22.11.2012

Infrarotkameras prüfen Verpackungen auf unsichtbare Risse

Ob mit oder ohne Tomaten, welker Salat schmeckt nicht. Um dem entgegenzuwirken, setzen Lebensmittellieferanten auf geeignete Behälterverpackungen. Nur dürfen diese Behältnisse keine Mängel aufweisen – auch keine verborgenen. Dafür sorgt ein Mehrkamerasystem, das sowohl im sichtbaren als auch im Infrarot-Bereich arbeitet.

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Die Verpackung macht's! Ist sie transparent, gibt sie den Blick auf einen leckeren Inhalt frei. Darüber hinaus beeinflusst sie mit ihrer Formund ihrem Aufdruck den Kaufimpuls des Konsumenten. Und so vertrauen Feinkosthersteller auf Verpackungslieferanten, die nicht nur formschöne, sondern auch lebensmittelsichere Behältnisse produzieren.

Das Problem:

Bereits kleinste Fehler in den Kunststoffbehältern mindern die Qualität des zu verpackenden Guts. Daher achten die Verpackungsspezialisten bei der Herstellung der Behältnisse auf hochwertige Produktionsprozesse. Dazu wird Kunststoffmaterial erhitzt und anschließend in die vorgesehene geometrische Form gebracht.

Während eine zu geringe Erwärmung zu Abweichungen bei der Formgebung führt, kann eine zu hohe Temperatur zum Verbrennen des Kunststoffs führen.

Eine intelligente Steuerung des Prozesses reduziert hier den Ausschuss und vermeidet Stillstandzeiten.

Bislang waren Schwankungen in der Qualität nur schwer erkennbar, viele Fehler für das menschliche Auge gar nicht sichtbar. So kommt es beispielsweise durch eine elektrostatische Aufladung immer wieder vor, dass sich die vom Roboter in die Spritzform eingelegten Produktlabel verschieben. Dadurch verbindet sich der Kunststoff bei der Einspritzung nicht richtig und im Produkt entstehen Löcher, die das Gefäß undicht machen. Da das Label und der Kunststoff übereinander liegen, ist das Gefäß bei einer Druckluftprüfung dicht. Die Löcher bleiben unentdeckt.

Durch die Deckelbelastung beim Stapeln auf der Palette kommt es dann aber vor, dass der Inhalt durch die Löcher und den sich öffnenden Spalt austritt. Durch die Verunreinigung der eingeschweißten Palette kann Schimmel entstehenden, der dann die ganze Palette unbrauchbar macht.

Ein namhafter Hersteller von Behälterverpackungen beauftragte deshalb die Firma Vision Kronemeyer aus Stuttgart mit der Implementierung eines berührungslosen und zerstörungsfreien Messverfahrens. Das System soll erkennen, ob das richtige Label auf dem Behältnis und die Lage im Toleranzfeld ist. Vision Kronemeyer entschied sich bei dieser Aufgabenstellung für eine Bildverarbeitungslösung mit Thermografie.

Die Vorteile der Thermografie

Mittels Thermografie wird Infrarotstrahlung sichtbar gemacht, die sich im Bereich zwischen 1 Mikrometer und 14 Mikrometer befindet. Ein Wärmebild entsteht, indem die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlungin elektrische Signale umgewandelt wird. Die so erfassten Wärmedaten werden sichtbar gemacht, beispielsweise als Grauwertbild oder als Falschfarbenbild. Das Prüfobjekt mit T > 0 K (Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes) ist dabei eine selbstleuchtende Strahlungsquelle. Die Intensität und spektrale Verteilung der Infrarotstrahlung ist abhängig von Temperatur und Emissionsgrad.

Thermografie kann somit Güter, Abläufe und Prozesse, die temperaturbedingt sind, steuern, regeln und kontrollieren. Die Thermografie detektiert verborgene Defekte in den unterschiedlichsten Materialien, welche mit optischer Inspektion im visuellen Bereich nicht möglich sind. Mit der klassischen, visuellen Bildverarbeitung ist es beispielsweise nahezu unmöglich, eine glatte Metalloberfläche von einer glatten Glasscheibe zu unterscheiden. Sie reflektieren beide das sichtbare Licht gleich stark.

Im infraroten Bereich (circa 0,8 bis 2 Mikrometer) dagegen reflektiert das Metall, während die Reflektion an der Glasoberfläche minimal ist. Die Emissivitäts-Unterschiede (Abstrahlungsvermögen einer Oberfläche) verschiedenster Werkstoffe lassen sich mittels Thermografie sichtbar machen. Eine einfache Materialunterscheidung ist damit möglich. So absorbieren Flüssigkeiten und Wasser Mikrowellen stärker als feste Stoffe. Dementsprechend nehmen diese mehr Energie und somit auch Wärme auf. In der Nahrungsmittelindustrie wird dieser Effekt genutzt, um in Früchten Kerne und Fremdkörper zu detektieren. Empfindliches Obst wie Äpfel oder Birnen können damit auf Druckstellen untersucht werden.

Die Vorteile der Thermografie liegen auf der Hand: Es wird berührungslos und zerstörungsfrei geprüft. Auch an unzugänglichen Stellen ist die Thermografie anwendbar, beispielsweise wenn Bauteile überprüft werden sollen, die miteinander montiert sind oder sich überdecken. Schnelle Messungen ohne nennenswerte Verzögerungen sind realisierbar, was entscheidend ist, um in der Produktion zeitgerechte Aussagen zu treffen und Fehlerteile im Fluss auszuschleusen. Das Verfahren wird deshalb in vielen Bereichen eingesetzt, in denen auch die klassische Bildverarbeitung arbeitet.

Aus Blobs werden Hot Spots

Bei der Auswahl der Komponenten entschied sich Vision Kronemeyer für das Vision-System des Unternehmens Vision & Control. Denn das Mehrkamerasystem vicosys® bietet die Möglichkeit, neben visuellen Kameras auch Infrarot-Kameras anzuschließen. So können Wärmebilder und Grauwertbilder kombiniert und mit der gleichen Bildverarbeitung ausgewertet werden. Die Anbindung von Thermografie-Kameras erfolgt über standardisierte Schnittstellen an das Mehrkamerasystem, wie beispielsweise GigE. Eine Beleuchtung ist nicht notwendig, da die Prüfobjekte selber strahlen. Benötigt werden jedoch spezielle Germanium-Objektive, denn für IR-Anwendungen sind Objektive für sichtbares und nahes Infrarotlicht nicht nutzbar. Die Bilder werden im Bildspeicher des Systems abgelegt, die Weiterverarbeitung der Information erfolgt wie bei der klassischen Bildverarbeitung.

Aus Blobs werden Hot Spots, aus Grauwerten ein Temperaturfeld und aus einer Kante ein Temperaturübergang. Eine Pixelschwelle kann zur Temperaturüberwachung genutzt werden.

In der Produktion gewinnt die Thermografie als Inspektionstechnik zunehmend an Bedeutung. Mit dem zerstörungsfreien Prüfverfahren werden erweiterte Aussagen zur Qualitätssicherung möglich. Äußerlich nicht sichtbare Fehler, die unterhalb der Oberfläche liegen, werden entdeckt. Die im Prozess entstehende Wärme kann visualisiert werden und gegebenenfalls Alarme auslösen. Es werden nicht nur Temperaturen gemessen, sondern im laufenden Produktionsbetrieb Informationen gespeichert, Probleme erkannt und lokalisiert. Das spart Zeit und Geld.

Von Vorteil sind die relativ einfache Automatisierbarkeit sowie das bildgebende Funktionsprinzip. Die Bildverarbeitung erfährt eine Erweiterung ihrer sensitiven Fähigkeiten um die Dimension Temperatur und "Unsichtbares".

Mehrkamerasysteme, wie das von Vision & Control, eignen sich zur Verbindung von sichtbarer mit Wärmebildverarbeitung. Die Verarbeitung erfolgt auf bekannten BV-Plattformen, da nur die Messwertaufnehmer (die Kameras) verschieden sind, aber die gleichen Algorithmen genutzt werden.

Der Salat kommt also in seine hundertprozentig lebensmittelsichere und einwandfreie Verpackung. Darauf darf der Konsument vertrauen, ebenso wie der Feinkostproduzent.

erschienen in: messtec drives Automation 11/2012, S. 116-117, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, GIT VERLAG, Weinheim