Verschweißt oder nicht? Ultraschall- und Laserschweißungen an Kunststoffformteilen im Takt prüfen

Eine Montagelinie mit Ultraschall- oder Laserschweißstation hat eine schlichte, aber harte Anforderung: Ein Teil, an dem die Verschweißung ausgeblieben ist, darf die Station nicht verlassen. An einer Metallnaht zeigt sich das als fehlende Raupe. Am Kunststoffformteil ist das Merkmal meist eine Verformung, die stattgefunden hat oder eben nicht. Dieser Beitrag richtet sich an Montage- und Qualitätsingenieure bei Zulieferern von Kunststoffteilen und an Hersteller von Ultraschallschweißstationen. Er zeigt, woran man den unverschweißten Zustand erkennt, wann ein Höhenvergleich trägt und wann das Bild, wie man vom einzelnen Schweißpunkt zu großen Teilen mit vielen Punkten kommt und wie das Ergebnis die Ausschleusung erreicht. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen, überwiegend Anfragen, Konzepte und Tests.

Wichtige Punkte im Überblick

Am Kunststoffformteil zeigt sich eine fehlende Verschweißung meist an einer ausgebliebenen Verformung: Nasen stehen noch, Schweißpunkte reflektieren anders.
Steht das unverschweißte Teil sichtbar höher, kommt ein bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX in Frage, der die Höhe gegen einen Referenzpunkt am Teil selbst vergleicht.
Wird ein unverschweißter Stift in das Teil hineingedrückt, statt hoch zu stehen, unterscheidet die Höhe allein die Zustände nicht mehr und die Prüfung braucht das Bild.
Für die Auslegung werden neben Gutteilen absichtlich unverschweißte und teilweise verschweißte Teile gebraucht, denn gerade der Zwischenzustand entscheidet, wo die Schwelle liegt.
Schwarz auf schwarz entscheidet die Aufnahmegeometrie: In einer dokumentierten Anwendung verliefen Tests mit der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS erfolgreich, die Perspektive galt dabei als kritisch.

Woran man eine fehlende Verschweißung sieht: Nasen, Stifte, Schweißpunkte

Am deutlichsten ist es, wenn die Schweißung eine Form verschwinden lässt. In einer Anfrage für eine Montagestation, in der mehrere Teile zusammengefügt werden, soll geprüft werden, ob ein Teil mit dem anderen verschweißt ist. Ist es das nicht, stehen drei Kunststoffnasen hoch; nach dem Schweißen sind sie weg.

Bei Kunststoffstiften, die per Ultraschall verschweißt werden, ist das Bild weniger eindeutig, dazu mehr im nächsten Abschnitt. In einem anderen Fall sollen durch weiße Kunststoffdeckel hindurch dunkle Schweißstreifen erkannt werden; hier ist der unverschweißte Zustand eine Frage des Kontrasts, nicht der Höhe. Und an großen Formteilen sind Schweißpunkte nach Einschätzung des Anwenders durch ihre Reflexion zu sehen.

Allen gemeinsam ist, dass die Prüfung binär ist. Gefragt wird nicht nach Breite oder Höhe einer Naht, sondern danach, ob die Fügestelle den verschweißten Zustand zeigt. Wie man einen Schweißwulst misst, wenn ein Wert gebraucht wird, beschreibt der Beitrag zu Schweißwulst und Nahthöhe.

Höhe oder Bild: wann der Höhenvergleich trägt und wann nicht

Wenn unverschweißt hoch und verschweißt flach bedeutet, ist die Höhe das natürliche Merkmal. Für die drei Nasen kommt deshalb ein bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX in Frage. Er vergleicht die Höhe aus dem Bild gegen einen Referenzpunkt am Teil selbst, und sein Katalog nennt Kunststoffkappen, Vliesstoffe und Filter sowie ähnliche Farben und Materialien als Prüfobjekte. Laut Katalog bleibt die Erkennung von Höhendifferenzen auch dann stabil, wenn das Teil versetzt, verdreht oder geneigt liegt.

Die Physik des Teils kann den Höhenvergleich aber aushebeln. Bei ultraschallverschweißten Stiften lag ein nicht verschweißter Stift nicht hoch, sondern war in das Kunststoffteil hineingedrückt. Damit unterscheidet die Höhe allein die beiden Zustände nicht mehr. In einem Test mit einem Vision-Sensor einer früheren Generation und einem Objektiv mit engem Sichtfeld wurde die Erkennung dagegen stabil, bei rund 50 mm Montageabstand, schwarz auf schwarz. Bevor man sich für Höhe oder Bild entscheidet, lohnt deshalb ein Blick auf ein absichtlich unverschweißtes Teil: Steht die Form über, liegt sie tiefer oder sieht sie nur anders aus?

Ein Schweißpunkt aus der Nähe oder ein Dutzend auf einmal

Der Stiftfall zeigt auch die andere Grenze. Schwarz auf schwarz ließen sich die Stifte nur einzeln erkennen, nicht mehrere Schweißpunkte in einem Bild. Für eine solche einzelne Prüfstelle kommt der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 in Frage. Sein Arbeitsabstand reicht von 50 mm bis über 3 m, intern speichert er bis zu 32 Programme. Ob er das Ergebnis aus dem früheren Test am Originalteil wiederholt, klärt ein eigener Test.

Ebenfalls einzeln betrachtet ist eine Zierleiste, links und rechts, an der erkannt werden soll, ob verschweißt wurde. Die Kontrolle von Hand ist dort sehr aufwendig, die Taktzeit unkritisch, und auch hier kommt der Vision-Sensor in Frage; ein Testergebnis gibt es noch nicht. Für den Fall mit den weißen Deckeln ist ein Prüfablauf mit zwei Programmen beschrieben: Ein Programm soll einen Körnerpunkt durch gezielte Überbelichtung erkennen, nach dem Programmwechsel soll ein Flächenwerkzeug die dunklen Schweißstreifen unter den weißen Deckeln prüfen, angebunden über PROFINET. Ein Ergebnis dazu ist nicht dokumentiert.

Am anderen Ende stehen Teile mit vielen Prüfstellen. Eine Kunststoffabdeckung trägt zusammen ein Dutzend Clips und Schweißpunkte, ein zugehöriges Teil kommt in mehreren Varianten, geprüft werden sollen Anwesenheit und Verrastung. Das Projekt befand sich in der Konzeptphase; betrachtet wurde dafür der Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX. Wer Clips und Schweißpunkte in einem Schritt prüft, verbindet zwei Aufgaben; die Vollständigkeit der Clips ist ein eigenes Thema der Montageprüfung im Kunststoff-Hub.

Schwarz auf schwarz: Perspektive und Beleuchtung am dunklen Formteil

Schwarzes Formteil, schwarze Schweißung: Hier entscheidet die Aufnahmegeometrie. In einer dokumentierten Anwendung an großflächigen Kunststoffteilen verliefen Tests mit der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS erfolgreich. Die Schweißungen wurden vor Ort durchgeführt und positiv getestet. Als kritisch galten dabei die Perspektiven. Niederhalter drücken die Teile so, dass geometrisch kein Unterschied zwischen verschweißt und unverschweißt sichtbar ist; die Entscheidung muss also aus dem Erscheinungsbild der Schweißstelle kommen, und das hängt am Blickwinkel. Für die Zelle wurde außerdem empfohlen, direkt von oben einfallendes Licht abzuschatten.

Für die Auslegung einer solchen Prüfung reichen Gutteile nicht. Gebraucht werden Teile, an denen die Schweißung bewusst ausgelassen wurde, und Teile, die nur teilweise verschweißt sind, denn gerade dieser Zwischenzustand entscheidet, wo die Schwelle liegt. Werden alle drei Gruppen unter den Bedingungen der Linie aufgenommen, mit Niederhalter, Fremdlicht und der tatsächlichen Lagestreuung, zeigt sich früh, ob Perspektive und Beleuchtung tragen oder ob die Prüfstelle näher an die Schweißung rücken muss.

Eine weitere Anfrage zielt auf denselben Kern. Bei einer Schweißprüfung an Kunststoffbaugruppen sollen Oberfläche, Farbe, fehlende Bereiche und Lage der Schweißung geprüft werden. Vorgeschlagen wurde ein Aufbau, bei dem Kamera und Beleuchtung im passenden Winkel zur Schweißstelle stehen. Für glänzende und dunkle Oberflächen setzt die Modellreihe VS mit LumiTrax Aufnahmen aus mehreren Beleuchtungsrichtungen zusammen; welche Beleuchtung an einer bestimmten Schweißstelle trägt, zeigt ein Test mit Originalteilen und mit absichtlich unverschweißten Teilen.

Große Teile, zwei Teile je Takt: Wechseltisch und Prüfbox am Linienende

In der Anwendung mit den großflächigen Teilen liegen auf einem Wechseltisch immer zwei Teile nebeneinander, ein linkes und ein rechtes, zusammen über einen Meter breit, bei einem Takt von wenigen Sekunden. Das Konzept sieht zwei Kameras mit je einem eigenen Bildfeld vor. Sollen mehrere Kameras an einem Controller zusammenlaufen, deckt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras ab.

Eine andere Bauform ist die Prüfbox am Linienende. In einer Anfrage sollen dort zehn bis zwölf Varianten von Kunststoffteilen mit Längen bis über einen Meter geprüft werden, darunter eine Motorabdeckung. Zwei Merkmale stehen nebeneinander: Die Schweißpunkte sind durch Reflexion zu sehen und gehören damit zur Bildverarbeitung, bei den Schnappverbindungen zählt das Einpressmaß, also eine Höhe. Für diese Höhe nennt die Anfrage den 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000, der ohne Bewegung des Messkopfs ein Feld bis 640 x 640 mm erfasst. Scans mit einem Laser-Profilsensor wurden gemacht, ein Bericht dazu stand noch aus.

Varianten, Laserschweißung und Signal an die Steuerung

Viele Linien schweißen mehrere Varianten auf derselben Station. Am AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 bekommt jede Variante ein eigenes Programm. Bei der Kamera der Modellreihe VS unterscheidet die AI-Klassifizierung bis zu 32 Produkttypen mit einem Werkzeug, eingelernt mit wenigen Bildern je Typ. Ob ein Programm je Teil oder eines je Gruppe sinnvoll ist, hängt davon ab, wie ähnlich die Schweißstellen der Varianten aussehen.

Beim Laserschweißen von Kunststoffdeckeln, etwa in einer Linie mit Laserschweißzelle, Lasermarkierzelle und Roboter, ist die Frage noch enger gefasst. Notiert ist die Idee, mit einem lernenden Werkzeug eines Vision-Sensors nur festzustellen, ob das Laserschweißen funktioniert hat, ausdrücklich ohne Qualitätsprüfung der Naht. Das ist eine bewusste Beschränkung: Ein Anwesenheitsurteil ist schneller eingerichtet als eine Nahtbewertung, sagt aber nichts über die Festigkeit.

Das Ergebnis muss mit dem Teil zusammenbleiben. Die Kamera der Modellreihe VS gibt ihr Urteil über den Feldbus an die Steuerung, die das Teil ausschleust, und legt Bilder auf Wunsch per FTP ab. Wer vor dem Schweißen Lage und Sitz der Teile prüfen will, findet das im Beitrag zur Lageprüfung im Kunststoff-Hub.

Häufige Fragen

F Woran erkennt man, ob ein Kunststoffteil verschweißt ist?

An der Form, die das Schweißen verändert: Nasen verschwinden, Schweißpunkte reflektieren anders, und Stifte verändern ihre Form, aber nicht immer in der Höhe. Welches Merkmal trägt, zeigt ein absichtlich unverschweißtes Teil im Vergleich mit einem verschweißten.

F Reicht ein Höhenvergleich, um eine Ultraschallschweißung zu prüfen?

Wenn das unverschweißte Teil sichtbar höher steht, ja; dafür kommt ein bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX in Frage. Wird ein unverschweißter Stift dagegen in das Teil hineingedrückt, unterscheidet die Höhe die Zustände nicht mehr, und die Prüfung braucht das Bild.

F Wie prüft man Schweißpunkte schwarz auf schwarz?

Mit einer Aufnahmegeometrie, die die Schweißstelle sichtbar macht, und oft mit engem Sichtfeld je Schweißpunkt. In einer dokumentierten Anwendung verliefen Tests mit der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS erfolgreich, die Perspektive blieb aber der kritische Punkt.

F Kann eine Kamera mehrere Schweißpunkte gleichzeitig prüfen?

Ja, wenn alle Punkte im Bildfeld ausreichend Kontrast zeigen. Schwarz auf schwarz kann es nötig sein, Punkte einzeln aus der Nähe zu prüfen. Für große Teile mit vielen Punkten arbeiten mehrere Kameras, bei der Modellreihe VS-G bis zu acht an einem Controller.

F Wie gelangt das Ergebnis an die Schweißstation?

Das Urteil geht über den Feldbus an die Steuerung, die das Teil ausschleust. Werden zusätzlich Bilder abgelegt, bleibt nachvollziehbar, warum ein Teil aussortiert wurde.

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