„You never get a second chance to make a first impression". Dieser Satz gilt auch für Automobile. Die lackierte Außenhaut ist das erste Element, das dem Kunden einen Eindruck von Qualität vermittelt. Eine fehlerfreie Oberfläche spielt also eine große Rolle bei der Produktion von Karosserieteilen.

Je länger ein Oberflächenfehler in der Prozesskette unerkannt bleibt, desto höher sind die Kosten, die er schließlich verursacht. Somit lautet das Ziel: Erkennung von Oberflächenfehlern zu Beginn der Prozesskette, d.h. bereits im Presswerk. Das optische Oberflächeninspektionssystem ABIS II ist für die harten Einsatzbedingungen dort ausgelegt. Seit Oktober 2014 ist das System in der neuen Servolinie im Presswerk von Daimler in Bremen auch inline im Einsatz.

Auf einem lackierten Bauteil können 3D-Oberflächenfehler bereits ab einer Tiefe von ca. 10 µm einen visuell störenden Eindruck hinterlassen. Das haben Tests mit Automobilkunden ergeben. Auf einem unlackierten Bauteil sind solche Fehler, aufgrund der diffus reflektierenden Oberfläche, nahezu unsichtbar. Typische Fehler, die im Presswerk entstehen können, sind neben Dellen und Beulen, die durch Schmutzpartikel in der Presse entstehen und daher zufällig auftreten: Einfallstellen, Welligkeiten, Einschnürungen und Risse. Diese Fehler entstehen prozessbedingt und hängen in der Regel von den Pressenparametern ab. Klassische (visuelle) Prüfmethoden machen Oberflächenfehler sichtbar durch

• Erzeugen einer spiegelnden Oberfläche durch Beölen, Aufbringen einer Folie oder Lackieren,
• Abziehen des Bauteils mit einem Schleifstein

Auch das Fühlen von Fehlern mit einem feinen Handschuh ist eine gängige Prüfmethode. All diese Verfahren sind zeitaufwändig und das Ergebnis ist subjektiv.

Ein Bild muss ausreichen

In der automatisierten Messtechnik ist die Streifenprojektion ein etabliertes Verfahren zur Gewinnung von 3D-Daten mit hoher Genauigkeit. Über die Verschiebung der Streifenphase (bei Verwendung von sinusoidalen Streifenmustern) lässt sich hierbei für jedes Pixel ein Tiefenwert berechnen. Nachteil der Technologie: Man benötigt mehrere Bilder, d.h. Objekt und Sensor müssen sich eine gewisse Zeit in Ruhe befinden. Im Presswerk herrschen jedoch starke Vibrationen. Eine einzige, geblitzte Aufnahme zur Erfassung der Tiefendaten muss ausreichen. Weitere Randbedingungen, wie z.B. helle Hallenbeleuchtung, bewegte Bauteile (Förderband) sowie hohe Taktraten von derzeit maximal 17 Hüben pro Minute unterstützen diese Forderung.
Die stetigen Flächen einer Automobilaußenhaut sind der Schlüssel für die Lösung, die das ABIS II System für dieses Problem bereitstellt. Streifenprojektionssysteme benötigen die vielen Aufnahmen zum einen, um Mehrdeutigkeiten der Streifen aufzulösen. Dies gelingt z.B. durch Erstellen eines Gray Codes für jedes Pixel. Hierfür müssen mehrere Schwarz-Weiß-Muster projiziert werden. Zum anderen benötigt man mindestens drei phasenverschobene sinusoidale Streifenmuster, um die Phase zu bestimmen. Da nun aber ausschließlich stetige Flächen vorliegen, lassen sich die Streifen immer so ausrichten, dass es zu keinen Mehrdeutigkeiten kommen kann. Das Projizieren diverser Muster zur Erstellung eines Gray-Codes kann somit entfallen. Außerdem lässt sich durch die Ausrichtung der Streifen - in Kombination mit einem speziellen, patentierten Gitter - erreichen, dass die Streifenfrequenz nur in begrenztem Maß variiert. Unter dieser Bedingung lässt sich die Streifenphase mittels geeigneter Algorithmen aus einem einzigen Bild bestimmen.

Der Sensor

Als Lichtquelle verwendet der ABIS II Sensor eine Xenon-Blitzlampe, die eine Belichtungszeit von nur 100 µs erlaubt. Dadurch werden Bewegungen des Sensors, relativ zum Bauteil, mit Geschwindigkeiten von bis zu 5 m/s während der Messaufnahme möglich. Die Komponenten des Sensors sind gekapselt und staubgeschützt. Aufgrund des Ölnebels und Feinstaubs in der Umgebung der Presse ist dies essentiell für die Lebensdauer der Sensorkomponenten. Das verwindungssteife Profilstranggehäuse besteht aus einem Stück. Diese kompakte Bauform wird über eine Faltung des Strahlengangs mittels Spiegeln erreicht. Der Sensor ist so konzipiert, dass er unempfindlich gegenüber hohen Beschleunigungen ist, die durch die Bewegung am Roboter entstehen können.

Die Auswertung

Die Auswertung der gewonnen Tiefendaten stellt die nächste Herausforderung dar. Denn ein Soll-Ist-Vergleich, wie er z.B. bei dimensional messenden Systemen üblich ist, scheidet hier aus mehreren Gründen aus:

• Eine absolute Abweichung der Tiefendaten zum CAD sagt zunächst nichts über den visuellen Eindruck auf dem lackierten Bauteil aus.
• Wenn die Außenhautteile aus der Presse kommen, besitzen sie noch keinerlei Verstrebungen. Sie hängen durch, wenn sie auf dem Förderband abgelegt werden. Ein Vergleich zum CAD würde große Absolut-Abweichungen zur Folge haben, selbst wenn die Oberfläche fehlerfrei wäre.
• Für einen Absolut-Vergleich müsste der Sensor außerdem hochgenau kalibriert werden. Die Genauigkeit der Messung wäre dann von der Kalibrierung abhängig.

Maßgeblich für eine visuelle Störung der 3D-Kontur sind lokale Krümmungsänderungen. Diese Verzerren die sich spiegelnde Umgebung und machen so die Fehlstelle sichtbar. Die Auswerte-Software des ABIS II Systems basiert auf der Simulation eines physischen Abziehsteins. Dieser sogenannte „virtuelle Abziehstein" detektiert zunächst Krümmungen. Durch entsprechende Verarbeitung der Bilder, werden Regionen mit hohen lokalen Krümmungsänderungen gebildet. Ein Klassifikator kann dann die 3D-Oberflächenfehler, entsprechend ihrer Sichtbarkeit auf dem lackierten Bauteil, klassifizieren. Ein Vergleich zum CAD-Modell ist hierfür nicht nötig. Auch eine Kalibrierung des Sensors ist überflüssig, da nur relative 3D-Daten für die Auswertung benötigt werden. In der neuen Servolinie im Presswerk Bremen wird mit dieser Technologie im Schnitt jedes zehnte Bauteil direkt nach der letzten Operationsstufe der Produktionspresse vollständig auf Oberflächenfehler geprüft. Bei manueller Prüfung war dies nur etwa bei jedem 200. Teil möglich. Außerdem wird jedes Bauteil an drei kritischen Stellen kontrolliert. Laut Florian Loibl, verantwortlich für die Qualitätssicherung im Bremer Presswerk, ist dies ein großer Fortschritt. Für das neue Presswerk in Kuppenheim hat Daimler bereits das nächste System bestellt (Inbetriebnahme geplant für Q1/2016).