Produktfehler und sichtbare Fremdkörper an Lebensmitteln erkennen: Schokolade, Waffel, Gebäck, Ei und leere Behälter optisch prüfen

Ein Lebensmittel kann auf zwei Arten fehlerhaft sein. Es selbst ist beschädigt oder falsch geformt, oder auf ihm und in seinem Behälter liegt etwas, das dort nicht hingehört. Dieser Beitrag richtet sich an Produktions- und Qualitätsingenieure in Süßwaren-, Back-, Eier-, Molkerei-, Speiseeis- und Käsebetrieben und an die Maschinenbauer ihrer Linien. Er geht dokumentierte Anwendungen durch, zuerst die Produktfehler an Schokolade, Waffel, Ei und Gebäck, dann die Fremdkörper, die eine Kamera sehen kann. Installiert ist keine dieser Prüfungen.

Wichtige Punkte im Überblick

Ein Lebensmittel kann auf zwei Arten fehlerhaft sein: Es selbst ist beschädigt oder falsch geformt, oder auf ihm und in seinem Behälter liegt etwas, das dort nicht hingehört.
Im Höhenbild, das der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 liefert, ist ein Loch in der Waffel eine Vertiefung, auch wo Bräunung und Farbe schwanken.
In einem dokumentierten Fall zeigen sich die meisten Risse im Ei als lokaler Kontrastunterschied auf der Schale und nicht als Höhe, was für die All-in-One Kamera spricht.
Im Zulauf einer Verpackungsmaschine für gefülltes Gebäck soll die Prüfung ovale Stücke, ausgespritzte Füllung und verklebte Produkte erkennen, bevor sie einen Crash auslösen und die Linie stoppen.
Ein heller Fremdkörper auf weißem Kunststoff hebt sich kaum ab, deshalb sind multispektrale Aufnahme und LumiTrax auf der All-in-One Kamera bei leeren Bechern und Behältern Testfragen.

Kein Stück gleicht dem anderen: warum Produktfehler am Lebensmittel anders geprüft werden

Ein Gussteil aus derselben Form sieht jedes Mal fast gleich aus. Eine Waffel, ein Ei oder ein Riegel nicht: Bräunung, Oberfläche und Kontur streuen von Stück zu Stück, ohne dass etwas falsch ist. Die Prüfung muss deshalb den Fehler von dieser natürlichen Streuung trennen, nicht nur von einem Referenzbild.

Daraus folgen zwei Konsequenzen für die Auslegung. Erstens entscheidet das Merkmal über die Geräteklasse: Hat der Fehler eine Höhe, trägt ein Höhenbild die Information, sonst reicht meist ein Graubild. Zweitens braucht der Test Gut- und Schlechtteile aus der eigenen Produktion, und zwar aus mehreren Chargen. Ob AI-Segmentierung oder AI-Klassifizierung auf der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS die Streuung sicher vom Fehler trennt, ist eine Testfrage und kein zugesagtes Ergebnis. Wo n.i.O. beginnt, legen Grenzmuster fest.

Lufteinschlüsse und Löcher: Schokolade und Waffel in 3D

Für eine neue Schokoladenlinie wird auch eine Prüfstation gebraucht. Schokoladenriegel mit strukturierter Oberfläche sollen auf Lufteinschlüsse geprüft werden, in 3D und mit mehreren Köpfen, von denen jeder eine Reihe von rund einem Meter abtastet. Ein Lufteinschluss dicht unter der Oberfläche zeichnet sich als Höhenänderung ab, und auf einer strukturierten Oberfläche muss die Prüfung diese Änderung von der gewollten Form unterscheiden. Ob verschiedene Sorten vermischt sind, soll dieselbe Station ebenfalls melden; das ist eine Frage der Typunterscheidung.

Bei Waffeln sind Löcher der Hauptfehler. Weitere Defekte und das Volumen gelten als Zusatz. Fünf bis sechs Waffeln liegen in einer Reihe auf dem Band, mit etwa 50 mm je Waffel; heute wird per Sichtprüfung kontrolliert.

Für beide Produkte passt der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000. Je nach Messkopf erfasst er 7,0 bis 510 mm in X-Richtung und tastet mit bis zu 16 kHz ab. Die Auswertung läuft am Controller der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X. Ein Loch in der Waffel ist im Höhenbild eine Vertiefung, auch wo Bräunung und Farbe schwanken.

Risse im Ei: zwölf Spuren und der lokale Kontrastunterschied

Ein Maschinenbauer entwickelt eine neue Kontrollmaschine für Eier mit zwölf Spuren und zwei bis drei Kameras je Spur.

Die meisten Risse zeigen sich als lokaler Kontrastunterschied auf der Schale, nicht als Höhe. Das spricht für die All-in-One Kamera. Rechnerisch kommen zwölf Spuren mit zwei bis drei Kameras auf 24 bis 36 Kameras. Die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G nimmt bis zu acht Kameras je Controller auf; eine Maschine bräuchte damit rechnerisch drei bis fünf Controller. Welche Aufteilung die Spuren am besten bedient, legt der Maschinenbauer bei der Auslegung fest.

Formfehler und verklebte Produkte im Zulauf: den Crash der Verpackungsmaschine verhindern

Nicht jeder Produktfehler ist ein Qualitätsproblem für den Verbraucher. Im Zulauf einer Verpackungsmaschine für gefülltes Gebäck geht es um die Maschine: Ein ovales Stück, ausgespritzte Füllung, versetzter Schaum oder zwei aneinanderklebende Produkte können einen Crash auslösen und die Linie stoppen. Geprüft werden soll auf zwei Spuren bei mehreren Stück pro Sekunde, und die Bilder sollen gespeichert werden. Zwischen hellen und dunklen Varianten ist der Kontrast gering.

Zwei verklebte Produkte oder ausgetretene Füllung verändern die Höhe und die Kontur, deshalb kommt auch hier der Profilsensor in Frage, der bei geringem Farbkontrast ein Höhenbild liefert. Höhe und Durchmesser als Messwerte mit Toleranz, die dieselbe Anwendung ebenfalls nennt, gehören zur Maßprüfung. In einer weiteren Anwendung will ein Lebensmittelmaschinenbauer prüfen, ob Schokoladenprodukte auf dem Förderband unversehrt sind; das ist eine Aufgabe für die All-in-One Kamera.

Was eine Kamera sieht: Oberfläche und durchsichtiger Behälter

Bei Fremdkörpern ist die Grenze der Optik der erste Punkt, nicht der letzte. Eine Kamera sieht, was auf der Oberfläche eines Produkts liegt. Durch einen durchsichtigen oder durchscheinenden Behälter sieht sie auch dessen Inneres, wenn das Licht passend geführt wird. Was im Inneren eines undurchsichtigen Produkts steckt, sieht sie nicht, gleich wie gut Kamera und Beleuchtung sind. Für solche Fremdkörper braucht es andere Verfahren, die hier nicht beschrieben werden.

Innerhalb dieser Grenze ist die optische Prüfung dort stark, wo der Fremdkörper vor dem Befüllen oder auf der offenen Oberfläche liegt. Sichtbar heißt dabei, dass sich der Fremdkörper in Helligkeit, Farbe oder Form vom Untergrund abhebt. Je ähnlicher er dem Produkt oder der Behälterwand ist, desto mehr hängt von Beleuchtung und Aufnahmeverfahren ab, und desto wichtiger wird ein Test mit echten Verunreinigungen statt mit auffälligen Musterteilen. Die dokumentierten Anwendungen sitzen genau an diesen Stellen.

Leere Becher und Behälter vor dem Befüllen

Weiße Kunststoffbehälter für Schokolade sollen auf Fremdkörper geprüft werden, damit nichts davon ins Produkt gelangt. Das Band ist mit 5 m/min langsam. Weiße, durchscheinende Eisbecher in zwei Größen stehen vor dem Befüllen nebeneinander und sollen auf Verunreinigung geprüft werden; für die Aufnahme steht rund eine Sekunde Stillstand zur Verfügung, und ein farbbasierter Sensor als Auslöser ist als Option genannt.

Die Schwierigkeit ist in beiden Fällen dieselbe: ein heller Fremdkörper auf weißem Kunststoff hebt sich kaum ab. Hier sind multispektrale Aufnahme und LumiTrax auf der All-in-One Kamera Testfragen. LumiTrax erzeugt aus Aufnahmen mit wechselnder Beleuchtungsrichtung ein Formbild, das Unregelmäßigkeiten hervorhebt, und ein Texturbild für Muster. Beim durchscheinenden Becher bestimmt Licht von unten oder hinten, was durch die Wand sichtbar wird.

Auf dem Produkt: Käse und viele Artikel auf einer Linie

An einer bestehenden Linie soll Verschmutzung auf Käseblöcken von knapp 30 cm erkannt werden. Die Käse haben verschiedene Gelbtöne, über zwanzig Artikel in mehreren Kategorien laufen über dieselbe Linie, und je Seite stehen einige Sekunden zur Verfügung.

Hier liegt die Arbeit weniger im einzelnen Bild als im Wechsel. Jeder Gelbton verschiebt den Kontrast, gegen den sich eine Verschmutzung abheben muss, und jeder Artikel braucht passende Einstellungen. Ein Test sollte deshalb die hellste und die dunkelste Sorte mit denselben Verschmutzungen enthalten. Wie die Einstellungen je Artikel gewechselt werden und wer den Wechsel auslöst, gehört in dieselbe Klärung. Fremdkörper in der leeren Glasflasche und im Mehrwegkasten behandelt der Beitrag zur Prüfung von Leergut beim Abfüller.

Häufige Fragen

F Kann eine Kamera Fremdkörper im Inneren eines Lebensmittels erkennen?

Nein, nicht bei einem undurchsichtigen Produkt. Eine Kamera sieht die Oberfläche und, durch einen durchsichtigen Behälter, dessen Inneres. Für Fremdkörper im Inneren eines Produkts sind andere Verfahren nötig.

F Wann ist ein Profilsensor bei Lebensmitteln besser als eine Kamera?

Wenn der Fehler eine Höhe hat, etwa ein Lufteinschluss unter der Oberfläche, ein Loch in der Waffel oder zwei aneinanderklebende Produkte. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 liefert dann ein Höhenbild, das auch bei wenig Farbkontrast trägt. Risse im Ei zeigen sich dagegen meist als Kontrastunterschied und passen zur Kamera.

F Wie viele Kameras braucht eine Kontrollmaschine für Eier?

In einem dokumentierten Fall sind es zwölf Spuren mit zwei bis drei Kameras je Spur, rechnerisch 24 bis 36 Kameras. Bei bis zu acht Kameras je Controller der Modellreihe VS-G wären das rechnerisch drei bis fünf Controller.

F Wie erkennt man einen hellen Fremdkörper auf einem weißen Becher?

Ein heller Fremdkörper hebt sich auf weißem Kunststoff im normalen Bild kaum ab. Multispektrale Aufnahme und LumiTrax sind hier die Testfragen, beim durchscheinenden Becher zusätzlich Licht von unten oder hinten. Ob das reicht, zeigt ein Test mit Originalbechern.

F Warum prüft man Gebäck vor der Verpackungsmaschine?

Ein ovales Stück, ausgespritzte Füllung oder zwei verklebte Produkte können im Zulauf einen Crash auslösen und die Maschine stoppen. Die Prüfung soll solche Stücke vorher erkennen, in einem dokumentierten Fall auf zwei Spuren bei mehreren Stück pro Sekunde.

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