Grat, Dichtlippe, Kleberaupe: 3D-Profilmessung an Kunststoff- und Gummiteilen in der automatisierten Zelle

Warum Kontrast auf schwarzem Kunststoff und Gummi nicht reicht

Kontrastbasierte Bildverarbeitung lebt vom Unterschied zwischen Merkmal und Umgebung. Genau dieser Unterschied fehlt bei den typischen Aufgaben der Branche. Ein schwarzer Grat an einem schwarzen Gummilager hebt sich im Grauwertbild kaum ab. Eine Dichtlippe aus halbtransparentem Silikon streut das Licht in die Tiefe, sodass die Kante im Bild verschwimmt. Und die Farbe der Teile schwankt von Charge zu Charge, weil Rezeptur und Regranulatanteil variieren. Eine Prüfung, die auf einen Grauwert eingestellt wurde, kippt mit der nächsten Materialcharge.

Auch der Griff zum Messschieber hilft nicht weiter. Weiche Gummi- und Silikonteile geben unter dem taktilen Messdruck nach, das Ergebnis hängt vom Prüfer ab, und ein Handmesswert alle 30 Minuten ist keine 100%-Prüfung. In der Extrusion wird die Lücke gern indirekt gefüllt, etwa über Temperaturfühler am Extruder, doch eine Temperatur ist eben kein Profilmaß.

Die Höheninformation löst das Dilemma. Ein Laser-Profilsensor misst die Geometrie unabhängig vom Kontrast: Ein Grat ist eine Erhebung, eine fehlende Dichtlippe eine Vertiefung, eine Raupe ein Querschnitt mit Höhe und Breite. Chargenfarbe und Oberflächenglanz treten in den Hintergrund, weil das Maß aus der Form kommt, nicht aus dem Grauwert.

Roboter scannt das Bauteil oder Bauteil fährt unter den Sensor: die Aufbauvarianten

Für die Integration in die Zelle haben sich in dokumentierten Anwendungen drei Grundaufbauten etabliert.

• Sensor am Roboterarm: Der Roboter führt einen 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 über das stehende Teil. Das passt zu großen oder schweren Bauteilen und zu Prüfungen an mehreren Stellen, die der Arm nacheinander anfährt.
• Sensor als Tor: Der Sensor steht fest, und das vorhandene Handling zieht das Teil in einer definierten Bahn hindurch. Diese Variante nutzt die Bewegung, die das Entnahmehandling ohnehin macht, und kommt ohne zusätzliche Achse aus. Verfahrgeschwindigkeiten bis 800 mm/s sind in realen Projekten dokumentiert.
• Snapshot-Aufnahme für stehende Teile: Wo weder Teil noch Sensor bewegt werden sollen, nimmt ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 das Höhenbild eines ruhenden Teils in einer Aufnahme auf, etwa in der Zuführung oder auf einem Werkstückträger.

Bei bewegten Aufbauten verdient die Synchronisation Aufmerksamkeit. Damit aus einzelnen Profilen ein maßhaltiges 3D-Bild wird, muss die Profilrate zur Geschwindigkeit passen, idealerweise über eine Encoderkopplung an Achse oder Band. Und wie überall in der Branche gilt: Die Machbarkeit wird mit Originalteilen geprüft, mit der weichsten, dunkelsten und transparentesten Variante, die in der Fertigung vorkommt.

Grat und Überspritzung dreidimensional erkennen und bewerten

Grat ist das Fehlerbild, an dem 2D-Prüfungen am häufigsten scheitern, weil er dünn ist, in beliebiger Richtung steht und dieselbe Farbe hat wie das Teil. Im Höhenprofil dagegen ist Grat schlicht Material über der Sollkontur. Damit wird er nicht nur erkennbar, sondern bewertbar: Höhe, Länge und Lage des Grats lassen sich messen und gegen eine Toleranz stellen, statt nur ein pauschales Schlecht auszugeben.

Diese Bewertung eröffnet eine Option, die in der Anwendungspraxis bares Geld wert ist: das Nachschneiden. Statt ein Teil mit Grat zu verwerfen, gibt das Messsystem die exakten Positionen aus, an denen ein nachgelagerter Beschneideroboter ansetzen muss. Aus dem Ausschussteil wird ein Gutteil mit einem zusätzlichen Arbeitsgang, und der Materialeinsatz bleibt in der Wertschöpfung.

Auch filigrane Merkmale profitieren von der Höheninformation. Dünne Stege von etwa 0,8 mm Breite, die im Werkzeug abbrechen können, ausgefranste Kanten an Sitzbauteilen oder die Frage, ob ein Steckerstift wirklich auf Sollhöhe im umspritzten Gehäuse sitzt: In realen Projekten reichen die geforderten Toleranzen von einigen Zehntelmillimetern bis hinab zu 0,05 mm für Positionsmaße. Solche Werte verlangen eine saubere Auslegung von Messbereich, Auflösung und Teilepräsentation, sind mit Laser-Profilsensoren aber im Takt erreichbar.

Dichtprofile aus der Extrusion: Höhe, Breite und Kontur im laufenden Prozess

Extrudierte Dichtprofile laufen endlos, und genau das macht die Prüfung dankbar: Der Sensor steht still, das Profil bewegt sich. In dokumentierten Anwendungen werden Dichtprofile mit Höhen von 1 bis 3 mm bei Liniengeschwindigkeiten von 6 bis 25 m/min kontinuierlich vermessen, mit Toleranzen um 0,4 bis 0,5 mm. Der Sensor liefert dabei nicht nur ein Gut/Schlecht, sondern den vollständigen Querschnitt: Höhe, Breite, Flankenwinkel und Kontur an jeder Position des Strangs.

Eine Eigenheit der Profilgeometrie ist die Abschattung. Ein einzelner Sensor sieht immer nur die ihm zugewandte Flanke vollständig, an Hinterschnitten und steilen Flanken entstehen tote Zonen. In realen Projekten wird das mit einem Doppelkopf-Aufbau gelöst: Zwei Messköpfe blicken von beiden Seiten auf das Profil und werden an einem Controller der Modellreihe XG-X gemeinsam ausgewertet, sodass der vollständige Querschnitt bewertet werden kann.

Der eigentliche Gewinn liegt im Trend. Wandert die Profilhöhe über Stunden langsam nach unten, kündigt sich eine Prozessdrift an, lange bevor die Toleranz reißt. Wer die Messwerte aufzeichnet und an die Linie zurückmeldet, korrigiert den Extrusionsprozess, bevor Ausschuss entsteht, statt ihn hinterher auszusortieren. Dasselbe Prinzip trägt bei Kleber- und Dichtmassenraupen: Auch dort zählen Höhe, Breite und Kontinuität, in dokumentierten Anwendungen bei Verschlussmassen mit bis zu etwa 900 Teilen pro Minute und Toleranzen der Auftragshöhe bis 0,01 mm, wo dann ein konfokaler Wegmesssensor der Modellreihe CL-3000 die Profilmessung ergänzt.

Halbtransparentes Silikon und weiche Teile stabil erfassen

Halbtransparente Werkstoffe sind der Härtetest jeder optischen Messung. Bei Dichtringen aus Silikon, in realen Projekten etwa mit Innendurchmessern um 22 mm, dringt ein Teil des Laserlichts in das Material ein und streut zurück. Ohne Gegenmaßnahmen misst der Sensor dann zu tief oder verliert das Profil ganz.

Beherrschbar wird das über drei Stellhebel. Der erste ist die Sensorauslegung: Belichtung, Empfindlichkeit und Auswertealgorithmen müssen auf das Material eingestellt werden, was moderne Profilsensoren über einstellbare Messmodi abdecken. Der zweite ist die Geometrie der Messanordnung, denn ein flacher Auftreffwinkel reduziert die Eindringtiefe des Lichts. Der dritte ist der Machbarkeitstest mit dem Originalmaterial, und zwar über mehrere Chargen hinweg, weil Transparenz und Füllstoffanteil schwanken.

Für weiche Teile bleibt die Berührungslosigkeit das entscheidende Argument gegenüber jeder taktilen Messung. Ein Laserprofil verformt keine Dichtlippe, drückt keine Raupe platt und hinterlässt keine Marken auf empfindlichen Oberflächen. Erst dadurch werden weiche Gummi- und Silikonteile überhaupt reproduzierbar messbar, unabhängig davon, wer gerade Schicht hat.

Vom Messwert zur Reaktion: Ausschleusen, Nachschneiden, Prozess nachregeln

Eine Messung, auf die keine Reaktion folgt, ist nur eine Datei. Der Wert der 3D-Profilmessung entsteht in der Kette danach, und die sollte im Lastenheft stehen, bevor der erste Sensor montiert wird.

Drei Reaktionsstufen haben sich in der Anwendungspraxis bewährt. Die erste ist das Ausschleusen: OK/NG geht über Profinet oder EtherCAT an die Zellensteuerung, das Handling sortiert das Teil aus, bevor es in den Gutstrom gelangt. Die zweite ist die Nacharbeit: Bei Grat gibt das System die Schnittpositionen aus, ein Beschneideroboter arbeitet das Teil nach, und nur unrettbare Teile fallen in den Ausschuss. Die dritte ist die Prozessregelung: Messwerte und Trends fließen an Spritzgussmaschine oder Extruder zurück, sodass Drift korrigiert wird, bevor die Toleranz verletzt ist.

Für alle drei Stufen gilt: Neben dem Schaltsignal sollten auch die Messwerte selbst übertragen und archiviert werden. Erst die Werte machen Reklamationen beantwortbar, Kavitäten vergleichbar und Prozesse über Chargen hinweg bewertbar. Wer die Reaktionskette früh definiert, holt aus demselben Sensor ein Vielfaches heraus.

Häufige Fragen

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