Um ein wirklich prozessnahes Bildverarbeitungs-System in der Photovoltaik-Produktion zu entwickeln, müssen Faktoren wie Bauraumnutzung, Datenintegration und Bedienung sehr frühzeitig abgestimmt werden. Der Lohn dafür ist ein an die individuellen Bedürfnisse angepasstes System, das neben prozesstechnischen Vorteilen auch synergetische Effekte mit sich bringt. Dazu setzt der Automatisierer Eckelmann auf Bildverarbeitungs-Produkte von Stemmer Imaging.

In verschiedenen Anwendungen der Photovoltaik-Produktion setzt das Wiesbadener Unternehmen Eckelmann bereits Bildverarbeitungs-Systeme ein, beispielsweise in Anlagen zur Laserkantenisolation, zur Waferklassifikation oder zur Inspektion von Solarmodulen. Die Gemeinsamkeit aller Anwendungen liegt dabei nach Aussage von Dr. Johannes Stelter, Leiter des Geschäftsbereichs Intralogistik & Bildverarbeitung von Eckelmann, in der Integrationstiefe und den daraus entstehenden technischen und wirtschaftlichen Vorteilen. Zu den wiederkehrenden Aufgaben der industriellen Bildverarbeitung in der Photovoltaik gehören nach Stelters Erfahrungen das Positionieren, die exakte Messung geometrischer Eigenschaften wie z.B. Kanten- und Fasenlängen von quadratischen und pseudoquadratischen Wafern sowie die Identifikation von Materialfehlern wie z.B. Microcracks oder Chips.

Schnelle und genaue Laserkantenisolation
Eine solche Anlage zur Laserkantenisolation hat Eckelmann für die Asys Unternehmensgruppe entwickelt. Asys ist ein Hersteller von Handling-, Prozess- und Sondermaschinen für die Elektronik- und Solarindustrie. Am Beispiel der Asys-Anlage erläutert Dr. Stelter die Vorzüge, die sich aus einer durchdachten Konstruktion ergeben. Die Laserkantenisolation dient zur elektrischen Trennung der aktiven Frontseite einer Solarzelle von der Rückseite. Dazu wird mit einem Laser entlang der Zellenkanten ein feiner Graben gebrannt, dessen Tiefe von der Dotierung der Zelle abhängig ist. Anspruchsvoll ist dabei, den Graben möglichst weit an die Außenkontur der Zelle zu positionieren, um die aktive Fläche und damit den Wirkungsgrad zu maximieren.

Eckelmann hat für diese Aufgabenstellung ein Zeilenkamera-basiertes Bildverarbeitungs-System entwickelt, das in der Lage ist, die Außenkonturen einer Solarzelle hoch genau zu vermessen und die Konturdaten an die Steuereinheit eines angeschlossenen spiegelabgelenkten Lasers zu übergeben. Kantenbeschädigungen werden dabei erfasst und, sofern die Beschädigung tolerabel ist, vom Laser umfahren.

Die Kalibrierung und Einmessung von Laser und Kamera wurde dabei ebenfalls automatisiert. Sowohl die individuelle Charakteristik der Laser-Ablenkeinheit als auch die inneren und äußeren Kamera-Parameter werden ermittelt. Das System errechnet aus diesen Daten ein sogenanntes Kompensationskennfeld, das zur Fehlerkorrektur in der Ansteuerung der Laser-Ablenkeinheit herangezogen wird. Eine aufwendiges Einmessen des Kamera- und Laserkoordinatensystems ist somit nicht erforderlich. „Das System kann daher sehr einfach in Betrieb genommen oder nach Wartungsarbeiten rekalibriert werden", beschreibt Dr. Stelter als weiteren Vorzug des Systems.

Auch Fehlerzustände im Transportsystem der Maschine können mit Hilfe des Bildverarbeitungs-Systems diagnostiziert werden. Entsprechende Gegenmaßnahmen lassen sich so im Fehlerfall schnell und zielgerichtet einleiten.

Entscheidende Komponenten-Auswahl
Um die für die jeweilige Aufgabe optimalen Bildverarbeitungs-Komponenten auszuwählen, arbeitet Eckelmann mit dem Puchheimer Unternehmen Stemmer Imaging zusammen. „In der Vergangenheit haben wir mit Stemmer Imaging gute Erfahrungen gesammelt, da uns die dortigen Bildverarbeitungs-Spezialisten durch ihre große Auswahl an Komponenten sowie ihren Service überzeugt haben", beschreibt Dr. Stelter die Kooperation. „Auch im Falle des Systems zur Kantenisolation unterstützte uns Stemmer durch intensive Machbarkeitsstudien und gab uns wertvolle Empfehlungen für die Bildverarbeitungs-Komponenten, die sich für diese Anwendung als geeignet erwiesen haben."

So wurde eine Steuerung für die Laserkantenisolation beispielsweise mit einer Zeilenkamera mit 4.096 Pixeln des kanadischen Herstellers Dalsa und einer passenden Optik von Zeiss sowie einer individuellen LED-Beleuchtung realisiert. Die Bildauswertung erfolgt im Kontext der Maschinensteuerung und ist damit vollständig in die Infrastruktur der Maschine integriert. „Unser Schwerpunkt ist zweifelsohne die prozessintegrierte Bildverarbeitung", erklärt Dr. Stelter: „Wir übernehmen als Systemintegrator nicht nur die Verantwortung für unsere Lieferumfänge, sondern tragen auch eine Mitverantwortung für den gesamten Bearbeitungs- oder Fertigungsprozess, der sich auf unser System stützt. Hierzu bringen wir die notwendigen Kompetenzen und Erfahrungen mit, denn wir entwickeln seit fast 40 Jahren Automatisierungslösungen und verfügen in vielen Bereichen über tiefgehendes Branchen-Know-how."

Enge Kooperation
Um komplexe Maschinen mit integriertem Bildverarbeitungs-System realisieren zu können ist eine enge Kooperation zwischen Maschinenbauer und dem Integrator der Bildverarbeitungs-Lösung erforderlich. „Wir sind auf das Know-how des Kunden angewiesen, der sein Wissen um den Herstellungsprozess und die Materialeigenschaften mit uns teilt", so Dr. Stelter. Ein grundlegendes Verständnis der zu klassifizierenden Eigenschaften und/oder der zu messenden Größen ist dabei nach seinen Worten die Basis für die Auswahl der richtigen Bildverarbeitungs-Komponenten. Und die richtigen Komponenten vereinfachen die zur adäquaten Interpretation der Pixelinformationen notwendigen Software-Algorithmen.