Schnelle Oberflächenprüfung komplexer Gussteile

Hoher Kostendruck in der Automobil- und Zulieferindustrie sowie die Forderung nach Null-Fehler-Qualität zwingen die Hersteller zunehmend zum Einsatz automatischer Sichtprüfsysteme in der Fertigungslinie. Dies gilt insbesondere im Bereich der Fertigung und Verarbeitung von Gussteilen. Das Fraunhofer IIS demonstriert mit CapaCam ein vollautomatisches Prüfsystem, das zuverlässig Poren, Lunker und Beschädigungen auf komplex geformten Gussteilen detektiert. Im Fahrzeugbau werden Gussteile sehr häufig eingesetzt, z. B. in Getrieben, Motoren oder Fahrwerken. Fehlerhafte Bauteile verursachen sehr häufig Funktionsstörungen und teure Folgekosten. Das System CapaCam erlaubt eine prozessintegrierte Prüfung von Werkstücken an unterschiedlichsten Teilflächen und Bohrungen, so dass eine vollständige Qualitätskontrolle möglich wird. Es zeichnet sich besonders durch kurze Prüfzeiten bei hohen Auflösungen aus. Das System ist für den Einsatz bei hoher Typenvielfalt ausgelegt und arbeitet auch bei Oberflächen, die aufgrund ihrer Geometrie oder Beschaffenheit als schwierig gelten, absolut zuverlässig.

Ein CapaCam-System befindet sich bei der Daimler AG im Werk Untertürkheim im industriellen Einsatz und prüft täglich mehrere tausend Werkstücke im Dreischichtbetrieb, wie z. B. »Wandlergehäuse«, die in Automatikgetrieben für PKWs verbaut werden. Für die Funktionstüchtigkeit des Bauteils ist die Güte der bearbeiteten Oberflächen von entscheidender Bedeutung, da ihnen eine Dichtfunktion zukommt.

 

Bilderfassung für verschiedene Oberflächengeometrien

Für eine erfolgreiche Prüfung sind qualitativ hochwertige Bilddaten der zu prüfenden Oberflächen entscheidend. Je nach Werkstück und Prüfaufgabe kann das CapaCam-System mit verschiedenen Sensormodulen ausgerüstet und damit an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.

Kleinere Prüfflächen, wie z. B. Dichtflächen von Flanschen mit einer Größe von ca. 3 x 3 cm können mit kostengünstigen Industriekameras aufgenommen werden.  Die eingespiegelte Beleuchtung sorgt für die richtige Ausleuchtung der Oberfläche.

Planflächen größerer Ausdehnung bis 40 x 40 cm erfasst CapaCam mit einem neu konstruierten Zeilenkamera-Scanner. Ein Linearschlitten bewegt diesen Scanner in wenigen Sekunden über das Bauteil, während die Zeilenkamera durch einen Ortstrigger angesteuert ein exakt skaliertes und hochauflösendes Digitalbild erfasst. Die langlebige LED-Linienlichtquelle sorgt dabei für die richtige Beleuchtung über die ganze Zeile.

Neben Planflächen sind häufig Bohrungen, die z. B. für Ölanschlüsse vorgesehen sind, auf Porosität zu prüfen. Je nach Tiefe der Bohrung lassen sich Weitwinkeloptiken für die Bohrungsprüfung einsetzen. Wo dies aufgrund der Tiefe nicht ausreicht, finden Endoskope mit Panorama-Optiken Verwendung. Auf diese Weise können auch Tieflochbohrungen einer schnellen Oberflächenprüfung unterzogen werden.

Bei größeren Bohrungsdurchmessern stößt die heute verfügbare Endoskop-Technik bislang noch an ihre Grenzen. Für große Bohrungen wurde deshalb ein spezieller Periskop-Kamerakopf entwickelt. Dieser integriert Kamera, LED-Lichtquelle und Seitblick-Optik für die Rundum-Erfassung einer Bohrung von 150 mm Durchmesser im Wandlergehäuse. Mit diesem Periskop, das die Mantelfläche von Bohrungen mit einer 360-Grad-Drehung vollständig erfasst, kann eine hochsensitive Defekterkennung auch in großen Bohrungen realisiert werden.

Das zugrunde liegende Software-Framework erlaubt eine überlappende Prüfung von Werkstücken in mehreren Prüfstationen wie bei Daimler AG realisiert. Ein Industrie-Rechner oder ein skalierbarer Verbund von mehreren Industrie-Rechnern sorgt für die ausreichend schnelle Auswertung aller erfassten Bilddaten, um die Werkstücke vollautomatisch zu sortieren. Die Einbindung in die Fertigungslinie wird flexibel über einen standardisierten Industrie-Bus realisiert.

 

Defekterkennung und Bewertung mit Bildverarbeitung

Die auszuwertenden Prüfbereiche innerhalb der verschiedenen Kameraansichten können im Konfigurationsprogramm der CapaCam-Software interaktiv definiert werden. Somit hat der Qualitätsverantwortliche vollständige Kontrolle darüber, welche Flächen besonders scharf geprüft werden bei gleichzeitig wirtschaftlichem Produktionsbetrieb. Eine Besonderheit der neuen CapaCam-Software ist die automatische Anpassung der Prüfbereiche an die aktuelle Gussform. Innerhalb konfigurierbarer Grenzen passen sich die Grenzen der Prüfbereiche durch ein spezielles Verfahren an Variationen der Gussform an. So kann ein maximal möglicher Prüfbereich ohne störende Falschalarme aufgrund von Objektkanten gewährleistet werden.

Verschiedene Teilevarianten handhabt CapaCam über eine Parameterdatenbank, deren Größe nur durch die Rechnerkapazität beschränkt ist. Darin werden die Prüfparameter für jeden Werkstücktyp abgelegt und verwaltet. Durch die Verwendung von Vorlagen kann der Bediener neue Teiletypen schnell und sicher einpflegen. Automatisches Umrüsten beim Typwechsel verhindert Stillstandzeiten und senkt Personalkosten.

Das verwendete Porenklassen-System bildet die gängigen Qualitätsvorschriften für Gussteile im Automobilbau ab und bewertet damit die Relevanz der detektierten Defekte. Dabei finden Parameter wie Randabstände zwischen Poren sowie zu Rändern der Bearbeitungsfläche wie auch Sonderregeln für Einzelporen Berücksichtigung. Anhand von mitgelieferten Vorlagen kann der Bediener eigene Porenklassen definieren und den Prüfbereichen zuweisen.