Das lückenlose, umfassende Prüfen von Bauteilen ist ein Ideal, das sich gerade bei kurzen Zykluszeiten und hohen Stückzahlen nur schwer umsetzen lässt. Zwei Anwendungen von automatischen Röntgeninspektionssystemen in der Automobil­zulieferindustrie schaffen genau dies: eine 100-Prozent-Kontrolle innerhalb der Fertigungslinie.

In der zerstörungsfreien Werkstoff­prüfung (ZfP) kommt die Röntgentechnologie schon seit jeher zum Einsatz. Anders als durch optische Verfahren lassen sich damit auch innenliegende Defekte, wie Poren, Einschlüsse oder Geometrien, prüfen. Seit der Digitalisierungswelle um die Jahrtausendwende werden hierfür anstelle von analogem Film digitale Detektoren verwendet. Damit liegen die Daten in Echtzeit vor und können maschinell ausgewertet werden. Besonders im Automobilbereich mit seinen hohen Stückzahlen ist dies hochrelevant. Als Gründungsmitglied des „Arbeitskreises ZfP 4.0“ der DGzfP ist das mittelständische Familienunternehmen Visiconsult X-ray Systems & Solutions, ein Hersteller von Röntgensystemen aus Norddeutschland, maßgeblich an der Standardisierung von Schnittstellen und Standards beteiligt. Nur so ist es möglich, auch die Prüftechnik nahtlos in Industrie-4.0-Umgebungen zu implementieren. Einen besonderen Fokus legt der Arbeitskreis hierbei auf drei Bereiche: Traceability und Prozesssicherheit durch Bauteilidentifizierung, offline Programmierung an digitalen Zwillingen, um Anlagenstillstände zu minimieren, und Kostensenken durch moderne Industrieroboter.

Röntgentechnik in die Produktionslinie integriert

Eine Anwendung von Visioconsult in diesem Zusammenhang dreht sich um die Prüfung von Aluminiumgussteilen in der Automobilindustrie. Diese kommen aus Gewichtsgründen zunehmend anstelle von Stahlteilen seit Jahren mit stetig steigenden Anteilen zum Einsatz. Denn weniger Gewicht bedeutet weniger Kraftstoffverbrauch und somit Schadstoffausstoß. Der Nachteil von Aluminium gegenüber Stahl: Jener ist deutlich anfälliger für Produktionsmängel. Um diese ausschließen zu können, fordern Fahrzeughersteller von ihren Zulieferern eine umfangreiche Röntgenprüfung für Aluminiumgussteile. Als Partner der Automobilindustrie gehört Visiconsult inzwischen zu den weltweit führenden Anbietern von hochkomplexen, automatisierten Inspektionssystemen, die sich lückenlos in die Produktionsstraßen der Zulieferer integrieren lassen. Als Vorzeige­beispiel dient hier das Röntgeninspektionssystem XRH-Robotstar, die mit Zulieferern und einem renommierten deutschen Automobilhersteller entwickelt wurde und mittlerweile mehrere Installationen weltweit vorweisen kann. „Das Grundprinzip der XRH-Robotstar ist hierbei immer gleich, allerdings ist jede Installation ein Unikat mit kundenspezifischen Schnittstellen und Förderkonzepten“ betont Lennart Schulenburg, kommerzieller Leiter bei Visiconsult. Besonders in produzierenden Branchen mit hohen Stückzahlen, wie eben in der Automobilindustrie, kann eine hundertprozentige Röntgeninspektion einen bedeutsamen Engpass im Produktionsablauf verursachen. Das System wurde daher auf maximalen Durchsatz optimiert.
Das Grundprinzip ist, dass ein außenstehender Beladeroboter die ankommenden Bauteile von der Förderanlage aufnimmt und die geprüften Bauteile auf ein IO- oder NIO-Band legt, während im Inneren ein Roboter mit Röntgengerät im C-Arm die Bauteile gemäß vorprogrammierten Testpositionen untersucht. Diese Konstruktion ermöglicht eine schnelle Inspektion mit vielen Freiheitsgraden. Da die Beladevorgänge und die Prüfprozesse parallel ablaufen, hängt die Durchlaufzeit ausschließlich von der Zahl der Testpositionen des Bauteils ab. Während dieses bei der Inspektion fixiert ist, fährt der Roboter mit dem Röntgen­detektor bis zu zwölf Positionen ab, um eine hundertprozentige Prüfung sicherzustellen. In jeder Position reichen 1,5 s, um das jeweilige Röntgenbild zu erstellen. In diesem konkreten Beispiel ergibt sich daraus eine Zykluszeit von unter 16 s inklusive Handling. Dies ist eine enorme Einsparung im Vergleich zu mehreren Minuten bei der händischen Prüfung. Das Kosten­einsparungspotenzial ist enorm. „Nur durch Systeme mit hohem Automatisierungsgrad ist es unseren Kunden möglich, wettbewerbsfähig in Deutschland zu produzieren. Die hohen Personalkosten im Qualitätssicherungsbereich waren im Vergleich zu Zulieferern aus Niedriglohnländern nicht haltbar. So trägt Automatisierung zum Arbeitsplatzerhalt und zur Standortsicherung bei“ sagt Schulenburg dazu.

Automatische Auswertung mittels KI

Die Entscheidung, ob ein Bauteil in Ordnung oder nicht in Ordnung ist, trifft die Prüfsoftware auf der Grundlage einer automatischen Bildauswertung und Fehlererkennung selbstständig. Durch künstliche Intelligenz ist die Software lernfähig: Je mehr Röntgenbilder sie im Laufe der Zeit analysiert, desto präziser fällt ihre Beurteilung hinsichtlich der Fehlertoleranzen aus. „Bei Aluminiumgussteilen können zwei Formen von Mängeln auftreten“, erklärt Schulenburg. „Wenn beim Gießprozess Blasen im Material entstanden sind, wird diese Porosität auf dem Röntgenbild durch geringere Grauwerte sichtbar. Höhere Grauwerte deuten hingegen auf den Einschluss von Fremdmaterialien hin, was das Bauteil ebenfalls unbrauchbar macht.“ Die entstandenen Aufnahmen analysiert die Visiconsult-ADR-Software (ADR: Automated Defect Recognition) automatisch auf kritische Produktionsfehler oder entsprechend vom Kunden definierte Kriterien hin. Bei einer Mischproduktion kann das System zudem unterschiedliche Sequenzen für jeden Bauteiltyp anwenden. Unterschieden werden diese durch einen Datamatrix-Code (DMC). Dieser kommt auch zum Einsatz, um die Prüfdaten im kundeneigenen MES oder ERP-System zu archivieren. Im Zuge der Anlagenkonzeption unterstützt das Applikationsteam von Visic­onsult bei der Umsetzung der Prüfanforderungen des Anwenders und führt Trajektorien-Optimierungen durch, um die Zykluszeit so weit wie möglich zu verringern.

100-Prozent-Prüfung mit CT

Eine Sonderform der Röntgenprüfung ist die Computertomographie (CT), die verwendet wird, um Bauteile dreidimensional zu rekonstruieren. Somit ist es möglich, volumetrische Defekte zu finden und dreidimensional zu vermessen. Die Technologie wurde in der Vergangenheit aufgrund der langen Scanzeiten hauptsächlich im Laborbereich verwendet. Aufgrund von schnelleren Hochleistungscomputern und besseren Algorithmen hält die Technologie allerdings vermehrt Einzug in die Produktionslinie, für eine hundertprozentige CT-Prüfung von Bauteilen.

In-Line CT ermöglicht sichere E-Mobilität

Visiconsult, als Anbieter von Röntgenlösungen, konnte jüngst bereits mehrere vollautomatische In-Line-CT-Systeme bei renommierten Zulieferern installieren, unter anderem für die Prüfung von Kurzschlussringen.
Visiconsults Kooperationspartner im Bereich Elektromobilität ist Breuckmann Emobility, ein Tochterunternehmen von Breuckmann, und bietet gegossene Rotoren für Elektromotoren an. In einem Rotor befindet sich zwischen den Kurzschlussringen ein Blechpaket, das durch Aluminium mit den Ringen verbunden wird. Die Herausforderungen beim Gießen der Kurzschlussringe sind unter anderem, dass das Aluminium beim Erreichen der Endseite des Blech­paketes noch ausreichend flüssig sein muss. Wird dies nicht erreicht, bilden sich Hohlräume, die je nach Größe tolerierbar sind oder zum Ausschuss des Rotors führen. Während kleine Hohlräume unbedenkliche Diskontinuitäten im Material sind, führen große Hohlräume zur Verringerung der Festigkeit des Kurzschlussringes. Damit Letzteres entsprechend aussortiert werden kann, ist eine Prüfung mittels Computertomografie und automatischer Defekterkennung (ADR) unabdingbar.
Visiconsult konnte zahlreiche CT-Lösungen in Inline-Produktionen integrieren, sodass Ihre Kunden von einer 100-Prozent-Prüfung ohne Zeiteinbußen profitieren. Dabei können die Rotoren direkt nach dem Guss zur Materialprüfung, da sie auf dem Weg auf einem Förderband durch einen Kühltunnel fahren. Dadurch werden unter anderem konstante Temperaturbedingungen erreicht. Anschließend positioniert ein Roboter zwei Rotoren mit jeweils zwei Kurzschlussringen an den Enden in der Kabine, in der sich zwei Röntgenröhren befinden. Dadurch kann jeweils ein Röntgenstrahlkegel zwei nebeneinanderliegende Kurzschluss­ringe in seiner Mitte erfassen. Er scannt also vier Kurzschlussringe auf einmal. Visiconsult als Sondermaschinenbauer im Röntgenbereich konnte so die komplette Prüfzelle als Blackbox installieren. Der zufriedene Kunde braucht kein weiteres Röntgen- oder Prozess Knowhow. Mit Be- und Entladen befindet sich die Inline-Lösung bisher in einer Taktzeit von 42 s pro Rotor. Neben dem zeitlichen Vorteil dient die doppelte Röhrenausstattung auch einem genaueren Scan und sorgt für höhere Anlagenverfügbarkeit durch Redundanz.
Die darauffolgende Analyse kann gemäß der Norm P202 von VW oder anderen Automobilherstellern erfolgen. Mit diesem System lassen sich lückenlose zerstörungsfreie 3D-Analysen durchzuführen. Geht eine Hohlraumgröße über die einer Ungänze hinaus, wird es als Materialfehler eingestuft und kategorisiert ein Bauteil als nicht in Ordnung (n.i.O.), wonach es aussortiert wird.

Künstliche Intelligenz verkürzt Anlaufzeiten

Heutzutage werden Produktionszyklen immer kürzer und der Markt verlangt nach kürzeren Anlauf-Zeiten. Durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz lässt sich dieser Aufwand massiv reduzieren. Erste Tests mit verfügbaren KI-Frameworks erreichten in einer Blindstudie bereits Detektionsquoten von bis zu 90 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren der industriellen Bildverarbeitung. „Die Tests in diesem Bereich befinden sich noch am Anfang“, sagt Schulenburg „da mit unseren Systemen sicherheitskritische Bauteile geprüft werden, sind umfangreiche Tests und Qualifikationen nötig“. Das Unternehmen hat bereits im Jahr 2017 eine Forschungskooperation mit der Universität zu Lübeck geschlossen. In diesem Rahmen finden mehrere Projekte zum Thema KI statt.
Entscheidend für den Erfolg einer KI ist die Anzahl und Qualität der zugrundeliegenden Bilddaten. „Daten sind das Öl der Industrie 4.0“ betont Schulenburg. Aus diesem Grund hat Visiconsult eine Cloud-Lösung entwickelt, in die Kooperationspartner bewertete Bilddaten laden. Diese werden dann anonymisiert und zur Parametrierung der KI genutzt. Je höher die Qualität der Daten, desto präziser kann die KI trainiert werden. Die Fehlerdatenbank umfasst mittlerweile mehrere hundertausend Datensätze mit markierten und klassifizierten Fehlern.
Diese fließen unter anderem in die kürzlich zum Patent angemeldete automatische Roboter-Nachführung: Durch die Kombination von Robotik, 3D-Sensorik und Bildregistrierung lassen sich so hohe Wiederholgenauigkeiten ohne teure Bauteilhalter erreichen. Dieses System soll nun mit den neuen KI-Lösungen kombiniert werden und so den Anlaufprozess von mehreren Tagen auf wenige Stunden reduzieren. Bauteile werden dann im Mischbetrieb auf einem Förderband in die Anlage gefahren und vom System automatisch erkannt.
Die Software würde dann erkennen, um welches Bauteil es sich handelt und die Robotik auf die exakte Position nachführen. Hiermit würden Rüstzeiten komplett eliminiert und der Durchsatz massiv steigen. Als Neben­­effekt reduziert sich der Pseudo-Ausschuss und die Detektionswahrscheinlichkeit steigt.