Oberflächen-Fingerabdruck

Anstelle von bislang aufgebrachten Codes ist es nun möglich, bereits von Haus aus vorhandene eindeutige Merkmale auf Bauteilen zu nutzen und für die Identifikation zu verwenden. „Bislang war es nicht gelungen, diesen Ansatz mit ausreichend hoher Genauigkeit und prozesssicher für übliche Abläufe in der Massenfertigung industriell nutzbar zu realisieren“, so Dr. Martin Klenke, Director Business Development – Teledyne Vision Solutions von Teledyne Dalsa. Die Firma hat nun aber eine vielversprechende Lösung für diese Aufgabenstellung gefunden: „Es ist unter bestimmten Voraussetzungen tatsächlich möglich, eine Art individuellen Oberflächen-Fingerabdruck von technischen Bauteilen aufzunehmen und diesen für die Nachverfolgung und Identifikation der Teile über industrielle Produktionsprozesse hinweg zu verwenden“, so Klenke. „Diese Vorgehensweise erlaubt die Verfolgbarkeit von Bauteilen ohne zusätzliche Hilfsmittel und macht aufwendige Barcode- oder OCR-Systeme unnötig.“ Zudem besitzt eine unsichtbare Markierung den Vorteil, dass nachgeahmte oder gefälschte Waren sicher erkannt werden können.

Jede Oberfläche ist anders

Die Idee hinter der Entwicklung besteht darin, dass jede technische Oberfläche ihre individuellen Eigenheiten aufweist. Bei Metallen oder Materialien mit ähnlich texturierten Oberflächen der Komponenten ergeben sich Oberflächenmorphologien, die aufgrund der vorangegangenen Herstellung nie exakt gleich sind. Diese feinen Unterschiede können genutzt werden, um eine individuelle Zuordnung von verschiedenen Komponenten zu gewährleisten. „Um solche individuellen Eigenschaften einzelner Teile identifizieren zu können, definieren wir zunächst ein auf die jeweilige Situation angepasstes Bildverarbeitungssystem“, so Klenke. „Die Vision-Lösung besteht aus einer Kamera mit spezieller Ansteuerungstechnik, Optik sowie Beleuchtung (inkl. Controller). Das individuell angepasste Bildverarbeitungssystem nimmt am Anfang eines Produktionsprozesses Bilder der Bauteiloberflächen auf, die anschließend von einer speziellen Vision-Software auf Basis der Sapera Pro Software-Familie ausgewertet werden. Durch den Einsatz geeigneter Werkzeuge, z.B. Mustererkennungsroutinen, können auf diese Weise innerhalb von Millisekunden markante Merkmale der Oberflächen registriert, digitalisiert und abgespeichert werden.“

Die auf diese Weise entstandenen Fingerabdrücke dienen während des gesamten nachfolgenden Prozesses als Referenz und erlauben durch automatisierte Vergleiche entlang der Fertigungsschritte die eindeutige Identifizierung der Bauteile. Selbst nach Bauteilverformungen ermöglicht sie häufig noch ein sicheres Track&Trace der Objekte und ist weitgehend unempfindlich gegen Oberflächenfehler wie Kratzer, Verfärbungen, Risse oder Herstellungstexturen. Auch bei teilweiser Überdeckung von Merkmalen oder wenn während des Produktionsprozesses Beschädigungen auf den Bauteilen hinzukommen, funktioniert die Methode noch mit hohen Erkennungsraten.

Ansatz ohne KI

Das klingt nach dem Einsatz von KI, doch weit gefehlt, so Klenke: „Hinter unserem Ansatz verbirgt sich kein klassischer Vorlagenvergleich, sondern eine eigene Mustergenerierung und -korrelation, die ohne vordefinierte Muster funktioniert. Für solche Systeme sind bereits verschiedene Erkennungsmodelle verfügbar, die selbst bei auftretenden Dellen, Kratzern, Schmutz, bei geringen Defekten oder Beschädigungen sowie bei sonstigen Anomalien ohne vorheriges Training eine robuste Identifikation zulassen.“

Eine Stärke des neuartigen Konzepts besteht in der hohen Flexibilität der Systemgestaltung: Prinzipiell kommen mehrere Kameras aus dem breit aufgestellten Teledyne Portfolio für solche Fingerprint-Systeme in Fragen. Nach den bisherigen Erfahrungen lassen sich laut Klenke mit industrietauglichen Kameras mit Auflösungen von 5 bis 24MP jedoch bereits viele Anwendungen erfolgreich lösen. Laut Klenke spielt außerdem die Auswahl der geeigneten Beleuchtung eine wichtige Rolle: „Für reproduzierbare Ergebnisse stellt diese Komponente eine wesentliche Voraussetzung dar. Wir können dafür mehrere Beleuchtungsoptionen zur Verfügung stellen, die für den jeweiligen Anwendungsfall bewertet werden müssen. Wir greifen hierbei auf eine Vielzahl verschiedener direkter und indirekter Beleuchtungstechnologien zurück und haben bisher mit ausgewählten handelsüblichen industriellen Beleuchtungen gute Erfolge erzielt.“ Als Software-Basis für diese Aufgaben kommt eine eigenständige Weiterentwicklung auf Basis der bewährten Sapera Software-Algorithmik von Teledyne zum Einsatz. Falls erforderlich, können diese Systeme zur Fingerprint-Inspektion von Oberflächen zudem mit Barcode- oder OCR-Lesern kombiniert werden, um die Erkennungsrate zu komplettieren.

Breite Einsatzmöglichkeiten

Jede Track&Trace-Aufgabe im industriellen Umfeld erfordert auch unter harschen Bedingungen die zuverlässige Identifikation von Objekten mit einer typischen Treffsicherheit von mehr als 98 Prozent. Die bisherigen Installationen erlauben nach Klenkes Aussage stets sichere Wiedererkennungen oberhalb dieser Grenze, was eine sichere Bauteilverfolgung gewährleistet. Die Integration eines Systems zur Identifikation von mechanisch umgeformten Bauteilen aus Aluminium hat sogar 100 Prozent echte positive und 100 Prozent echte negative Ergebnisse geliefert. Bei dieser Untersuchung konnte also eine fehlerfreie, eindeutige Korrelation der Komponenten bei verschiedenen Prozessschritten erreicht werden.

„Der Ansatz funktioniert auf vielen stochastischen Oberflächen wie Metallen, Papier, texturierten Oberflächen und ähnlichen Materialien bereits sehr erfolgversprechend und ermöglicht neben dem Track&Trace von Objekten beispielsweise auch die sichere Identifikation von falschen oder gefälschten Komponenten“, so Klenke. „Wir arbeiten daran, die Sicherheit der Erkennung noch weiter zu erhöhen und die entscheidenden Parameter zu optimieren. Dazu zählt die Selektion von speziellen, hochauflösenden Low-Noise-Kameras mit adaptierter Firmware sowie die individuelle anwendungsspezifische Abstimmung von Optik, Beleuchtung und Bildverarbeitung.“ Diese Maßnahmen werden nach Klenkes Überzeugung in naher Zukunft dazu führen, dass die Fingerprint-Methode für Track&Trace-Aufgaben in der Industrie schon bald in großem Ausmaß weiter Einzug halten wird.