Eine Frage des Blickwinkels

Eine Frage des Blickwinkels

Folieninspektion mit Vacuum-CIS und Densitometer

Kunststofffolien müssen bei der Herstellung höchsten Qualitätsansprüchen genügen. Zu den wichtigsten Merkmalen zählen eine durchgängig homogene Oberflächenbeschaffenheit und Dicke. Kleinste Abweichungen oder Fehler führen zu Ausschuss oder Reklamationen. Um Risse, Löcher, Einschlüsse oder Dünnstellen zuverlässig zu erkennen, bieten sich spezielle CIS (Contact-Image-Sensoren) zur 100 Prozent sicheren Folieninspektion an.
Kunststofffolien finden in vielen Industriebereichen Anwendung: Von Verpackungsfolien in der Lebensmittelbranche über Solar-, Batterie- und Displayfolien in der Elektronikindustrie bis hin zu Hologrammen. Folien werden in Endlosbahnen gefertigt, aufgerollt und im weiteren Verarbeitungsprozess in passende Stücke geschnitten. In diesen Fertigungsprozess integriert, erfolgt die Inline-Folieninspektion. Sie erkennt fehlerhafte Folien im laufenden Prozess und löst automatisch Prozesse zur Fehlerbehebung aus. Je nach Folienart unterscheiden sich die Produktionsprozesse und damit die optische Qualitätskontrolle.

CIS vs. Zeilenkamera

Für die Inspektion von Kunststofffolien hat sich bereits seit Längerem die Zeilenkamera durchgesetzt. Als besondere Form der Zeilenkamera eignen sich vor allem Contact-Image-Sensoren (CIS) zur Inline-Folieninspektion. Ein CIS ist ein kompaktes Zeilenkamerasystem zum direkten Anbau an das zu inspizierende Objekt – ähnlich einem Faxgerät oder Dokumentenscanner. Er besteht in der Regel aus Lesezeile, Grin-Linsen-Array und Lichtquelle. Wesentlicher Unterschied zur Zeilenkamera ist die Breite des Sensors, die beim CIS so groß ist wie das Prüfobjekt selbst (bis zu 4m). Die Zeilenkamera hingegen hat einen kleinen, typischerweise 10 bis 50mm langen Sensor mit Pixeln von fünf bis 20µm und eine verkleinernde Optik. Zudem ist die Zeilenkamera anfällig für kleinste Toleranzen und Vibrationen. Weitere Vorteile des CIS sind der konstante Blickwinkel über die gesamte Lesebreite durch die 1:1-Optik, der geringe Abstand zum inspizierenden Objekt und eine deutlich schärfere und verzerrungsfreie Abbildung. Zudem lassen sich die Sensoren einfach montieren und justieren. Das CIS-System bildet die Folien mithilfe eines Linsenarrays (Grin-Linsen) im Durchlicht 1:1 ab. Die Pixelgröße reicht von 11 bis zu 127µm. Bedingt durch die 1:1-Abbildung bestimmt die Breite des zu inspizierenden Objekts die Länge des Sensors. Je nach Bedarf des Kunden werden entsprechend viele Sensor- und Beleuchtungselemente aneinandergereiht. Die optischen Komponenten (Linsenarray, Zylinderlinsen) werden ebenfalls der entsprechenden Länge angepasst.

Beschichtung erfordert Vakuum

Für bestimmte Anwendungsgebiete müssen Kunststofffolien oft auch mehrstufig beschichtet sein, damit sie den gewünschten Nutzen bringen. Für die Inspektion von unbeschichteten Folien sind CIS-Sensoren eine gute Wahl. Sie prüfen das auf Rollen befindliche Folienmaterial im Produktionsprozess auf Fehlstellen wie Löcher, Risse, Dünnstellen, Einschlüsse oder Tröpfchen. Anders verhält es sich bei Kunststofffolien, die mit Metall oder Keramik beschichtet sind, z.B. Chipstüten. Ohne Metallbeschichtung würde Feuchtigkeit in die Tüte dringen, wodurch die Chips ihre Knackigkeit verlieren. Das Aufdampfen der Beschichtung funktioniert allerdings nur im Vakuum. Zur Folieninspektion sind deshalb vakuumtaugliche CIS notwendig. Die speziellen Sensoren eignen sich aufgrund des rostfreien Edelstahlgehäuses mit optionalen Kunststofffenstern besonders für die Folieninspektion in der Lebensmittelbranche. Der mit einem Einzel- oder Doppelzeilensensor ausgestattete Vakuum-CIS kann sowohl für Anwendungen im Vakuum als auch unter atmosphärischen Bedingungen eingesetzt werden. Er ist optional mit einer Zeilenbreite von 260 bis maximal 2.080mm und einer Auflösung zwischen 400 und 2.400dpi verfügbar.

Schichtdicke extrem wichtig

Neben der Oberflächeninspektion spielt bei beschichteten Folien eine Überprüfung der Schichtdicke eine zentrale Rolle. Zu diesem Zweck ist die Prüfanlage außer mit einem CIS-System zusätzlich mit einem Densitometer (=Dichtemessgerät) ausgestattet. Es prüft, ob die Beschichtung der Folien einheitlich dick ist. Für diesen Einsatzzweck bietet Tichawa Vision kombinierte Prüfsensoren mit zwei nebeneinander liegenden Lesezeilen. Eine Seite ist mit einem Densitometer mit einer Auflösung von 20 bis 25dpi bestückt, die andere mit einem CIS. Abhängig vom Einsatzzweck wird die Breite des Densitometers auf bis zu 2m angepasst. Die Schichtdicken der Folien, die das Densitometer bis >3OD (=Optische Dichte, Maß für die Abschwächung einer Strahlung nach Durchqueren eines Mediums) inspizieren kann, liegen zwischen 10 und 60µm. In diesen Schichtdicken ist Metall in geringem Maße lichtdurchlässig. Diese Eigenschaft nutzen Densitometer. Über die Lichtdurchlässigkeit messen sie die Schichtdicke. Die Auswertung der Helligkeitsdifferenz zwischen Referenz- und produzierter Folie ermöglicht die Erkennung von Dichte- und Schichtdickenabweichungen. Im Einrichtungsmodus messen die Qualitätsprüfer die Anlage anhand einer Referenzfolie ein und bestimmen die Qualitätskriterien durch die Eingabe von Kontrastschwellen und Fehlergrößen. Die kombinierte Sensoranlage ist beim Folienproduzenten in der Vakuumkammer eingebaut. Nach dem Einsetzen der zu beschichtenden Folienrolle wird die Luft aus der Vakuumkammer gepumpt. Dann beginnt der Beschichtungsprozess. Die Folie wird bedampft, abgekühlt und wieder aufgerollt. Am Ende des Prozesses belüften die Maschinenbetreiber die Kammer und entnehmen die Folie. Nach dem Säubern der Düsen und Einsetzen einer neuen Folienrolle beginnt der Prozess wieder von vorne. Parallel dazu läuft die Qualitätskontrolle. Die Ergebnisse der Schichtdicken-Messung werden grafisch oder tabellarisch dargestellt. Anhand der Daten kann der Mitarbeiter an der Beschichtungsmaschine schnell erkennen, ob die Vorgaben eingehalten wurden. Liegt ein Wert außerhalb des Toleranzbereichs, ist eine Nachregelung des vorgelagerten Bearbeitungsprozess direkt möglich.

Inspektion von Hologrammfolien

Etwas komplexer gestaltet sich die Inspektion von Hologrammfolien. Hologramme steigern die Attraktivität eines Erzeugnisses, veredeln das Produkt, schützen es oder machen es fälschungssicher, u.a. bei Eintrittskarten, Geldscheinen, Zertifikaten, Vignetten oder Verpackungen. Neben Karton und Papier lassen sich auch andere Materialien mit einer Hologrammfolie ausstatten, z.B. Chipkarten, EU-Führerscheine, Gesundheitskarten oder Vignetten. Bei der Serienfertigung von Hologrammen stellen sich zwei Herausforderungen. Zum einen erlaubt die begrenzte Auflösung der am Markt verfügbaren Schichtdickenmessgeräte keine ausreichende Qualitätssicherung am Frontend. Zum anderen ist am Backend die Inspektion der fertigen Hologramme durch den sich ändernden Betrachtungswinkel mit herkömmlichen Kameras nicht möglich. Hierfür wurden nun Systeme entwickelt, die diese beiden Anforderungen erfüllen. Bei der Fertigung von Hologramm-Verpackungen geht es im ersten Schritt, am Frontend, darum, die Schichtdicke des aufgebrachten Metallfilms zu prüfen. Gegebenenfalls muss der CVD-(Chemical Vapor Deposition) oder PVD-(Physical Vapor Deposition)-Prozess zur Aufbringung der Schicht immer wieder manuell oder automatisch neu geregelt werden, um das optimale Ergebnis zu bekommen. Mit konventionellen Schichtdickenmessgeräten ist dies im Vakuum nach dem heutigem Stand der Technik zwar möglich, eine vernünftige Qualitätssicherung erlaubt deren begrenzte Auflösung mit wenigen, unter zehn liegenden Messpunkten jedoch nicht.

Lotrechte Betrachtung

Die ortsauflösenden Schichtdickensensoren eignen sich sowohl unter Luft, bei niedrigem Druck als auch im Vakuum für Dichtemessungen im Bereich von 0>3.0 OD. Sie bieten 1.000 Pixel/m Lesebreite für eine Ortsauflösung von 1.016mm und Transportgeschwindigkeiten von bis zu 1.200m/min. Die Inspektion der fertigen Hologramme am Backend ist mit herkömmlichen Kameras durch den sich ändernden Betrachtungswinkel hervorgerufen durch das Objektiv nicht möglich. Die Änderung des Blickwinkels vom linken Rand mit typisch -45 bis 60° über die Bahnmitte mit 0° bis zum rechten Rand mit ebenfalls 45 bis 60° führt zu erheblichen Unterschieden beim Kontrast der einzelnen Hologramme. Eine Prüfung ist nicht mehr möglich. Die CIS-Sensoren ermöglichen die lotrechte Betrachtung unverändert über die gesamte Bahnbreite. Bild 2 verdeutlicht die Verbesserung eines CIS-Systems gegenüber einer Zeilenkamera.

Tichawa Vision GmbH
www.tichawa.de

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