal Schiefer. „Dank dieser einzigartigen Automatisierung reduzieren wir für Anwender das Ausfallrisiko fehlerhafter Teile auf ein Minimum.“ Und das sogar auf eigene Kosten: Jedes aussortierte und somit nicht ausgelieferte Teil bedeutet für den Hersteller einen wirtschaftlichen Schaden.

Mit Einführung der Kameratechnik stieg der aussortierte Anteil an der gesamten produzierten Ware je Charge an. „Indem wir das Risiko, dass das Bauteil im Verbau oder im Fahrzeugeinsatz ausfällt, erheblich reduzieren, rechnet sich allerdings der erhöhte interne Ausschuss gegen potenzielle Ausfall- oder gar Rückrufkosten bei einem Feldausfall.“ Leipold lässt zudem die fehlerhaften Teile recyceln und führt sie im Sinne eines nachhaltigen Rohstoffmanagements als Rohmaterial dem Markt wieder zu. Außerdem umgeht die Leipold Gruppe eine latente Rechtsunsicherheit durch das neue Qualitätsmanagement. Wer im Fall eines Materialversagens, Hersteller wie Leipold oder die Anwender selbst, haftet, ist bis heute oft Verhandlungssache. Obwohl die Risse gar nicht bei der spanenden Fertigung entstehen, ist es möglich, dass Hersteller wie Leipold die Kosten tragen müssen. Die Risse entstehen bereits bei der Herstellung des Rohmaterials. Den Rohmateriallieferanten stehen allerdings Toleranzen bei der Qualität der Werkstoffe zu. Aus wirtschaftlichen Erwägungen wendet Leipold die vollautomatische Kameraprüfung derzeit ausschließlich bei Überwurfmuttern und Kugelbuchsen, bei diesen allerdings mit einem anderen Kameraprüfsystem, an. Beide Teile werden jeweils in einer Stückzahl von jährlich bis zu acht Millionen Teilen gefertigt. „Weil die Kameratechnik dermaßen individuell auf diese beiden einzelnen Teile abgestimmt wird, lohnt sich ein solches System rein wirtschaftlich nur bei großen Mengen“, sagt Schiefer. Nach der erfolgreichen Einführung der vollautomatischen Kameraprüfung plant Leipold bereits jetzt, diese in die Qualitätssicherung weiterer Produktgruppen zu übertragen.

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