Fingerabdruck von Bauteilen Digitale Bauteileerkennung für sichere Rückverfolgung

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Teledyne GmbH

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Der Fingerabdruck jedes Menschen ist absolut einmalig. Unter gewissen Voraussetzungen gilt das auch für technische Oberflächen: Bauteile in industriellen Prozessen lassen sich durch eine automatisierte optische Analyse ihrer Oberflächentextur sicher wiedererkennen. Teledyne ermöglicht es, die Rückverfolgung von bearbeiteten Teilen in Produktionsprozessen zu verbessern.

Die Identifizierung von Bauteilen oder Systemen durch den Einsatz von Barcode- oder OCR-Lesern (Optical Character Recognition) ist heute in vielen Industriebranchen allgegenwärtig. Derartige Systeme sind zuverlässig und bewährt, haben aber auch diverse Nachteile. So müssen die Codes zunächst erstellt, anschliessend möglichst ohne Auswirkungen auf die nachfolgenden Abläufe an die zu identifizierenden Teile angebracht und während des Produktionsprozesses durch geeignete Lese- und Auswertegeräte fehlerfrei gelesen und ausgewertet werden. Die Kennzeichnung durch aufgebrachte Etiketten, Gravierungen oder Markierungen ist oftmals jedoch gar nicht möglich, da nachfolgende Bearbeitungsvorgänge dadurch beeinträchtigt werden. Ferner können diese Identifikatoren durch den Bearbeitungsvorgang selbst oder bei Transport- oder Umlagerungsbewegungen ungewollt entfernt oder beschädigt werden.

Anstelle von zusätzlich aufgebrachten Codes ist es ebenso möglich, bereits von Haus aus vorhandene eindeutige Merkmale auf den Bauteilen zu nutzen und für die Identifikation zu verwenden. «An dieser Idee wird bereits seit Jahren gearbeitet», weiss Dr. Martin Klenke, Director Business Development bei Teledyne Vision Solutions. «Bislang ist es jedoch nicht gelungen, diesen Ansatz mit ausreichend hoher Genauigkeit und prozesssicher für übliche Abläufe in der Massenfertigung industriell nutzbar zu realisieren.»

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Teledyne hat nun jedoch 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 solche «unsichtbare» Markierung den Vorteil, dass nachgeahmte oder gefälschte Waren sicher erkannt werden können.

Jede Oberfläche ist anders

Die Idee hinter der Teledyne-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, ähnlich der Fingerabdruckzuordnung von Menschen.

«Um solche individuellen Eigenschaften einzelner Teile identifizieren zu können, definieren wir zunächst ein auf die jeweilige Situation angepasstes Bildverarbeitungssystem», so Klenke. «Diese integrierte Bildverarbeitungs-Lösung bestehend aus einer Kamera mit spezieller Ansteuerungstechnik, einer passenden Optik sowie einer individuell angepassten Beleuchtung inklusive der zugehörigen Beleuchtungssteuerung. Das so individuell angepasste Bildverarbeitungssystem nimmt dann am Anfang eines Produktionsprozesses Bilder der Bauteiloberflächen auf, die anschliessend von einer speziellen Vision-Software auf Basis unserer Sapera Pro Software-Familie ausgewertet werden. Durch den Einsatz geeigneter Werkzeuge wie beispielsweise diverser Mustererkennungsroutinen können auf diese Weise innerhalb von Millisekunden markante Merkmale der Oberflächen registriert, digitalisiert und abgespeichert werden.»

KI und Bildverarbeitung

Präzision im Zeitraffer: KI erkennt Fehler in Echtzeit

Die auf diese Weise entstandenen «Fingerabdrücke» dienen dann während des gesamten nachfolgenden Prozesses als Referenz und erlauben durch automatisierte Vergleiche entlang der Fertigungsschritte die eindeutige Identifizierung individueller Bauteile. Diese Methode bietet laut Klenke weitere Vorteile: 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 künstlicher Intelligenz, 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 Teledyne-Konzepts besteht in der hohen Flexibilität der Systemgestaltung: Prinzipiell kommen mehrere Kameras aus dem breit aufgestellten Portfolio von Teledyne für solche Fingerprint-Systeme in Fragen. Nach den bisherigen Erfahrungen lassen sich laut Klenke mit industrietauglichen Kameras mit Auflösungen von 5 bis 24 Megapixel 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 derartige Aufgaben kommt eine eigenständige Weiterentwicklung auf Basis der seit mehr als 25 Jahren 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. «Teledyne als Global Player bietet Anwendern dieser Technologie natürlich einen professionellen Service bei der Auswahl der erforderlichen Komponenten und ihrer Kombination zur Realisierung solcher Track & Trace-Systeme», betont Klenke.

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%. Die bisherigen Installationen erlauben nach Klenkes Aussage stets sichere Wiedererkennungen oberhalb dieser Grenze, was Teledyne-Kunden eine sicher Bauteilverfolgung gewährleistet. Die Integration eines Track & Trace-Systems zur Identifikation von mechanisch umgeformten Bauteilen aus Aluminium hat sogar 100 % echte positive und 100 % 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 Materialen bereits sehr erfolgversprechend und ermöglicht neben dem Track & Trace von Objekten beispielsweise auch die sichere Identifikation von falschen oder gefälschten Komponenten», so Klenke. «Wir werden daher daran arbeiten, 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.

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