Mit automatisierten Bildverarbeitungssystemen objektiv prüfen

Automatisierte Oberflächenprüfung von Kniegelenk-Implantaten

  • Abb. 1: Grundsätzlicher Aufbau der phasenschiebenden Deflektometrie zur Prüfung reflektierender Oberflächen.Abb. 1: Grundsätzlicher Aufbau der phasenschiebenden Deflektometrie zur Prüfung reflektierender Oberflächen.
  • Abb. 1: Grundsätzlicher Aufbau der phasenschiebenden Deflektometrie zur Prüfung reflektierender Oberflächen.
  • Abb. 2: Darstellung typischer Auffälligkeiten an polierten Implantat-Oberflächen mit dem Oberflächenprüfsystem SurfMax von Zeiss.
  • Abb. 3: Das Oberflächenprüfsystem SurfMax besteht aus einem 4-Achs-Bewegungssystem zur Inspektion von Freiformteilen.
  • Abb. 4: Bildaufnahme der gesamten Hauptfläche mit einem Zeilenkamera-Scan. Erkannte Auffälligkeiten sind in Rot dargestellt.
  • Beispieldarstellung der Femur-Komponente eines Kniegelenk-Implantats.

Für die Oberflächen von Kniegelenk-Implantaten gelten höchste Qualitätsansprüche. Hersteller verwenden daher sehr viel Zeit darauf, die hochglänzenden Oberflächen per Sichtprüfung auf Auffälligkeiten hin zu kontrollieren, die sich negativ auf die Lebensdauer der Gleitflächen auswirken. Dank neuer Prüfverfahren ist nun eine Automatisierung möglich.

Die Bestimmung der Oberflächenqualität durch Sichtprüfung ist die gängige Methode zur 100%-Kontrolle von Kniegelenk-Implantaten. Sie unterliegt jedoch Schwankungen und ist schwer zu objektivieren - und sie ist zeitaufwändig. Denn da es Priorität hat, das Durchschlüpfen von fehlerhaften Teilen bei der Prüfung zu vermeiden, durchlaufen Implantate im Laufe des Fertigungsprozesses Sichtprüfkontrollen von mehreren Minuten. Und noch ein Punkt spricht gegen die Sichtprüfung: Im Fertigungsprozess wird als Ergebnis der Sichtprüfungen häufig mehr Nacharbeit ausgeführt, als nach objektiven Kriterien notwendig wäre. Doch die Automatisierung dieser Aufgabe ist alles andere als trivial. Neben der Bildgewinnung bei hochglänzenden Oberflächen sind die effiziente Bildaufnahme der Freiformflächen unterschiedlicher Implantat-Varianten sowie die Umsetzung der vom Menschen wahrgenommenen Oberflächenmerkmale in objektive Qualitätskriterien Herausforderungen. Auch die Bestimmung der Auswerte-Algorithmen und deren Parametrisierung sind kein Kinderspiel.

Bildgewinnung an glänzenden Oberflächen

Zeiss realisiert diese anspruchsvolle Prüfaufgabe mit Oberflächenprüfsystemen aus der Produktreihe SurfMax. Dabei setzt das Unternehmen auf das Deflektometrie-Verfahren, das sich besonders für glänzende Oberflächen eignet. Der grundsätzliche Prüfaufbau besteht aus einer Kamera und einer Beleuchtung, die Prüfmuster auf einer Musterfläche erzeugt.

Kamera, Prüfobjekt und Musterfläche sind so angeordnet, dass die Kamera die Reflexion der Musterfläche an der Oberfläche des Prüfobjekts aufnimmt (Abb. 1).
Als Prüfmuster haben sich sinusförmige Streifenmuster zusammen mit einem Phasenschiebe-Verfahren bewährt. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens ist die Generierung mehrerer Informationskanäle für die Bildverarbeitung. So stehen neben der von Standard-Kamerasystemen bekannten Helligkeitsinformation aus dem Graubild auch Informationen über Glanz und Neigung an jeder Stelle der Oberfläche zur Verfügung. Im Vergleich zu Standard-Kamerasystemen bietet dies eine verbesserte Erkennungsleistung und eine höhere Stabilität bei der Auswertung von Auffälligkeiten.

Grau-, Glanz- und Neigungsbild

Das Graubild enthält die Information über die Helligkeit der Oberfläche und entspricht der Information von Standard-Kamerasystemen. Die halbkreisförmige Anordnung der Beleuchtungseinheit liefert eine sehr homogene Ausleuchtung der Bilder, auch in den Randbereichen der gekrümmten Oberflächen. Im Graubild sind z.B. Poren oder Materialeinschlüsse gut sichtbar.
Das Glanzbild repräsentiert den lokalen Glanzgrad der Oberfläche. In diesem Kanal sind etwa matte Stellen, d.h., nicht auspolierte Bereiche gut sichtbar. Beschädigungen, die nur den obersten Bereich der Oberfläche beeinflussen, wie z.B. Scheuerstellen oder Haarkratzer, ändern vor allem das Glanzverhalten der Oberfläche und sind daher in diesem Kanal besonders gut sichtbar.
Das Neigungsbild ist sehr aussagekräftig für Oberflächenfehler, die sich durch Neigungsunterschiede beschreiben lassen, wie z.B. Schlagstellen oder Kratzer. Auch Welligkeiten im Untergrund, die durch den Bearbeitungsprozess entstehen können, sind in diesem Kanal sichtbar. Durch Ableitung entsteht aus dem Neigungsbild ein Krümmungsbild, in welchem insbesondere kleinräumige geometrische Fehler mit ausgeprägten Kanten gut sichtbar sind. Dies erlaubt beispielsweise eine unterschiedliche Bewertung von besonders kritischen, scharfkantigen Kratzern durch Handlingfehler gegenüber auspolierten Kratzern mit weichen Übergängen.

Flexibler Umgang mit Freiformteilen

Das von Zeiss entwickelte Bildverarbeitungssystem nutzt die im Grau-, Neigungs- und Glanzbild bereitgestellten Informationen. Die Auswertung erfolgt pixelgenau über alle Kanäle, wobei auch Abhängigkeiten zwischen den Kanälen berücksichtig werden. Zeigen z.B. zwei Auffälligkeiten im Glanzbild keinen Unterschied, erlaubt die zusätzliche Bewertung des Neigungsbilds eine weitere Differenzierung und erhöht so die Genauigkeit der Bewertung (Abb. 2.).
Eine wichtige Voraussetzung, die das Prüfsystem erfüllen muss, ist der flexible Umgang mit Freiformteilen unterschiedlicher Geometrien. Denn die Femurkomponenten der Kniegelenk-Implantate werden als Freiformflächen und in unterschiedlichen Größen gefertigt. Deshalb wurde für diese Anwendung das Oberflächenprüfsystem SurfMax auf ein 4-Achs-Bewegungssystem ausgelegt. Zusammen mit der skalierbaren Anzahl von Matrix- und Zeilenkameras erfolgt die effiziente Bildaufnahme des gesamten Implantats (Abb. 3). Ein Vorteil dieser Auslegung zeigt sich an der Hauptfläche: Die Aufnahme der gesamten Fläche erfolgt in einem Bild als Scan mit einer Zeilenkamera. Dies vereinfacht sowohl die Programmierung der Auswertung als auch die Darstellung der Ergebnisse für den Anwender (Abb. 4).
Je genauer die Qualitätsgrenzen festgelegt werden, desto aussagefähiger ist jede Oberflächenprüfung. Teil jedes Projekts zur automatischen Oberflächenprüfung ist die Erstellung einer objektiven Prüfspezifikation. Die Spezifikation ist sofort für die manuelle Prüfung nutzbar und bildet die Basis für die automatisierten Prüfungen.

Automatisierungspotential erschlossen

Das Verfahren der phasenschiebenden Deflektometrie bietet mit seinen Helligkeits-, Glanz- und Neigungsbildern die Voraussetzung für die Automatisierung dieser anspruchsvollen Oberflächenprüfaufgabe, die bisher nur durch Sichtprüfungen erfüllt werden konnte. Durch die zugeschnittene Systemauslegung mit 4-Achs-Teilebewegung sowie Zeilen- und Matrixkameras wird eine effiziente Bildgewinnung der unterschiedlichen Freiform-Geometrien der Implantate erreicht.

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