Die Schweizer Leuthold Mechanik AG (HLM) baut Anlagen zur Herstellung von Aluminiumbehältern, die u.a. zur Verpackung von Tiernahrung und Lebensmitteln verwendet werden. Kernelement der Qualitätssicherung ist dabei Bildverarbeitung.

Unablässig 120 Mal pro Minute hebt und senkt sich im Dreischichtbetrieb der Stößel der Presse im Kompetenz-Center der HLM und spuckt nach jedem Hub vier fertige Pet-Food-Behälter aus. Eine solche Anlage produziert somit pro Minute 480 hochwertige Behälter aus Aluminium, in welche später Tiernahrung abgefüllt wird.

Für die Verwendung von Aluminium als Material für solche Behälter gibt es mehrere Gründe: Zum einen ist dieses Material gasdicht, wodurch sich der Inhalt viel länger lagern lässt. Zudem kann Aluminium recycelt werden und ist dadurch nachhaltiger als Plastik, das nicht gasdicht ist und durch den Zusatz von Weichmachern zudem gesundheitlich auch nicht als unbedenklich eingestuft werden kann. Die Aluminiumdosen sind zusätzlich beschichtet, sodass die Lebensmittel keinen direkten Kontakt mit dem Metall haben.

Die Anlagen von HLM produzieren jedoch nicht nur Behälter für Tiernahrung, sondern verschiedenste Formen von Aluminiumschalen für die Aufnahme unter anderem von Konfitüren, Pasteten oder Kaffeepulver.  Auch für gänzlich andere Substanzen wie z.B. Brennpasten oder Verpackungen für medizinische Produkte wie Inhalatoren hat das Unternehmen bereits Anlagen entwickelt.

Eingesetzt werden solche Anlagen nur zu einem sehr kleinen Teil in der eigenen Fertigungshalle von HLM in Einsiedeln und dies mehrheitlich zu Testzwecken und zur Weiterentwicklung der Anlagen. Der deutlich größere Anteil steht weltweit bei Kunden des Unternehmens.

Voraussetzung für das Stanzen von dünnwandigen Behältern, deren Abmessungen zwischen 60 bis 120 mm in der Breite sowie zwischen 60 bis 200 mm in der Länge variieren können, ist qualitativ hochwertiges Aluminiumfolienmaterial. Die fertig gestanzten Behälter werden Inline zu den modular eingebauten Kontroll- und Stapleranlagen weitertransportiert.

Hat sich ein Kunde für HLM als Maschinenlieferant entschieden, so schickt er in einem ersten Schritt einige Ideen, Skizzen und/oder 3D-Modelle von seinem gewünschten Aluminiumbehälter an die Maschinenbauer. Auf dieser Basis entwickeln diese dann die gesamte Anlage vom Design des Behälters bzw. der Kapsel über das Werkzeug und Prüfmodul bis hin zur Stapeleinheit oder passen unsere Standardanlagen an die Kundenwünsche an.

Bildverarbeitung als Kernelement

Nachdem die Behälter in der Presse in einem einzigen Hub in die fertige Form gebracht wurden, werden sie ausgeblasen und Inline über Transportriemen und mechanische Bahnen zu den Modulen transportiert, in denen die Qualitätskontrolle erfolgt. Aluminium ist als Basismaterial relativ teuer, daher sollen die Behälter möglichst dünnwandig sein, um die Kosten gering zu halten. Andererseits steigt mit abnehmender Materialstärke die Gefahr, dass während des Umformvorgangs aufgrund von Einschlüssen im Rohmaterial oder wegen zu hoher Spannungen bei der Umformung Löcher entstehen, die den Behälter undicht und somit unbrauchbar machen. Daher muss jeder fehlerhafte Behälter erkannt und aussortiert werden, da ansonsten zum Beispiel bei Tiernahrung oder generell bei Lebensmitteln die Gefahr besteht, dass der Inhalt verdirbt.

Aufgrund der hohen Fertigungsgeschwindigkeiten und der benötigten 100%-Kontrolle kommt als Werkzeug zur Qualitätsprüfung die Bildverarbeitung in Frage. HLM nutzt diese Technologie bereits seit über 20 Jahren und hat damit gute Erfahrungen gemacht. Es gibt keine Anlage mehr, in der Bildverarbeitung nicht als zentrales Element der Prüfstationen eingesetzt wird.

Umstellung auf Embedded PC-Systeme

Bei der neuesten Anlagengeneration setzt das Schweizer Unternehmen auf ein Embedded PC-Bildverarbeitungssystem. Für diese Entscheidung sprachen gleich mehrere Vorteile: Bei der bisherigen Architektur mit intelligenten Kameras musste erst ein PC an die Anlage angeschlossen werden, um Fehlerbilder anzuzeigen oder statistische Auswertungen vorzunehmen. Nur so konnte zum Beispiel überprüft werden, ob auf einer der Linien mehr Fehler entstanden oder ob ein bestimmter Fehlertyp häufiger auftrat. Solche Tendenzen kann der Bediener jetzt über einen Monitor direkt an der Anlage viel einfacher und schneller erkennen und die Fehlerquellen somit in kürzerer Zeit gezielt ausschalten.

Realisiert ist diese Möglichkeit über einen Ringbuffer, der im Embedded-System die jeweils letzten 20 Fehlerbilder speichert und auf Abruf anzeigt. Neben aktuellen Ergebnisbildern kann sich der Anwender dort zudem Statistiken über Fehlerarten und deren Häufigkeit, die Verteilung von Ausschuss auf die verschiedenen Bahnen sowie Bilder von fehlerhaften Behältern sehr einfach direkt am Anlagenbildschirm ansehen. Dies trägt wesentlich zu einer schnelleren Behebung von Fehlern durch geeignete mechanische Anpassungen an der Anlage bei.

Ein weiterer Vorzug des neuen Embedded-Bildverarbeitungssystems gegenüber den bisherigen intelligenten Kameras ist die bessere Anbindung an die MES-Systeme (Manufacturing Execution System) der Anwender: Dies ermöglicht eine optimierte Kontrolle der Produktion und deutliche Vorteile bei der Datenerfassung.

Aus wirtschaftlicher Sicht lagen die Kosten für die früheren intelligenten Kamerasysteme etwa auf dem gleichen Niveau wie die des Embedded PC-Systems der neuen Anlagengeneration, doch die zusätzlichen Vorteile gaben nun den Ausschlag für die Entscheidung hin zur Embedded PC-basierten Lösung.

Bildverarbeitungswissen vom Experten

Eigene Bildverarbeitungsspezialisten beschäftigt HLM nicht. „Wir setzen diese Technologie zwar schon seit rund 20 Jahren ein und haben daher auch Einiges an Erfahrung zu diesem Thema gesammelt, aber wir vertrauen hier schon seit vielen Jahren unserem Partner Stemmer Imaging“, erläutert Mathias Leuthold, der im Familienunternehmen für die Leitung des Werkzeug- und Maschinenbaus verantwortlich ist.

Dies gilt nach seiner Aussage besonders auch für die kürzlich erfolgte Umstellung auf Embedded PC-basierte Systeme, wo sich die Schweizer Niederlassung von Stemmer Imaging vor allem um die optimale Auswahl aller Bildverarbeitungskomponenten kümmerte.

HLM hat diese Auswahl geprüft und dann der Beschaffung und Installation zugestimmt. Die Puchheimer Bildverarbeitungsexperten haben dann alle Komponenten bereits vorkonfiguriert und getestet geliefert, was den Aufwand bei der Realisierung der Anlage deutlich reduziert hat.

Zum Einsatz kommt in der neuen Anlagengeneration pro Linie eine Kamera Genie Nano von Teledyne Dalsa, die über Lichtschranken getriggert wird. Ausgestattet mit einer passenden Optik von Lensation sind diese Kameras unterhalb der Transportbahnen angeordnet.

Die ebenfalls per Lichtschranke getriggerten LED-Beleuchtungen wurden speziell für die vorliegenden Anforderungen entwickelt und sind oberhalb der Prüfstationen in die Anlagen integriert, so dass die Behälter im Durchlichtverfahren inspiziert werden können. „Für diesen Einsatzfall waren eine bestimmte Größe und ein festgelegter Beleuchtungswinkel erforderlich. Es gibt keine Standardbeleuchtung, die diese Anforderungen erfüllt, daher haben wir in diesem Fall eine kundenspezifische Beleuchtung für Leuthold Mechanik entwickelt“, begründet Claudio Sager, Geschäftsführer der Schweizer Niederlassung von Stemmer Imaging, diesen Schritt.

Der Embedded PC, der die Auswertung aller Bilder der vier Linien übernimmt und darüber hinaus über den so genannten Real Time Manager für die Steuerung der Anlage sorgt, ist eine Sonderanfertigung des Schweizer Elektronikherstellers Worx. Er hat Einiges an Rechenleistung zu bewältigen: Bei dieser Anlage muss er pro Minute und Bahn 120 Bilder auswerten und die Ergebnisse innerhalb kürzester Zeit an die Ausschleusestationen weitergeben, damit fehlerhafte Behälter sofort aussortiert werden können. Die Auswertung der Bilder erfolgt dabei über die Bildverarbeitungssoftware Common Vision Blox (CVB) von Stemmer Imaging.

„Auch bei dieser zentralen Komponente war das Applikations-Know-how von Stemmer Imaging entscheidend, um die passende Lösung für uns zu finden“, lobt Mathias Leuthold die Zusammenarbeit mit seinem Bildverarbeitungspartner. Wichtig war dabei nach seinen Worten auch die gute Kooperation mit Worx, wo die Einrichtung der Software und die Programmierung des Embedded PC exakt nach den Vorgaben von Leuthold Mechanik erfolgte.