Höhe und Profil als Sortiermerkmal: Kunststoff- und Gummitypen mit 3D-Sensorik trennen

Manche Varianten unterscheiden sich in nichts, was eine Kamera von oben sehen kann. Zwei Batteriestecker gehören zu unterschiedlichen Höhenklassen, zwei Kunststoffzylinder trennt etwa ein Millimeter Länge, eine Dichtlippe ist vorhanden, sitzt aber nicht. In diesen Fällen liegt die Information in der dritten Dimension, und wer sie mit Kontrast und Grauwerten sucht, findet sie nicht zuverlässig. Dieser Beitrag geht die Sensorik für geometrische Typunterscheidung durch, vom Einzelpunkt bis zur Flächenaufnahme, und klärt am Ende, unter welchen Bedingungen das Messergebnis als Prüfmittel akzeptiert wird.

Wichtige Punkte im Überblick

Manche Typen unterscheiden sich in nichts, was eine Kamera von oben sieht: In dokumentierten Anwendungen liegen die trennenden Höhensignale zwischen etwa 0,05 mm und 2 mm, und dann führt der Weg zur geometrischen Messung.
Die Systemwahl folgt der nötigen Geometrie: ein Einzelpunktsensor für eine Höhe an definierter Stelle, ein Profilsensor für den Querschnitt und ein 3D Laser-Snapshot-Sensor für eine ganze Höhenkarte in einer Aufnahme.
Die Bewegung entscheidet zwischen Profilscan und Snapshot: Bewegt sich das Teil ohnehin, tastet ein 2D/3D-Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 den Querschnitt fortlaufend ab, im Stillstand erfasst ein 3D Laser-Snapshot-Sensor den Bereich in einer Aufnahme.
Mattschwarze, glänzende und transparente Kunststoffoberflächen verlangen eine Vorprüfung am realen Teil, weil sich das Rückstreuverhalten eines gefüllten Polymers nicht aus dem Werkstoffdatenblatt ableiten lässt.
Ein Sensor, der eine Zahl anzeigt, ist noch kein Prüfmittel: In dokumentierten Anwendungen werden Cgk-Werte um 1,5 und darüber gefordert, wofür Auflösung, wiederholgenaue Teileaufnahme und Dokumentation je Teil zusammenkommen müssen.

Wenn der Unterschied nur ein Millimeter Höhe ist

Eine Kamera misst Kontraste in einer Ebene. Eine Höhe erschließt sie nur indirekt, über Schatten, Perspektive oder Unschärfe, und alle drei Wege hängen von Beleuchtung und Teilelage ab. Bei einem Höhenunterschied von etwa einem Millimeter reicht das nicht, weil die zulässige Lagestreuung denselben Effekt erzeugt wie der gesuchte Unterschied.

In dokumentierten Anwendungen liegen die relevanten Signale zwischen etwa 0,05 mm und 2 mm. Das betrifft Höhenklassen bei Steckern, Verschraubungstiefen, den Überstand einer eingepressten Buchse, die Aufwölbung über einer eingelegten Dichtung und die Frage, ob ein Clip wirklich verrastet ist oder nur so aussieht. Die geforderten Toleranzen reichen von etwa 0,03 mm und 0,05 mm an Montagehöhen bis zu einigen Zehntelmillimetern an Profilen und ±0,15 mm bei Gap und Flush an einem Zierteil.

Eine geometrische Messung liefert außerdem einen Zahlenwert, und ein Zahlenwert hat einen Trend. Statt nur zu melden, dass ein Teil falsch war, zeigt eine Messreihe, dass sich ein Werkzeug langsam verschiebt, bevor das erste Teil aus der Toleranz läuft.

Punkt, Linie oder Fläche: die passende Messgröße wählen

Die Systemwahl folgt der Frage, wie viel Geometrie nötig ist.

Punkt. Ist die Aufgabe eine einzige Höhe an einer definierten Stelle, genügt ein Einzelpunktsensor. Bildbasierte Höhenvergleichssensoren der Modellreihe IX liefern hier eine robuste Gut-Schlecht-Entscheidung ohne Programmierung eines Bildverarbeitungssystems. Wo eine genaue Wegmessung gebraucht wird, arbeiten Multi-Funktions-CMOS-Analoglasersensoren der Modellreihe IL oder ultraschnelle und hochgenaue Laser-Wegmesssensoren der Modellreihe LK-G5000, und wo Berührung zulässig ist, Sensoren der Modellreihe GT2. Für eine Kantenposition im Durchlicht sind Mehrzweck-CCD-Laser-Mikrometer der Modellreihe IG die passende Wahl.

Linie. Sobald der Unterschied nicht an einem Punkt liegt, sondern in einem Querschnitt, führt der Weg zum 2D/3D-Laser-Profilsensor. Ein Sensor der Modellreihe LJ-X8000 nimmt eine Profillinie auf und liefert Höhen, Breiten, Radien und Winkel im Querschnitt, mit Auflösungen bis etwa 0,0125 mm in X in dokumentierten Anwendungen. Das ist die Standardlösung für Dichtlippen, Grat an Trennstegen, Buchsenüberstände und Profilquerschnitte.

Fläche. Braucht die Entscheidung eine ganze Höhenkarte, etwa weil die Position des Merkmals streut, erfasst ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 einen Bereich in einer Aufnahme, ohne dass Teil oder Sensor bewegt werden müssen.

Werden zwei Profilköpfe oder eine Scanachse gebraucht, übernimmt ein Controller der Modellreihe XG-X die Auswertung und die Anbindung an die Anlage.

Matt, glänzend, transparent und schwarz: Kunststoffoberflächen im Laserlicht

Laserbasierte Messung ist auf Kunststoff kein Selbstläufer. Vier Oberflächen machen Arbeit.

Mattschwarzes Polymer absorbiert einen großen Teil des Laserlichts, sodass das rückgestreute Signal schwach wird. Hochglänzende Formteile, etwa Optikbauteile, reflektieren gerichtet und liefern je nach Winkel ein Übersteuern oder gar kein Signal. Transparente und transluzente Teile lassen den Laser eintreten, sodass die gemessene Oberfläche nicht die reale ist. Weiche Gummiteile verformen sich unter jedem taktilen Messmittel, sind also auf eine berührungslose Messung angewiesen, und dabei oft matt und dunkel.

Drei Ansätze helfen. Der erste ist die Geometrie des Aufbaus, denn ein anderer Anstellwinkel verlagert die gerichtete Reflexion aus dem Empfänger heraus. Der zweite ist die Wahl des Messprinzips: Bei transparenten Teilen trägt der Umriss im Durchlicht oft besser als die Oberfläche, und dafür eignet sich eine Bildmessung mit einem System der Modellreihe TM-X5000, das Außenkontur und Überspritzung in dokumentierten Anwendungen in etwa einer Sekunde erfasst. Der dritte ist die Vorprüfung am realen Teil, weil sich das Rückstreuverhalten eines gefüllten Polymers nicht aus dem Werkstoffdatenblatt ableiten lässt. Der Aufwand dafür ist gering im Vergleich zu einer Station, die an einer Charge mit anderem Farbpigment scheitert.

Bewegtes Teil oder ruhende Aufnahme: Profilscan gegen 3D-Snapshot

Ein Profilsensor erzeugt eine Fläche nur, wenn sich Teil oder Sensor relativ zueinander bewegen. Daraus folgt die zweite Auslegungsfrage.

Bewegt sich das Teil ohnehin, etwa auf einem Band, einem Rundtisch oder einer Linearachse, ist der Profilscan die naheliegende Lösung. Ein Sensor der Modellreihe LJ-X8000 tastet den Querschnitt fortlaufend ab, und aus der Vorschubinformation entsteht die Fläche. So lässt sich eine Prüfung ohne Zusatztakt in eine bestehende Bewegung einbetten.

Steht das Teil im Takt still oder ist keine zusätzliche Achse unterzubringen, führt der Weg zum 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000. Er erfasst den Bereich in einer Aufnahme, was Aufbau und Programmierung vereinfacht und Positionierfehler durch die Bewegung ausschließt.

Muss ein Teil von zwei Seiten erfasst werden, arbeiten zwei Köpfe auf einem Controller der Modellreihe XG-X. Wichtig ist die Erwartungshaltung: Zwei Querschnitte liefern zwei Messungen, nicht automatisch ein gemeinsames Profil. Wer eine durchgehende Kontur über beide Ansichten braucht, muss diese Verknüpfung in der Auswertung vorsehen.

Endlosmaterial messen: Breite, Dicke und Teilung an Profil, Streifen und Bahn

Bei Extrusion, Kalandrierung und Beschichtung endet die Vorstellung vom Einzelteil. Gemessen wird an laufendem Material, in dokumentierten Anwendungen bei 1 bis 100 m/min und um 30 m/min auf Streifenlinien.

Für die Breite eines Dichtprofils ist der optische LED Lichtbandmikrometer der Modellreihe LS-9000 die direkte Antwort, weil er im Durchlicht arbeitet und von der Oberfläche weitgehend unabhängig ist. Für Querschnitt und Kontur liefert ein Sensor der Modellreihe LJ-X8000 das vollständige Bild. Für die Dicke einer Beschichtung oder eines Trägers auf der laufenden Bahn eignen sich konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000, die auch auf transparenten Schichten stabil messen.

Ein eigener Fall ist die Teilung, etwa bei Kettenelementen aus Gummi oder profilierten Bändern. Der Fehler pro Element ist klein, summiert sich aber über die Länge, und in realen Projekten wird die Teilung über bis zu 3 m Gesamtlänge bewertet. Dafür braucht es eine Messung mit sicherer Wegreferenz.

Bei Endlosmaterial verschiebt sich zugleich der Zweck der Messung. Ein einzelner Messwert ist wenig wert, weil das Material weiterläuft. Wertvoll ist der Verlauf: Eine langsam wandernde Breite verrät die Temperaturführung, lange bevor die Toleranz verletzt wird.

Vom Messwert zum Prüfmittel: Cgk, MSA und Dokumentation im Serienbetrieb

Ein Sensor, der eine Zahl anzeigt, ist noch kein Prüfmittel. Ob das Ergebnis als Nachweis akzeptiert wird, entscheidet die Fähigkeitsbetrachtung. In dokumentierten Anwendungen werden Cgk-Werte um 1,5 und darüber als Ziel genannt, und MSA-Untersuchungen sind bei Automobilkunden regelmäßig gefordert.

Daraus folgen drei Konsequenzen. Erstens muss die Auflösung in einem klaren Verhältnis zur Toleranz stehen: Bei einer Toleranz von 0,05 mm ist eine Auflösung derselben Größenordnung nicht ausreichend. Zweitens gehört die Aufnahme des Teils zum Messmittel, denn eine wiederholgenaue Vorrichtung entscheidet über die Streuung oft stärker als der Sensor, besonders bei weichen Kunststoffteilen. Drittens gehört die Dokumentation in die Auslegung: Messwerte je Teil, Zuordnung zu Charge und Kavität und ein brauchbares Ablageformat.

Nicht jede Aufgabe gehört in die Linie. Erstmusterprüfung, Werkzeugformen und Reklamationsteile werden offline erfasst. 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 nehmen Form, Ebenheit und Kontur eines Musters berührungslos auf, 3D-Scanner der Modellreihe VL-800 erfassen ganze Bauteile für Formvergleich und CAD-Abgleich, der digitale Messprojektor der Modellreihe IM-X misst Außenmaße und Bohrungsabstände in kurzer Zeit, und für ausgedehnte Objekte kommen mobile Systeme zum Einsatz: die Modellreihe XM für Maße an bearbeiteten Teilen direkt an der Maschine, WM-6000 für große Bauteile und Zusammenbauten. In realen Projekten wurde auf gealterten manuellen Messmaschinen von einer Stunde bis zu sechs Stunden pro Teil berichtet, sodass nur Erstmuster geprüft wurden und die Produktion auf die Freigabe wartete.

Die Arbeitsteilung ist damit klar. Die Linie sortiert im Takt und liefert den Trend, das Messzimmer klärt Ursachen und liefert die Referenz für die Abnahme.

Häufige Fragen

F Warum reicht eine Kamera nicht, wenn sich zwei Typen in der Höhe unterscheiden?

Weil eine Kamera Kontraste in einer Ebene misst und die Höhe nur indirekt über Schatten, Perspektive oder Unschärfe erschließt. Alle drei Effekte hängen von Beleuchtung und Teilelage ab, sodass die zulässige Lagestreuung dasselbe Bild erzeugt wie der gesuchte Unterschied. Bei Signalen zwischen etwa 0,05 mm und 2 mm ist eine geometrische Messung deshalb die sichere Wahl.

F Wann brauche ich einen Profilsensor und wann einen 3D Laser-Snapshot-Sensor?

Die Bewegung entscheidet. Bewegt sich das Teil ohnehin, etwa auf Band, Rundtisch oder Achse, tastet ein 2D/3D-Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 den Querschnitt fortlaufend ab und baut daraus die Fläche auf. Steht das Teil im Takt still oder ist keine Zusatzachse unterzubringen, erfasst ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 den Bereich in einer Aufnahme.

F Wie messe ich mattschwarze oder glänzende Kunststoffteile mit einem Laser?

Über den Aufbau und die Wahl des Messprinzips. Ein anderer Anstellwinkel verlagert die gerichtete Reflexion glänzender Oberflächen aus dem Empfänger, und bei transparenten Teilen trägt der Umriss im Durchlicht oft besser als die Oberfläche. Weil sich das Rückstreuverhalten eines gefüllten Polymers nicht aus dem Werkstoffdatenblatt ableiten lässt, gehören Musterteile vor die Auslegung.

F Wie prüft man Breite und Dicke an laufendem Endlosmaterial?

Nach Messgröße getrennt. Für die Breite eines Profils arbeitet ein Mikrometer der Modellreihe LS-9000 im Durchlicht und ist damit von der Oberfläche weitgehend unabhängig. Für Querschnitt und Kontur liefert ein Sensor der Modellreihe LJ-X8000 das vollständige Profil, für Schicht- und Trägerdicken eignen sich konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000. In dokumentierten Anwendungen laufen solche Linien mit 1 bis 100 m/min.

F Was ist nötig, damit ein Messergebnis als Prüfmittel akzeptiert wird?

Ein Fähigkeitsnachweis. In dokumentierten Anwendungen werden Cgk-Werte um 1,5 und darüber gefordert, bei Automobilkunden zusätzlich MSA-Untersuchungen. Dafür muss die Auflösung deutlich feiner als die Toleranz sein, die Teileaufnahme wiederholgenau, und die Messwerte müssen je Teil mit Zuordnung zu Charge und Kavität dokumentiert werden.

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