Durch die Linse geschaut

Fertigungsautomation

Maschinen/Anlagen - LED-Leuchten sind bei Autoscheinwerfern auf dem Vormarsch. Um einen möglichst optimalen Lichtstrahl zu erhalten, muss das Licht der LEDs von vorgesetzten Linsen gebündelt werden. Ein Hersteller solcher Linsen wollte deren bislang manuelle Prüfung beschleunigen. Ingenieure der Heitec AG, Erlangen, haben dies mit einer roboterbasierten Prüfzelle geschafft.

28. März 2013

Für den Hype bei LED-Leuchten in Autoscheinwerfern gibt es viele gute Gründe: Sie halten mit gut 50.000 Betriebsstunden fast ein Autoleben lang. Ihre Leistungen sind der von Xenon-Scheinwerfern vergleichbar, jedoch blenden sie nicht und sie sind überaus robust. Am Design der LED-Scheinwerfer sieht man schon von weitem, welche Automarke einem da entgegenkommt. Da LEDs in der Regel aus einer Kombination aus roter, blauer und grüner Leuchtdiode bestehen, kann zum Beispiel der weiße Taglichtscheinwerfer dann etwa rot blinken. Und rein theoretisch sollten sich LEDs so schalten lassen, dass für das adaptive Kurvenlicht keine mechanischen, reparaturanfälligen Teile mehr nötig sind.

In ihrem Aufbau reichen bei konventionellen Autoscheinwerfern ein Reflektor und eine ganz normale Abdeckung. LEDs brauchen, da sie gerichtetes Licht aussenden, keinen Reflektor, aber dafür ihre eigene Optik. Vorgesetzte Linsen bündeln das Licht der LEDs um einen möglichst optimalen Lichtstrahl zu erhalten. Solche Linsen werden aus Kunststoff spritzgegossen, ihre visuelle Qualitätsprüfung oblag bislang menschlichen Mitarbeitern. Weil das relativ viel Zeit brauchte, sollte die Prüfung durch den Einsatz von Robotern beschleunigt und besser in den Takt der Spritzgussanlage eingepasst werden.

Schneller prüfen

Fünf Minuten beträgt die Prozesszeit zur Herstellung von acht Linsen in einer Spritzgussmaschine. Dann wird der Spritzbaum mit den Linsen aus der Maschine genommen, in ein Kühlkarussell gelegt und auf Schlitten zur Säge transportiert. Dort werden die Linsen abgetrennt und mit dem Schlitten weiter zur Reinigung gebracht. Anschließend folgt die (nun automatisierte) Prüfung.

Gemäß Kundenvorgabe müssen Fehler ab einer Größe von 50 Mikrometer sicher erkannt werden. »Es wären aber auch Fehler ab fünfundzwanzig Mikrometer erkennbar«, erklärt Benjamin Hinrichs, Entwicklungsingenieur bei Heitec. Eine weitere Vorgabe des Kunden war, dass für die automatisierte Prüfung und für das Handling der Linsen jeweils nur 8,5 Sekunden zur Verfügung standen. Das alles ruft geradezu nach Robotereinsatz.

Störende Schwingungen beherrschen

Erschwerend für jede präzise Prüfung ist, dass die Spritzgussmaschinen den Boden zum Schwingen bringen. Dazu kommt, dass das Anfahren und Bremsen den Roboter zusätzlich in Schwingungen versetzt. »Deshalb mussten wir mit einer sehr kurzen Belichtungszeit der Kamera von maximal einer Millisekunde auskommen und brauchten dazu eine große Tiefenschärfe«, so Hinrichs. Um das zu ermöglichen, entwickelte das Team bei Heitec eine sehr helle Lampe mit Weißlicht-LEDs und einer zehn Zentimeter breiten Linienbeleuchtung – das bedeutet paralleles Licht mit einer Leuchtdichte von 270 Lumen.

Die Prüfung der Linsen erfolgt im ersten Schritt auf einer Linearachse in Durchlicht mit einer Zeilenkamera. Beim Messverfahren im zweiten Schritt hatte man sich für die Dunkelfeldbeleuchtung entschieden, in der Fehler im Material das Licht in die Kamera ablenken. Ist die Beleuchtung so passend aufgestellt, dass das direkte Licht am Objektiv der Kamera vorbeigeht, dann sieht man nur das abgelenkte Licht. Wie Staubkörner in einem dunklen Raum bei Lichteinfall quasi leuchten, genauso werden Fehler in den Linsen sichtbar, da sie das Licht streuen. Der Vorteil: Vor einem solch dunklen Bildhintergrund heben sich die möglichen Fehler hell und gut erkennbar ab. So können auch von den durchsichtigen Linsen kontrastreiche Bilder gemacht werden, ohne zusätzliche Hilfsmittel einsetzen zu müssen.

Qualitätsnorm erweitern

Die Fehlerklassifizierung erfolgte nach der Qualitätsnorm DIN 10110-3, einer Prüfnorm für Glaslinsen, die dafür um einige Kriterien ergänzt werden musste, damit auch kunststofftypische Fehler, wie etwa Milchigkeit oder Doppelbrechung, einbezogen sind. Das Dunkelfeldbild liefert so bei einer Linse ohne Schleier ein schwarzes Bild, bei milchiger Linse ist es grau. Weitere im Spritzgussprozess kunststoffspezifische Fehler sind Fließfehler, die aber nach DIN geprüft werden können. Diese Fließfehler machen sich als Strich bemerkbar und sind nur aus bestimmten Winkeln sichtbar, weshalb aus unterschiedlichen Positionen passende Messbilder gemacht werden mussten.

»Für die Prüfung greift sich der Roboter die etwa fünf Zentimeter große Linse seitlich mit einem Sauggreifer und hält sie während des gesamten Prüfprozesses. Die für die Prüfung der Linse nötigen Aufnahmen und die entsprechenden Positionen wurden von dem Roboter abgefahren«, berichtet Benjamin Hinrichs. Mit dem Robotereinsatz schafft man jetzt in kurzen 17 Sekunden das Handling der Linsen und ihre Prüfung mit 18 bis 35 Bildern aus unterschiedlichen Positionen. Die flexible Anlage ist in 30 Minuten auf drei weitere Linsentypen umrüstbar.

HMI: Halle 7, Stand E40

Erschienen in Ausgabe: 02/2013