HERAUSFORDERUNG

In der industriellen Fertigung gilt mittlerweile in vielen Branchen: je kleiner die Baukomponenten, desto komplexer ihre Formen und desto entscheidender die Qualitätskontrolle.

Eine moderne und effektive Qualitätskontrolle wird also immer bedeutender; das betrifft zum einen die Qualität von Formen, Oberflächen und Verarbeitung, insbesondere von Miniatur-Komponenten beispielsweise im Automobilsektor, und zum anderen gilt dies für die Qualitätssicherung und Produktverfolgung wichtiger Datenträger wie z.B. Data Matrix Codes. Diese sind zwar schon seit Ende der 1980er Jahre gebräuchlich, spielen aber gerade in der Elektronikindustrie eine immer wichtigere Rolle. Die nur millimetergroßen 2D-Codes können über die simple Produktidentifizierung hinaus zahlreiche weitere Daten kodieren, wie z.B. Produkt- und Seriennummern, technische Informationen usw.; Fehlerkorrekturverfahren erleichtern ferner das fehlerminimierte Auslesen der Daten. 

Gerade in zentralen Zukunftstechnologien wie beispielsweise E-Mobilität werden Bauteile immer kleiner und komplexer, d.h., die oft bislang noch ganz oder teilweise manuell vorgenommene Qualitätsprüfung steht vor wachsenden Herausforderungen: Jahrelange Erfahrung, Know-how und individuelle Bewertung durch menschliche Mitarbeitende halten nicht mehr Schritt mit den technologischen Anforderungen.

Wie lässt sich also die Qualitätskontrolle für diese Bauteile sowie Data Matrix Codes präziser und flexibler mit Hilfe von Automatisierung gestalten? 

LÖSUNG 

Eine Lösung für diese Herausforderung hat das Unternehmen MABRI.VISION mit seiner roboterbasierten Plattform ROBOT.SPECTOR im September 2023 entwickelt: Dank einer Kombination aus robotergeführter Sensorik und KI-basierter Bildanalyse ermöglicht die Plattform eine präzise Prüfung auch sehr komplexer Oberflächen und aus verschiedenen Blickwinkeln für eine lückenlose Qualitätskontrolle. 

Das 2015 von Dr. Ulrich Marx und Dr. Nicolai Brill am Technologiestandort Aachen gegründete Unternehmen entwickelt, fertigt und liefert optische Sensoren und schlüsselfertige Prüfsysteme für die Produktion. Das Unternehmen beschäftigt derzeit mehr als 50 Mitarbeitende und setzt auf Innovation und High-Tech für Kunden aus den Branchen Verpackungstechnik, Kraftfahrzeugbau, Metallverarbeitung und Medizintechnik - mit dem Ziel, diese Kunden dabei zu unterstützen, Qualität und Effizienz in der Produktion zu optimieren. 

Die ROBOT.SPECTOR Plattform ist bislang in zwei Versionen realisiert worden; in beiden Fällen mit einem DENSO Robotics Sechs-Achs-Roboter im Zentrum einer Prüfzelle, einem VS-6556 sowie einem VS-068. „Wir haben uns für DENSO Robotics und die VS-Serie entschieden, weil diese Robotermodelle die für uns erforderliche Präzision in der Applikation verlässlich umsetzen können,“ sagt Dr. Ulrich Marx, Co-Gründer und Geschäftsführer von MABRI.VISION.  

Die erste Anwendung mit einem VS-6556 dient der Erkennung und Qualitätsprüfung von Data Matrix Codes, d.h. der ROBOT.SPECTOR fungiert als Data Matrix Code Verifier, der  auf Platinen die sehr kleinen Codes (maximal 2,1 mm Kantenlänge) auf ihre richtige Positionierung und Qualität hin überprüft. Diese Platinen werden von einem Zulieferer zum Einbau in E-Fahrzeugen hergestellt.  

Der Prüfvorgang im ROBOT.SPECTOR DMC läuft wie folgt ab: Die zu prüfenden Bauteile liegen in Trays und werden manuell in die Prüfzelle eingeführt; der mit verschiedenen Data Matrix Code Scannern ausrüstbare Roboter fährt jedes Bauteil (= Platine) mit den teilweise hinterschnittig aufgebrachten Codes im Scanvorgang komplett und individuell ab, um diese so zu lesen und zu überprüfen. In der Steuerungssoftware wird jeweils angezeigt, welcher Code gelesen wurde und wie es um dessen Code-Qualität bestellt ist, d.h., die richtige Positionierung des Codes wird erfasst und die Qualität des Codes ermittelt, so dass für den späteren Einsatz der Bauteile in der Produktion u.a. auch sichergestellt ist, dass die Codes dort fehlerfrei gelesen werden können. Der Prüfvorgang dauert je Code im Schnitt rund zwei Sekunden. 

Die Steuerungssoftware wurde von MABRI.VISION selbst entwickelt, die Schnittstelle zum Roboter erfolgt über die Simulationssoftware RoboDK, so dass sich der Roboter als digitaler Zwilling in der Software betreiben lässt. Die Steuerung wird über eine Desktop-Anwendung gewährleistet.  
 

Die zweite roboterbasierte Anwendung der Plattform, das ROBOT.SPECTOR Robotic Vision System, kombiniert einen DENSO-Roboter VS-068 mit modernster Bildverarbeitung und KI Deep Learning zur Qualitätskontrolle von Bauteilen für die Chipfertigung: ein Zusammenspiel, das eine bislang unerreichte Prüfgenauigkeit erzielt, die selbst schwer zugängliche und verborgene Bereiche erfasst, die andere Systeme nicht erreichen können und so auch komplexe und kaum erkennbare Defekte zuverlässig nachweist. Eine zentrale Bedeutung kommt dabei der KI zu, die derartige Defekte und Fehler über eine Anomalie-Erkennung identifiziert - die Software wird mit Gutdaten trainiert, so dass sie nicht nur bekannte und neue Defekte erkennt, sondern bekannte Defekte auch klassifizieren kann.  

Der Hintergrund: Die Kunden wollten die bislang manuell erfolgte Qualitätskontrolle automatisieren - doch wie lässt sich menschliche Erfahrung in Zahlen und Daten, z.B. Schwellwerte, übersetzen? Und wie werden welche Defekte definiert? Bei vielen Prüfvorgängen mit Blick auf Form, Auf- und Zusammenbau von Komponenten lässt sich diese Aufgabe relativ leicht lösen, doch wenn es um Oberflächendefekte wie z.B. Kratzer geht, stößt die Programmierung einer automatisierten Qualitätskontrolle mit Bildverarbeitung an ihre Grenzen. So ist dieser KI-Baustein die jüngste Zusatzkomponente für den ROBOT.SPECTOR und wird kontinuierlich weiterentwickelt. 

In der entsprechenden ROBOT.SPECTOR Prüfzelle mit Reinraumumgebung erfolgt die Qualitätsprüfung von Bauteilen für die neueste Halbleitergeneration. Die auf Oberflächendefekte und Maßhaltigkeit zu prüfenden Bauteile sind zwischen 50x50x10 mm und 400x300x200 mm groß. Die Prüfzelle ist in diesem Fall etwas größer ausgelegt, da diese zusätzlich über einen Drehteller verfügt, damit das System ausreichend schnell und gleichzeitig taktzeitoptimiert ist: der Roboter kann also zustellen, und gleichzeitig lässt sich das Bauteil auf dem Drehteller rotieren.  

Beim Prüfvorgang wird das zu prüfende Bauteil per Haltesystem auf dem Drehteller positioniert und dann in einer optischen Prüfung von zwei direkt am Roboter angebrachten Kamerasystemen abgefahren; eine Kamera in Kombination mit einer Segment-Ringleuchte und eine zweite mit einer UV-Balkenleuchte. Die Beleuchtung durch die Segment-Ringleuchte ermöglicht mittels Shape-from-Shading-Ansatz, Oberflächenunebenheiten wie beispielsweise Kratzer oder Dellen hervorzuheben; die Beleuchtung unter UV erlaubt es, kleinste Partikel oder Verunreinigungen mittels Fluoreszenz sichtbar zu machen. Diese Prüfungen erfolgen sequentiell. Die Dauer der Prüfung hängt jeweils von den Dimensionen und Komplexität des Bauteils ab; bei größeren, komplexen Bauteilen liegt diese unter zwei Minuten - dabei werden bis zu 40 Datenpunkte aufgenommen.  

Auch bei dieser Anwendung erfolgt die Systemsteuerung über die unternehmenseigene Software und die gleichen Schnittstellen wie in der ersten Anwendung. Die Software ist so flexibel programmiert, dass sich verschiedene Prüfrezepte eintrainieren lassen.  

Der Sechs-Achs-Roboter VS-068 von DENSO Robotics bietet hohe Geschwindigkeit und hohe Leistung in einem kompakten, schlanken Gehäuse. Darüber hinaus sind zahlreiche Optionen verfügbar, die den Betrieb in einer Vielzahl von Umgebungen ermöglichen. Dank seiner Hochgeschwindigkeitsleistung und Wiederholgenauigkeit von ±0,02 mm kann der VS-068 in nahezu allen Bereichen eingesetzt werden. 

VORTEILE 

Der ROBOT.SPECTOR setzt neue Maßstäbe in Sachen Flexibilität, Geschwindigkeit und Genauigkeit in der automatisierten Qualitätsprüfung. Die Technologie beschleunigt die Qualitätskontrollen und sorgt für eine rasche Amortisation der Investition. Darüber hinaus erlaubt die Automation mit ROBOT.SPECTOR eine konsistente, automatisierte und fehlerfreie Qualitätskontrolle. 

„Der eigentliche Mehrwert der ROBOT.SPECTOR Plattform mit Einsatz der DENSO-Roboter liegt weniger in einem quantifizierbaren Automatisierungsvorteil als vielmehr in der roboterbasierten Flexibilität und Präzision des Prüfvorgangs: es sind diese Eigenschaften der Roboter, die wir in der Anlage nutzen“, sagt Dr. Ulrich Marx. So wurde beispielsweise selbst die Matrix Code Prüfung bislang teilweise noch händisch vorgenommen, d.h., der Sensor und das Bauteil wurden manuell zueinander positioniert. Später setzte man auch SCARA-Roboter ein, die sich aber - bedingt durch ihre nur vier Achsen - als nicht ausreichend flexibel erwiesen. 

Für den ROBOT.SPECTOR erweitern die Sechs-Achs-Roboter von DENSO auch die Bandbreite selbst spezieller Prüfanforderungen, die sich so bestmöglich erfüllen lassen - auch schwer zugängliche Bereiche von Bauteilen können nun im Prozesstakt geprüft werden: die Roboter lassen sich mit unterschiedlichen Prüftechnologien ausstatten, wie u.a. hochauflösenden Kameras, schnellen Code-Readern oder 3D-Triangulationssensoren.  

Und weil sich die ROBOT.SPECTOR Plattform auch mit jedem anderen, beliebigen DENSO-Robotermodell kombinieren lässt und sich die Achsen in unterschiedlichen Größen ausführen lassen, ist das System nicht nur für unterschiedlichste Produktionsumgebungen geeignet, sondern ist als Plattform auch nicht auf spezifische Industrien oder Branchen beschränkt. Daher plant MABRI.VISION künftig auch den Einsatz in der Elektronikprüfung oder der Metallverarbeitung; weitere Anwendungen lassen sich überall dort realisieren, wo Präzision gefragt ist.