Ziel der Entwicklung
Ziel des Projektes war die Entwicklung eines neuartigen Prüfverfahrens zur Kontrolle des Entschichtungszustandes von Schaftwerkzeugen. Hierbei ist eine vollflächige Prüfung der Oberfläche des Werkzeugs auf Schichtrückstände zu gewährleisten. Die Anwendbarkeit des Verfahrens wurde mit Hilfe eines Demonstrators nachgewiesen. Das System ist kompakt gestaltet, um als Tischgerät oder Zusatzstation für eine Entschichtungsanlage bzw. in einem System zur Werkzeugsortierung umgesetzt werden zu können. Der Kostenaspekt ist bei der System-Hardware in besonderem Maße betrachtet wurden, um eine spätere breite Vermarktbarkeit zu gewährleisten. Deshalb wurde der Ansatz gewählt, dass die relevanten Wellenlängenbereiche mittels im Hause vorhandenem Hyperspektralkamerasystem für praktisch relevante Schichtarten zu bestimmen und die Umsetzung des Demonstrators auf Basis eines kostengünstigen Systems mit Filterrad und NIR-empfindlicher Industriekamera vorzunehmen. Die Auswertung wurde auf Grundlage einer Bildsegmentierung für die 5 mittels Filterradkamera erzeugten Spektralbilder implementiert.
Um eine breite Anwendbarkeit auch in kleinen und mittleren Betrieben zu gewährleisten wurden kostenoptimale Komponenten ausgewählt. Insbesondere bei den Antriebsachsen sind Ungenauigkeiten in der Positionierung durch eine überlappende Aufnahme der Bildbereiche mit späterer Verrechnung zu einer Gesamtansicht gut kompensierbar. Die Operation des Zusammenfügens der Teilansichten zu einem Gesamtbild wird auch als Stitching bezeichnet. Dadurch können kostengünstigere Komponenten für die Z- und die Rotationsachse verbaut werden. Als Ziel für das Sichtfeld der Filterradkamera ist ein Bereich von mind. 100 x 50 mm² vorgesehen. Um eine Abbildung aller Strukturen des Werkzeugs bis in den Spangrund zu ermöglichen ist eine Tiefenschärfe im Bereich von 15 – 20 mm zu erzielen. Durch eine hochauflösende Kamera mit mind. 5 Mega-Pixel und einer hohen Empfindlichkeit im sichtbaren Wellenlängenbereich sowie im nahen Infrarotbereich ist eine detailgetreue Abbildung möglich. Als Analysezeit ist ein Bereich von 20 – 30 Sekunden je Werkzeug zu gewährleisten. Hierbei erfolgt die Drehung des Werkzeugs vor dem Kamerasystem. Optional ist ein vertikales Verfahren zu ermöglichen um Werkzeuge, die nicht komplett im Sichtfeld erfasst werden, abbilden zu können.
Vorteile und Lösungen
Da das entwickelte System zur Spektralbildaufnahme auf einer Filterradkamera beruht, ist eine erheblich kostengünstigere Anwendung möglich als bei klassischer Hyperspektralkameratechnik. Eine im NIR-Bereich empfindliche Hyperspektralkamera liefert eine höhere spektrale Auflösung und in der Regel auch eine hohe Empfindlichkeit in Bereichen oberhalb des Wellenlängenbereiches von 1000 – 1500 nm. Derartige Systeme sind jedoch im Kostenrahmen von mindestens 40.000 EUR anzusetzen. Der im Projekt eingesetzte Bildsensor inklusive Filterrad ist im Bereich von weniger als 5000 EUR angesiedelt. Hinsichtlich der spektralen Anforderungen wurde eine Kamera des Anbieters JAI ausgewählt. Diese liefert durch ein internes Teilerprisma zwei Bilder mit den Wellenlängenbereichen 400-670 nm (sichtbares Licht) sowie 740-1000 nm (naher Infrarotbereich - NIR). Entsprechende Filter ermöglichen dann die sequenzielle Aufnahme von 5 Spektralbildern. Damit ist ein wirtschaftlicher Einsatz auch in kleinen und mittleren Betrieben möglich.
Um die breite Anwendbarkeit im KMU-Bereich sowie in kostensensitiven Branchen zu gewährleisten wurden neben der Filterradkamera auch für die Beleuchtung und die Antriebsachsen kostenoptimale Komponenten ausgewählt. Bei der Beleuchtung handelt es sich um eine Halogenringbeleuchtung aus dem Bereich der professionellen Fotografie, welche im Gegensatz zu LED-Technik das gesamte erforderliche Spektrum abdeckt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Als mögliche Vermarktungspartner sind Hersteller von Be- und Entschichtungsanlagen zu sehen. Als Endnutzer zielt das entwickelte Prüfsystem auf Werkzeugschleifbetriebe sowie Werkzeughersteller als auch Lohnbeschichter ab. Im Rahmen der Umsetzung von immer ambitionierteren Nachhaltigkeitszielen nimmt der Anteil nachgeschliffener und demzufolge auch nachbeschichteter Werkzeuge zukünftig weiter zu. Die gleichzeitig immer höheren Anforderungen an Werkzeugstandzeit und erzielte Oberflächengüte machen eine rückstandsfreie Entschichtung der Werkzeuge im Rahmen der Aufbereitung unabdingbar.
Beim Endanwender des neuartigen Prüfsystems wird durch eine gezielte Kontrolle des Entschichtungszustandes und eine rechtzeitige Entfernung von Schichtrückständen eine Reduzierung der Quote an Teilen, welche eine Nacharbeit benötigen erzielt. Weiterhin werden die Prüfkosten durch die Automatisierung des bisher manuell durchgeführten Prüfvorgangs erheblich gesenkt. Für die Kalkulation der Einspareffekte beim Endanwender wurde davon ausgegangen, dass in einem Zeitraum von 3 Jahren durch den Einsatz des Systems im Durchschnitt eine Ersparnis erzielt wird, welche doppelt so hoch ist wie der eigentliche Anschaffungspreis des Prüfgerätes.
Der Verkaufspreis ist mit 25.000 EUR kalkuliert. Nach Analyse der Marktsituation kann von einem Bedarf im Bereich von 10 – 25 Systemen pro Jahr ausgegangen werden. Weiterhin wurde durch das Projekt bereits ein erheblicher Knowhow-Zuwachs im Bereich der Spektralbildverarbeitung generiert, welcher zur effizienteren Abarbeitung zukünftiger FuE- sowie Industrieprojekte im Bereich der Multi- und Hyperspektralbildverarbeitung führen wird.
