Kleberaupen- und Dosierkontrolle mit 3D-Profilsensoren: wenn Schwarz auf Schwarz geprüft werden muss

Kleben, Dichten und Vergießen haben sich in der modernen Fertigung zu tragenden Fügeverfahren entwickelt und sind damit zu Prozessen geworden, deren Qualität nicht mehr stichprobenartig geprüft werden darf. Eine unterbrochene Dichtraupe am Batterieträger, eine zu niedrige Kleberaupe an der Crashstruktur oder ein unvollständig vergossener Schlitz in der Leistungselektronik wird im fertigen Produkt erst erkannt, wenn es zu spät ist: bei der Dichtheitsprüfung, im Feld oder im Reklamationsfall.

Dieser Beitrag richtet sich an Maschinen- und Anlagenbauer, die eine Raupen- oder Dosierkontrolle in eine Dosieranlage integrieren müssen. Er zeigt, warum kontrastbasierte Kamerasysteme an dieser Aufgabe systematisch scheitern, wie 3D-Profilsensoren Höhe und Breite der Raupe kontinuierlich erfassen, welche Anbaupositionen sich in der Praxis bewährt haben und wie Auswertung, Dokumentation sowie die Integration in die Anlage gestaltet werden.

Wichtige Punkte im Überblick

Kontrastbasierte Kamerasysteme sind für die Prüfung von Dicht- und Kleberaupen aus zwei Gründen ungeeignet: Schwarzer Klebstoff auf schwarzem Untergrund liefert keinen verwertbaren Kontrast, und die Draufsichtperspektive erfasst nicht die dichtungsrelevante Höhe der aufgetragenen Raupe.
Ein 3D-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 erfasst Höhe und Breite der Klebstoffraupe kontinuierlich und gleicht die gemessenen Werte fortlaufend mit einem definierten Sollband ab. Unterbrechungen, Verjüngungen und Positionsabweichungen werden dabei als eigenständige n.i.O.-Kriterien bewertet.
Die kompakteste Integrationslösung ist die mitfahrende Montage des Sensors direkt neben der Dosiernadel. Alternativ bieten sich eine Portal- oder Roboterstation sowie ein 3D-Snapshot-Sensor für die Prüfung stillstehender Prüfzonen an.
Beim Vergießen wird die Füllhöhe als relevante Prozessgröße erfasst. Für glänzende und transparente Vergussmassen eignen sich dabei konfokale Sensoren der Modellreihe CL-3000, die auch unter diesen anspruchsvollen Messbedingungen zuverlässige Ergebnisse liefern.
Die je Bauteil archivierten Höhen- und Breitenprofile dienen als belastbarer Reklamations- und Auditnachweis. Darüber hinaus ermöglicht die Trendauswertung der gespeicherten Daten eine frühzeitige Erkennung von Düsenverschleiß, bevor dieser die Prozessqualität beeinträchtigt.

Warum kontrastbasierte Kamerasysteme bei Dicht- und Kleberaupen versagen

Die Materialpaarungen in Klebe- und Dichtprozessen stellen für eine 2D-Kamera den anspruchsvollsten Prüffall dar: schwarze Schaumraupe auf schwarzem Kunststoffträger, grauer Klebstoff auf Aluminium, dunkler Verguss in dunklem Gehäuse. Eine kontrastbasierte Auswertung setzt einen Helligkeits- oder Farbunterschied zwischen Raupe und Untergrund voraus, der in diesen Anwendungen jedoch nicht vorhanden ist. In dokumentierten Anwendungsfällen ist dies der meistgenannte Grund für den Ersatz bestehender Kamera- oder Zeilenkamerasysteme: Sie erkennen die Raupe je nach Beleuchtungssituation und Charge mal vollständig, mal überhaupt nicht und erzeugen dadurch gleichzeitig Pseudoausschuss und unkontrollierten Schlupf.

Ein weiterer, grundsätzlicherer Einwand betrifft den Messumfang: Selbst bei perfektem Kontrast erfasst eine 2D-Kamera in der Draufsicht ausschließlich die Breite der Raupe. Das dichtungsrelevante Merkmal ist jedoch die Höhe. Eine Raupe kann in der Draufsicht vollständig erscheinen und dennoch zu flach sein, um beim Fügen die erforderliche Dichtfunktion zu erfüllen.

Getrieben wird diese Anforderung derzeit vor allem durch die Bereiche E-Mobilität und Leistungselektronik, mit Batterieträgern und Crashstrukturen mit langen Kleberaupen, geschäumten Dichtungen auf Gehäusen sowie Vergussanwendungen auf Elektronikbaugruppen. In all diesen Fällen fordert der Endkunde eine lückenlose 100%-Kontrolle mit dokumentierten Messwerten. Eine visuelle Sichtkontrolle gilt dort nicht mehr als akzeptiertes Prüfmittel. 3D-Profilsensorik löst beide Probleme gleichzeitig: Sie misst die Höhe direkt, und da ein Höhenprofil vollständig kontrastunabhängig arbeitet, ist schwarzer Klebstoff auf schwarzem Untergrund für einen Laser-Profilsensor kein Sonderfall, sondern Normalbetrieb.

Höhe und Breite als Qualitätsmerkmal: typische Toleranzen und Prüfkriterien

Die Prüfaufgabe lässt sich auf zwei kontinuierliche Messgrößen reduzieren: Höhe und Breite der Raupe entlang ihres gesamten Verlaufs, bewertet gegen ein definiertes Sollband. In dokumentierten Anwendungen liegt das Höhenfenster typischerweise im Millimeterbereich, beispielsweise mit einer Sollhöhe zwischen zwei und drei Millimetern und Toleranzen in der Größenordnung von ±0,4 bis ±1,0 mm. Für einen 2D/3D-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 ist dies eine komfortable Aufgabe. Anspruchsvoll ist dabei nicht die erreichbare Auflösung, sondern die lückenlose Erfassung über die gesamte Raupenlänge.

Neben dem Sollband gehören drei Fehlerklassen in jede Prüfspezifikation: Unterbrechungen, bei denen die Raupe abreißt, etwa durch Luftblasen oder eine verstopfte Nadel, Verjüngungen, bei denen die Raupe lokal zu schmal oder zu flach wird und die als typisches Frühsymptom von Düsenverschleiß oder Materialschwankungen gelten, sowie Fehlstellen und Positionsabweichungen, bei denen die Raupe außerhalb der Sollbahn liegt, beispielsweise an Ecken und Radien. Jede dieser Fehlerklassen wird als eigenständiges n.i.O.-Kriterium mit individuellen Schwellwerten definiert, sodass sich im Nachgang unterscheiden lässt, ob ein Teil aufgrund eines Abrisses oder einer generellen Unterdosierung ausgeschleust wurde.

In der Praxis verfügt eine Anlage selten über nur eine einzige Prüfstelle. Häufig sind zwei oder mehr Prüfzonen je Anlage erforderlich, etwa eine Raupenkontrolle nach dem Dosieren und eine Fügestellenkontrolle nach dem Aufsetzen des Deckels. Je Profil-Steuergerät der Modellreihe LJ-X8000 lassen sich bis zu zwei Messköpfe betreiben. In der 3D-Bildverarbeitungs-Konfiguration erfasst ein Steuergerät die Daten von bis zu vier Messköpfen gleichzeitig, was Mehrpunktmessungen an großen Objekten sowohl unabhängig voneinander als auch in Kombination ermöglicht.

Mitfahrende Sensorik: LJ-X am Dosierkopf, an der Achse oder am Roboter

Die eleganteste Integrationslösung ist die mitfahrende Montage: Der Profilsensor wird direkt neben der Dosiernadel angebracht und scannt die Raupe unmittelbar nach dem Auftrag. Die Dosierbewegung liefert dabei den erforderlichen Vorschub, ein separater Prüfschritt entfällt, und die Taktzeit der Anlage bleibt unverändert. Für den Sondermaschinenbauer stellt dies den schlanksten Integrationspfad dar.

Das Geschwindigkeitsspektrum ist dabei breiter, als man zunächst vermuten würde. In dokumentierten Anwendungen reicht es vom langsamen Dosieren mit unter zehn Millimetern pro Sekunde bis hin zu schnellen Portalachsen mit deutlich über hundert Millimetern pro Sekunde. Die Profilrate des Sensors wird auf die maximale Bahngeschwindigkeit ausgelegt, damit auch an schnellen Geradenstücken kein Raupenabschnitt unerfasst bleibt.

Nicht immer lässt der Dosierkopf einen Anbau zu. Störkonturen, Kabelführungen oder ein Werkzeugwechsler können dagegen sprechen. In diesen Fällen ist die nachgelagerte Prüfstation die geeignete Alternative: Der Sensor sitzt fest an einem Portal oder wird von einem Roboter über das Bauteil geführt und scannt die fertige Raupe in einem eigenen Prüfschritt. Dies beansprucht zusätzliche Taktzeit, entkoppelt die Prüfung jedoch vollständig vom Dosierprozess. Bei sehr komplexen dreidimensionalen Raupenverläufen ist die roboterbasierte Prüfung häufig die robustere Wahl. Für stillstehende, kompakte Prüfzonen, beispielsweise eine kurze Dichtraupe an einem getakteten Werkstückträger, bietet sich alternativ ein 3D-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 an, der das vollständige Höhenbild ohne jede Verfahrbewegung in einer einzigen Aufnahme erfasst.

Füllhöhenmessung beim Vergießen: Dispensing-Prozesse inline überwachen

Ein Sonderfall der Dosierkontrolle ist der Verguss. In der Leistungselektronik werden Schlitze, Kammern und Gehäuse mit Vergussmasse gefüllt, wobei das relevante Qualitätsmerkmal nicht eine Raupengeometrie, sondern die Füllhöhe ist. Zu wenig Verguss gefährdet Isolation und Wärmeanbindung, zu viel läuft über oder verhindert die Montage des Deckels. In dokumentierten Anwendungen wird die Füllhöhe daher als Prozessgröße direkt nach dem Dosieren erfasst, entweder als Höhenprofil über den Vergussschlitz oder als Punktmessung an definierten Stellen der Kammer.

Für punktuelle, hochgenaue Messungen, etwa bei Klebstoff- und Schichtdickenkontrollen an spiegelnden oder transparenten Vergussmassen, ergänzen konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 die Profilsensorik. Das konfokale Messprinzip arbeitet koaxial und liefert auch auf glänzenden und transparenten Oberflächen stabile Ergebnisse, an denen das Triangulationsprinzip an seine Grenzen stößt. Die konfokalen Systeme unterstützen zudem EtherNet/IP, PROFINET und EtherCAT über die entsprechenden Schnittstelleneinheiten.

Der eigentliche Mehrwert entsteht, wenn die erfassten Messwerte nicht nur zur Prüfung, sondern zur aktiven Prozessregelung genutzt werden. Wird die gemessene Füllhöhe an die Prozesssteuerung zurückgeführt, lassen sich Dosiermenge und Verfahrprofil kontinuierlich nachführen, bevor Teile das Sollband verlassen. Aus der reinen Qualitätskontrolle wird auf diese Weise eine geschlossene Prozessregelung.

Auswertung und Dokumentation: Messwerte statt reiner Gut/Schlecht-Aussage

Ein reines Gut/Schlecht-Signal verschenkt den größten Teil der Information, die der Sensor ohnehin erzeugt. Bewährt hat sich daher eine dreistufige Nutzung der erfassten Daten.

Die erste Stufe ist die Archivierung: Das kontinuierliche Höhen- und Breitenprofil jeder Raupe wird je Bauteil, idealerweise je Seriennummer, gespeichert. Bei einer Reklamation Monate später lässt sich damit belegen, dass die Raupe des betreffenden Teils innerhalb des Sollbands lag. Für Anlagenbauer, deren Endkunden Audit-Nachweise fordern, ist dies ein verbindlicher Vertragsbestandteil und kein optionales Komfortmerkmal.

Die zweite Stufe ist die Trendauswertung: Düsenverschleiß, Viskositätsschwankungen der Klebstoffcharge und Temperatureinflüsse äußern sich als schleichende Drift von Höhe und Breite, häufig lange bevor die Toleranzgrenze überschritten wird. Wer die Profildaten systematisch auswertet, kann die Düse planmäßig tauschen, anstatt erst nach dem ersten n.i.O.-Serienfall zu reagieren.

Die dritte Stufe ist die Anlagenlogik: An die SPS werden je Prüfzone das i.O./n.i.O.-Ergebnis sowie die relevanten Kennwerte übertragen. Bei den Profilsensoren der Modellreihen LJ-X8000 und LJ-S8000 stehen dafür PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT sowie digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Auf dieser Grundlage steuert die Anlage Signalisierung, Ausschleusung und bei gehäuften Fehlern den automatischen Stopp des Dosierprozesses.

Integrationsszenarien: Eigenintegration, Field Engineer oder Integrator

Wie die Raupenkontrolle in die Anlage integriert wird, ist in dokumentierten Projekten auf drei Wegen gelöst worden, die alle gleichermaßen verbreitet sind.

Der erste Weg ist die Eigenintegration: Der Maschinenbauer montiert, parametriert und programmiert das System selbst. Dies setzt voraus, dass Schnittstellen, Einbaulage und Prüfprogramme frühzeitig im Projekt definiert werden. Im Gegenzug behält der Maschinenbauer die volle Kontrolle über sein Gewerk und baut internes Know-how für Folgeanlagen auf.

Der zweite Weg ist die unterstützte Integration: Die mechanische und elektrische Einbindung übernimmt der Maschinenbauer, während das Sensor-Setup und die Parametrierung der Prüfprogramme durch einen Field Engineer begleitet werden, typischerweise bei der Inbetriebnahme und beim Einfahren der ersten Serienteile.

Der dritte Weg ist die Komplettvergabe an einen Integrator, der die Prüfzelle als eigenständiges Gewerk liefert.

In allen drei Fällen gilt dasselbe: Die Zuständigkeiten, also wer die Halterung liefert, wer parametriert und wer den Fähigkeitsnachweis erbringt, müssen klar abgegrenzt und verbindlich im Angebot festgehalten werden. Wie bei jeder anspruchsvollen Oberflächenprüfung sollte zudem die Machbarkeit vor der Auftragsvergabe am Originalmaterial nachgewiesen werden, mit Gutteilen, definierten Fehlern und Grenzmustern. Gerade bei wechselnden Klebstoffchargen und unterschiedlichen Untergründen ist dies der einzige belastbare Nachweis.

Häufige Fragen

F Warum kann eine normale Kamera eine schwarze Dichtraupe auf schwarzem Untergrund nicht prüfen?

Kamerasysteme werten Kontrast aus. Fehlt der Helligkeitsunterschied zwischen Raupe und Untergrund, ist die Raupe im Bild praktisch unsichtbar. Darüber hinaus erfasst ein 2D-Bild in der Draufsicht ausschließlich die Breite der Raupe, nicht jedoch die dichtungsrelevante Höhe. Ein 3D-Profilsensor hingegen misst die Höhe direkt und arbeitet vollständig unabhängig von Kontrast und Beleuchtungsverhältnissen, sodass schwarzer Klebstoff auf schwarzem Untergrund keinen Sonderfall, sondern Normalbetrieb darstellt.

F Welche Merkmale einer Kleberaupe werden inline geprüft?

Kontinuierlich erfasst werden Höhe und Breite der Raupe über ihren gesamten Verlauf, bewertet gegen ein definiertes Sollband. In dokumentierten Anwendungen liegt das Höhenfenster typischerweise zwischen zwei und drei Millimetern, bei Toleranzen von ±0,4 bis ±1,0 mm. Als eigenständige Fehlerklassen werden zudem Unterbrechungen, Verjüngungen und Positionsabweichungen bewertet, jeweils mit individuell definierten n.i.O.-Schwellen.

F Wo wird der Sensor am besten montiert?

Bewährt hat sich die Montage des Sensors direkt neben der Dosiernadel. Die Dosierbewegung liefert dabei den erforderlichen Vorschub, sodass die Prüfung ohne separaten Prüfschritt und ohne Taktzeitverlust mitläuft. Lässt der Dosierkopf keinen Anbau zu, bietet sich alternativ eine nachgelagerte Prüfstation an einem Portal oder Roboter an. Für stillstehende, kompakte Prüfzonen eignet sich ein Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000, der das vollständige Höhenbild ohne jede Verfahrbewegung in einer einzigen Aufnahme erfasst

F Lässt sich auch die Füllhöhe beim Vergießen überwachen?

Ja, das ist möglich. Beim Verguss von Schlitzen und Kammern, beispielsweise in der Leistungselektronik, wird die Füllhöhe direkt nach dem Dosieren als Höhenprofil oder Punktmessung erfasst. Für hochgenaue Messungen auf glänzenden oder transparenten Vergussmassen eignen sich konfokale Sensoren der Modellreihe CL-3000. Werden die erfassten Messwerte an die Prozesssteuerung zurückgeführt, lässt sich die Dosiermenge kontinuierlich nachregeln, bevor Teile die Toleranzgrenze überschreiten.

F Was passiert mit den Messdaten der Raupenprüfung?

Die erfassten Daten werden auf drei Ebenen genutzt. Das i.O./n.i.O.-Ergebnis wird an die SPS übertragen und steuert die Ausschleusung oder einen Prozessstopp. Das vollständige Höhen- und Breitenprofil wird je Bauteil archiviert und dient als belastbarer Nachweis bei Reklamationen und Audits. Die Trendauswertung der gespeicherten Profile macht Düsenverschleiß und Materialschwankungen frühzeitig sichtbar, bevor die Toleranzgrenze überschritten wird, sodass Wartungsmaßnahmen planbar statt reaktiv durchgeführt werden können.

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