Farb- und Temperatur-Sensoren zur Qualitätskontrolle in der Produktion

Dipl.-Ing. (FH) Joachim Hueber Produktmanager Farbsensorik

Dipl.-Ing. Manfred Pfad Produktmanager thermoMETER

Mehr Präzision …

� Deutsches mittelständisches Technologieunternehmen mit ca. 1000 Mitarbeitern und über 160 Mio. EUR Umsatz weltweit

� Sensoren, Systeme & Lösungen: vom Katalogprodukt bis zur kundenoptimierten Serie

� Qualität, Effizienz und Innovation durch mehr Präzision

Micro-Epsilon

� Umfassendes und leistungsfähiges Produktportfolio – entwickelt und produziert in der eigenen Unternehmensgruppe

� 48 Jahre Erfahrung in der Lösung von Messaufgaben� Langfristige und zuverlässige Partnerschaft

Mehrwert für unsere Geschäftspartner

• 20 Micro-Epsilon Vertriebsstandorte• 40 Distributoren

Internationales Kompetenz-Netzwerk

Mobilität:� Schiffbau

� Automotive

� Schienenfahrzeuge

� Aerospace

Prozessindustrien:� Metall

� Glas

� Kunststoff

� Papier

� Reifen & Gummi

� HalbleiterMaschinenbau:� Elektrotechnik

� Fertigungsmaschinen

� Messtechnik

� Sondermaschinenbau

� Werkzeugmaschinen

� Fördertechnik

Weitere Branchen:� Medizintechnik

� Weiße Ware

Kernbranchen

Berührungslose Wegsensoren

2D/3D MesstechnikOberflächeninspektion

Mess- und Prüfanlagen

Infrarot-Temperatur-Messtechnik Farbsensoren

BerührendeWegsensoren

Produktbereiche

Infrarot Strahlung - Was ist das?

thermisches Infrarot

Theorie zur IR -Temperaturmessung

Physikalische Grundlagen

Grafische Darstellung der Strahlungsgesetze:

Gerade „Wiensche Verschiebungsgesetz“

Kurvenschar „PlankscheStrahlungsgesetz“

Physikalische Grundlagen

Emission – (Absorption) – Reflexion – Transmission

Objekt

ρ

τ

ε

Umgebung

UE = Emissionsquellefür „durchgelassene“Strahlung

Emission = Absorption

E

ε + ρ + τ = 1ε = Emissionρ = Reflexionτ = Transmission

Messprinzip

Eigenschaften der IR Temperaturmessung

� Infrarot Abstrahlung wird zur Messungherangezogen

� Berührungslose Messung

� Messung ist aus der Entfernung und beischlechter Zugänglichkeit möglich

� Hohe Ansprechdynamik im Vergleich zuThermoelementen (bis 1ms)

� Sehr kleine Messobjekte sind messbar

� IR Kameras haben hohe „räumliche Temperaturauflösung“

Objekt

ρ

τ

ε

Umgebung

U

E

ε + ρ + τ = 1ε = Emissionρ = Reflexionτ = Transmission

Infrarot Temperatursensoren / Kameras

Begriffserklärung:

AbsorptionStrahlungsenergie wird von Materie aufgenommen.

EmissionAussendung von Strahlungsenergie.

ReflexionStrahlung wird vollständig oder teilweise von einer Oberfläche zurückgeworfen.

TransmissionGibt die Durchlässigkeit eines Mediums für Strahlung an.

Diese vier Eigenschaften eines Körpers zu kennen is t für das Messen von Temperatur mit IR-Thermometer unerlässli ch.

Messprinzip

Berührungslose Temperaturmessung:

� IR-Sensor erfasst abgestrahlte Energie und lenkt diese auf einen oder mehrere Infrarot-Detektoren.

� Im Detektor wird die Strahlungsenergie der IR-Strahlung in elektrische Signaleumgewandelt.

� Aufgrund der Kalibrierung des Sensors und des eingestellten Emissionsgrades werden die Signale in Temperaturwerte umgerechnet.

Emissionsvermögen / Emissionsgrad:

Strahlungsenergie, die eine bestimmte Oberfläche abgibt im Vergleich zur theoretischen Strahlungsenergie eines schwarzen Strahlers derselben Temperatur (Wert zwischen 0,1 und 1).

Messprinzip

Bei festen, undurchlässigen Körpern, kann man in der Formel ε + ρ + τ = 1 die Transmission auf 0 setzen, somit

ε (Emission) + ρ (Reflexion) = 1

� Objekte mit hoher Emission sind gut für eine IR-Messung geeignet(z.B. Papier, Kunststoffe, Textilien und lackierte(!) Metalle)

� Objekte mit hoher Reflexion sind schwer zu messen(z.B. polierte und glänzende Metalle)

Messprinzip

Emissionsgradvergleich im Infrarot-Bild (Objekt mit hoher Reflexion)Umgebungstemperatur wird als Objekttemperatur gemessen!

(Messwellenlänge 8 – 14 µm)

ε = 0,2

ε = 0,95

Emissionsgrad

Punktsensoren thermoMETER� Großer Temperaturmessbereich von -50°C bis 2200°C

� Messfleck ab 0,45 mm

� Temperaturbeständigkeit der Sensoren bis zu 250°C

� Erfassungszeit ab 1 ms

� Analog- & Digitalausgänge

� Spezielle Serien für Glasproduktion, Metallproduktion und Keramikherstellung

� Messwellenlängen0,525 / 1 / 1,6 / 2,3 / 5,0 / 8 - 14µm

Infrarot-Temperatursensoren

Miniaturisierte Wärmebildkameras mit USB-Schnittste lle� Messbereich von -20°C bis 1500°C

� Exzellente thermische Empfindlichkeit (NETD) bis 0,04K

� Austauschbare Objektive

� Echtzeit-Thermographie bis 128 Hz Bildfrequenz

� Versorgung und Betrieb über USB

Auflösung max. 640 x 480 PixelGewicht 195 g Schutzart IP67

thermo IMAGER TIM160 | 200 | 400/450 | 640

Temperaturmessung an Lötstellen Aushärteprozesse

Anwendungen für thermo METER

Temperatur von Backwaren Abkühlprozesse von Glasflasc hen

Anwendungen für thermo METER

TIM 160 TIM 400/640

thermo IMAGER

color SENSOR color CONTROL

Überwachungsverfahren beim Spritzguss:

Status quo:� Optische Bildverarbeitungssysteme� Gewichtserfassung � Werkzeug Innendruckmessung � Temperaturerfassung im Werkzeug � Überwachung von Temperiermitteltemperatur

und Durchfluss � Überwachung der Maschinenparameter

(Drücke, Temperaturen, Zeiten, Kräfte)

Neu:� Inline Thermografie mould CONTROL System� Inline Farbmessung color CONTROL

Inline Verfahren zur Qualitätsüberwachung

+ =>Was sagt uns das Bild ?Lackierter Tankdeckel

Motivation für einen IR -Kamera Einsatz

Design / Optimierung von Werkzeugen Erstmuster/ Produktionsfreigabe Serienproduktion

Schwachstellen vorhandener Bauteile erkennen und ggf. Werkzeuge optimieren

Sollzustand dokumentierenFreigabe von Neuwerkzeugenoder Produktneuanlauf

Fehler erkennen und beseitigen im Rahmen einer 100% Kontrolle

mould CONTROL

Offline

Inline

Wärmebilder beim Spritzguss: Offline zu Inline

Blockschaltbild vom mould CONTROL

Sollwert(z.B. bei

Bauteilfreigabe)

Istwert(aktueller Schuss)

Abweichung zu der Referenz visuell dargestellt / Grundlage für Q-Gate

Inline Thermografie mit mould CONTROL

Nutzung vorhandener Hardware:� Entnahmesysteme bieten optimale

Möglichkeiten zur Positionierung voreiner Wärmebildkamera

� Kostengünstige und schnelle Einbindungin vorhandene Entnahmesysteme / Maschinensteuerung => Digital I/O

Voraussetzungen für exakte Messungen� Nur exakt eingehaltene Zeitfenster ermöglichen vergleichbare Messungen � Eine Positionierung ist notwendig (Korrektur per „best fit“ Algorithmus)

• Greifer-Gestaltung • Anfahren der Messposition(en) • Bauteil muss formstabil sein

mould CONTROL Rahmenbedingungen

Was kann das System:

Erkennung von:� unvollständige ausgespritzten Bauteilen� Prozessstörungen und deren Analyse� Temperaturabweichungen:

• in der Extrusion• des Werkzeuges• Temperaturabweichungen Kühlkreisläufe• zu geringem oder schwankendem

Nachdruck (über Entformungstemperatur)� Nicht visuell sichtbaren short-shots bei 2K Bauteilen

(eine Komponente fehlt <=> Temperaturdifferenz)� Wirkungsbereich von Kühlkreisläufen erkennen

mould CONTROL Rahmenbedingungen

Vorteile des Systems:

� 100% Kontrolle von jedem produzierten Bauteil in der Anlage� „360° Kontrolle über bis zu 6 Ansichten eines Bauteils� Kein Kontrastproblem bei schwarzen und dunkelgrauen Prüflingen� Werkzeuge präziser und schnelle anfahren => weniger Anfahrausschuss� Optimierte Werkzeugtemperatureinstellung => weniger Ausschuss, höher Qualität� Geplante Werkzeugwartung anstelle ungeplanter

Reparaturen => weniger Ausschuss� Fehlerkosten reduzieren

=> frühe Fehlererkennung spart Kosten� Potentiale für kürzere Zykluszeiten finden und

realisieren => höhere Produktivität

mould CONTROL Qualitätsüberwachung

28

Software Ansicht (nach Stillstand)

Anwendung „automotive Stecker“ auf Fakuma 2015 (Sumitom o Demag)

29

Software Ansicht (Normalbetrieb)

Quelle: SKZ

Inline Thermografie mit mould CONTROL

Anwendung „automotive Stecker“ auf Fakuma 2015 (Sumitom o Demag)

� Erkennung von visuell nicht sichtbarenshort-shots

� Ausschleusen defekter Bauteile

Referenz

Quelle: Versuchsreihe SKZ

Prozessüberwachung bei 2K Bauteilen

Berührungslose Wegsensoren

2D/3D MesstechnikOberflächeninspektion

Mess- und Prüfanlagen

Infrarot-Temperatur-Messtechnik Farbsensoren

BerührendeWegsensoren

Produktbereiche

Bedeutung der Farbe

Farbe steht für Unternehmens- und Produktidentität

Farbharmonie, Produkte aus verschiedenen Komponente n

Bedeutung der Farbe

Bedeutung der Farbe

Warum ist die Farbmessung wichtig?

� Unterschiedliches Farbempfinden(Alter, Geschlecht, Tagesform)

� Fehlende „Farbskala“(Beschreibung oder Kommunikation unmöglich)

� Kein Erinnerungsvermögen für Farben

� Farbenblindheit eines kleinen Teils der Bevölkerung(2 % männlich, 0,01 % weiblich)

Kontrolle des Farbsehens mit Isahara Tafeln

Farbempfindung / Farbwahrnehmung

Unterschied Frau und Mann

• Frauen haben zwei versetzte L-Zapfen-Empfindlichkeiten durch X-Chromosom→ höhere Farbempfindung

Grundlagen Farbwahrnehmung

Farbe weckt Empfindungen

Begriff Messung: Bewertung einer physikalischen Größe

Länge l in Meter [m]

Masse m in Kilogramm [kg]

Rauminhalt in Kubikdezimeter oder Liter [l = dm³]

Farbeindruck …?

Bedeutung der Farbe

Grundlagen Farbwahrnehmung

Licht: Elektromagnetische Strahlung von 380 bis 780 nm

Lichtquelle Beobachter

Objekt

ρ

α

τ

β

Farbmessung über die Reflexion von Licht

Reflexion ρ, Transmission τ und Absorption α, bei Körpern

ρ + α + τ = 1

β(λ) = Remissionsgrad R

Grundlagen Farbwahrnehmung

Einflussfaktor: Lichtart

Farbwahrnehmung

Alle sichtbaren Anteile in der Beleuchtung

Sehr hoher Rotanteil in der Beleuchtung

Die Beleuchtung lässt Farben verblassen

Tageslicht Glühlampe Leuchtstofflampe Kalt-weiße LED

Hoher Blauanteil in der Beleuchtung

Grundlagen Farbwahrnehmung

Beeinflussung durch Beleuchtung → Metamerie (Isaac Newton)

Einflussfaktor: Hintergrund (Kontrast)

Farbwahrnehmung

Physikalische Grundlagen

Normfarbraum CIEL*a*b*in EN ISO 11664-4 „Colorimetry - Part 4: CIE 1976 L*a*b* Color space“ genormt

Beschreibt alle wahrnehmbaren Farben durch den Farbort (L*; a*; b*)

� L* = Helligkeitsanteil (schwarz = 0; weiß = 100)

� a* = Grün- / Rotanteil (grün = -100; rot = +100)

� b* = Blau- / Gelbanteil (blau = -100; gelb = +100)

− Feste Position für jede Farbe

− Gleich große Farbbereiche

− Somit gleiche Farbabstände

Physikalische Grundlagen

Delta E; �E; dEMaß für den empfundenen Farbabstand zweier Farben (DIN 5033)

Interpretation:

�E > 5 andere Farbe

�E 0,5 … 1 entspricht menschlicher Wahrnehmungsgrenze

�E < 0,3 Forderung in der Papierindustrie

�E < 0,1 Forderung in der Automobilindustrie

Euklidischer Abstand zwischen den Farborten (�∗, ∗, ∗)� und (�∗, ∗, ∗) :

∆��, = (��∗ − �

∗ )�+(�∗ −

∗)�+(�∗ −

∗)�

Beispiel:

L* = 43 L* = 45 �L* = -2

a* = -4 a* = -2 �a* = -2

b* = -44 b* = -49 �b* = 5

Bezug Probe �E* = 5,74

Bezug

Probe

Messprinzip

DreibereichsverfahrenFarbfilter unterteilt empfangenes Lichtspektrum in drei Farbbereiche: kurz- (X), mittel- (Y) und langwellig (Z)

Vorteile� Große Detektorflächen

� Geringes Rauschen und hohe Messfrequenzen bis 30 kHz

� Preiswert

Nachteile� Nur eine Kombination aus Lichtart und Beobachter

� Unkalibriert (Abweichungen zu gleichen Sensortypen)

� Prüfgenauigkeit: �E > 0,5

X

Numerische WerteNormfarbwerte X, Y, Z

�(�) Sensor

�(�) Sensor

�(�) Sensor

X

Y

Z

Mess-empfänger

Rechner

Objekt

Beleuchtung

Wellenlänge (nm)

Augenempfindlichkeitskurven / Spektralwertfunktione n

Messprinzip

SpektralwertverfahrenSpektrometer zerlegt Licht in 256 Farbbereiche, aus denen Farbwerte präzise berechnet werden

Vorteile

� Vollständige Abdeckung des Farbraums

� Jede Kombination von Lichtart und Beobachter

� Unterscheidung metamerer (bedingt gleicher) Farben

� Absolute Messgenauigkeit: �E < 0,08

Nachteile

� Lichtschwach durch Eintrittsspalt (kleiner 100 µm)

� Geringere Messrate (kleiner 2.000 Hz)

X

Numerische WerteNormfarbwerte X, Y, Z

Spektral-kurve

Mess-empfänger

Rechner

Objekt

Beleuchtung

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

350 450 550 650 750

Reflexionsspektrum

Industrielle Farbsensoren

Präzise Farbsensoren für industrielle Messaufgaben

color SENSOR CFO100

� Hohe Genauigkeit ∆E ≤ 0,5

� Präzise und schnelle Messungen auch auf schwach reflektierenden Oberflächen

� Intuitive Bedienung und Konfiguration über Tasten

� Kundenspezifische Lichtleiter bereits ab 1 Stück

Neuheit

Betriebsarten color SENSOR LT (Lichtleitersensoren)

Produktserien

Reflexlicht-Betrieb (Taster) Durchlicht-Betrieb (Schranke) Durchlicht-Betrieb (V-Anordnung)für spiegelnde und glänzende

Oberflächen

Hochauflösende Farbsensoren

Inline-Farbmesssystem für industrielle Messaufgaben

color CONTROL ACS7000

� Inline-Farbmessung: 25 Hz - 2000 Hz

� Berührungsloses Messen

� Messgenauigkeit ∆E ≤ 0,08

� Ethernet/EtherCAT, RS422, Digital I/O

� Webbrowser-Bedienung

� Sensoren für gekrümmte, spiegelnde und transparente Messobjekte

Winkelsensor für color CONTROL ACS7000 FCS-T-ACS1

� Messgeometrie: 30°/0°; 45°/0° nach DIN 5033

� Messabstand: 50 ±2,0 mm; 38 ±1,0 mm

� Messfleckdurchmesser: 9 mm

Produktserien

diffus

Ringsensor für color CONTROL ACS7000 FCS-T-ACS2

� Zur Messung von strukturierten, hochreflektierenden und metallisch glänzenden Oberflächen

� Messfleckdurchmesser: 3x2 mm, 5 mm, 9 mm

� Messabstand: 28 ±1,0 mm

Produktserien

diffus

Rundum-beleuchtung minimiert

Struktureinfluss der Oberfläche!

Transmissionssensor für color CONTROL ACS 7000 FCS-T-ACS3-TT + ACS3-TR

� Transmissionssensor bestehend aus Sender (TT) und Empfänger (TR)

� Sender / Beleuchtung FCS-T-ACS3-TT15-200-1200

� Abstand Sender-Empfänger bis 400 mm

� Empfänger FCS-T-ACS3-TRx-200-1200

� TR5: Messbereich 100 mm; Messfleck 5 mm

� TR9: Messbereich 200 mm; Messfleck 9 mm

Einsatzgebiet: Glas, Folien (Yellow Index), Trübung von Flüssigkeiten

Produktserien

Anwendungen

Galvanik-Beschichtungen

LEDs

Displays

Kabelisolierungen

Farbmarken

Farbcodes

Kosmetika

Kunststoffe

Blut

Zahnersatz

LEDs/Anzeigen

Lacke

Druckfarben Textilien

Edelsteine/Schmuck

Etiketten

Schläuche

Glas

Verpackungen

Papier Banknoten

Granulate

Flüssigkeiten

Recycling

MöbelTabletten

PET-Flaschen

Medikamentendosen

Spielzeug

Getränkefarben

Lebensmittel

Metalle

KFZ

Anwendungen

Farbvergleich zwischen KFZ-Anbauteilen (Parksensor und Karosserie)

� Messobjekt: lackierte, glänzende, gekrümmte Oberfläche

� Abstand der KL-D-40 Fokusoptiken zum Messobjekt: 20 ±5 mm

� Messgenauigkeit: �E ≥ 0,8

� Betriebstemperatur: -10 ... +55 °C

� Gesamtes Farbspektrum der KFZ-Industrie

Anwendungen

Farb-Homogenitätsmessung an LED-Panel (RGB)

� Konstanter Messabstand: 20 mm

� Messgenauigkeit: �E < 0,1(Unterschied von �E = 0,5 mit dem Auge kaum erkennbar)

� Berührungslose Farbmessung

� SPS-Anbindung über Ethernet-Schnittstelle und Digitale I/Os

Anwendungen

Messung der Metallbandfarbe in der Produktion

� Schnelle Online-Messung in der Produktionslinie

� Berührungslose Farbmessung

� Messgenauigkeit: �E < 0,1

� Einfache Bedienbarkeit

� SPS-Anbindung über die Ethernet-Schnittstelle

Anwendungen

Inline-Farbmessung von transparenten Folien

� Messbereich zwischen Empfänger und Target: 10 … 130 mm

� Messgenauigkeit: �E < 0,1

� Berührungslose Farbmessung traversierend

� Bandbreite: 1 … 5 m

� SPS-Anbindung über Ethernet-Schnittstelle

Quelle: Universität Duisburg-Essen Institut für Produkt Engineering Konstruktion und Kunststoffmaschinen

Anwendungen

Inline-Farbmessung von Kunststoffteilen nach Entformung

� Farbmessung bei 60 … 80 °C

� Zur Farbbewertung für Raumtemperatur (23 °C)

� Messgenauigkeit: �E < 0,1

� Oberfläche von hoch glänzend bis stark strukturiert

� Kombiniert mit Temperaturmessung

Anwendungen

Thermochromie Verhalten von Kunststoff abhängig:

� Kunststoff

� Den Farbpigmenten

� Oberflächenstruktur

� Materialdicke / Größe

Anwendungen

Thermochromie Verhalten von Kunststoff abhängig:

� Kunststoff

� Den Farbpigmenten

� Oberflächenstruktur

� Materialdicke / Größe

Flugzeugbau

100% Prüfung von Nietlochdurchmessern • Optischer Bohrlochsensor zur berührungslosen und automatisierten Messung

Oberflächeninspektion

Defekterkennung für glänzende und matte Oberflächen� Automatische Detektion, Lokalisierung und Klassifizierung von Defekten

Consumer Electronics

Inline Qualitätssicherung in Montage- und Fertigungs prozessen� Kleinster Messfleck zur hochauflösenden Erfassung von Geometriedetails

mit konfokal-chromatischen Sensoren

Referenzen

Fragen ?

Zusammenfassung

� Optimierte Produktionsprozesse erfordern eine Qualitätsüberwachung � Fehler die zu spät erkannt werden, können gravierende Störungen und

Kosten verursachen

� Inline Verfahren zur Qualitätsüberwachung gewinnen immer weiter anBedeutung

� MICRO-ESPILON bietet Präzise Optische Messsensoren • Weg- / Abstand• 2D/3D Dimension• Temperatur• Farbe• Oberfläche

Mehr Präzision