Der Joghurtbecher im Kamerabild: Perfektion in der Qualitätskontrolle verpackter Milchprodukte bei RPC Superfos und Arla Foods

Der Einsatz von Bildverarbeitungstechnik in der Lebensmittelindustrie kann Herstellern einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil sichern. Dabei gilt besonderes Augenmerk den Produktverpackungen: Nicht nur die Verpackungen selbst müssen auf Fehlerfreiheit untersucht werden, auch unterschiedlichste Markierungen auf der Außenseite der Verpackungen müssen sich einer strengen Kontrolle unterziehen. Das dänische Unternehmen Trivision A/S aus Odense hat zwei Vision-Systeme mit Bildverarbeitungskomponenten von Stemmer Imaging entwickelt, die Verpackungen während des Herstellungsprozesses und die jeweiligen Endprodukte in der Schlussphase zu 100 % überprüfen. Bei RPC Superfos und Arla Foods, beides führende Unternehmen in der Milchwirtschaft, sind diese Systeme schon erfolgreich im Einsatz.

Kunststoffbecher und Deckel für Molkereiprodukte wie Butter, Käse und Brotaufstriche werden grundsätzlich im In-Mould-Labeling-Verfahren (IML) hergestellt. Die Weiterverarbeitung von Papier oder Kunststoffetiketten erfolgt mit Hilfe von Blasformung, Thermoformung oder Spritzguss. Diese Verarbeitungsmethoden erlauben die Bedruckung der gesamten Behälteroberfläche. Mangelhafte Behälter, die bspw. Grate, eine ungleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit oder Größenunterschiede aufweisen, müssen ausgeschleust werden. Während des IML-Prozesses werden zudem die Aufdrucke und Barcodes auf Fehlerfreiheit und richtige Platzierung geprüft.
Anschließend werden die fehlerfreien Behälter in der Molkerei befüllt und versiegelt. Vor dem endgültigen Versand sind weitere Kontrollen nötig, um sicherzustellen, dass nur perfekte Produkte die Anlage verlassen. Das ist nicht nur wichtig für eine positive Kundenwahrnehmung, sondern schützt vor unnötigen Rückrufaktionen, welche die Fertigungskosten in die Höhe treiben und obendrein den guten Ruf einer Marke dauerhaft schädigen können.

Bildverarbeitung ist die Lösung
Industrielle Bildverarbeitungssysteme (BV-Systeme) haben den großen Vorteil, dass sie eine enorme Anzahl replizierbarer Messungen bei extrem hohen Geschwindigkeiten ausführen können. Das macht BV-Systeme in Fertigungsprozessen zu unverzichtbaren Werkzeugen.

Die 1999 gegründete Trivision A/S entwickelt Verpackungslösungen für die Lebensmittelindustrie. Sie setzt dabei auf innovative Bildverarbeitungstechnologien, die Produktionseffizienz und -qualität ihrer Kunden verbessern. Der Packaging Inspector wurde speziell für die Inspektion von Behältern entwickelt und kommt in der Herstellungsphase zum Einsatz, während der Product Inspector das verpackte Endprodukt untersucht. Der erstmals 2007 eingeführte Packaging Inspector entstand in Zusammenarbeit mit RPC Superfos, einem Entwickler und Hersteller innovativer Kunststoffverpackungen.

Das System sollte neben der 100 %-Inpektion in der Lage sein, alle Schlechtteile auszusortieren. Dank der engen Zusammenarbeit mit RPC Superfos erhielten die Bildverarbeitungsexperten von Trivision einen umfassenden Überblick über die gesamte Bandbreite an Defekten, die während des Herstellungsprozesses entstehen können, und konnten so eine zuverlässige Bildverarbeitungslösung entwickeln.

Auch mit Stemmer Imaging verbindet Trivision eine starke Partnerschaft, die bis ins Jahr 2005 zurückreicht. Stemmer Imaging ist Europas größter unabhängiger Anbieter von Bildverarbeitungstechnologien und Dienstleistungen für OEMs in Industrie und Wissenschaft, Systemintegratoren und Vertriebspartner. Alle im Packaging Inspector und im Product Inspector integrierten Kameras einschließlich der Kamerakabel und einige der verwendeten Optiken stammen von Stemmer Imaging. Daneben bezieht Trivision auch Zeilenkameras und Frame Grabber für andere Systeme zur Lebensmittelinspektion von dem Puchheimer Unternehmen, mit dem sie bereits ein gemeinsames hyperspektrales Bildverarbeitungsprojekt realisiert haben.

Beim Packaging Inspector kommen Kameras mit hoher spektraler Empfindlichkeit zum Einsatz, da diese in der Lage sind, selbst die kleinsten Formfehler zu entdecken. Die Experten von Stemmer Imaging standen den Entwicklern von Trivision mit Rat und Tat zur Seite, um aus dem breiten Spektrum von Kameras diejenigen auszuwählen, die über die beste Bildqualität und geeignete On-Board-Verarbeitungsfunktionen verfügen.
Die Entscheidung fiel zugunsten leitungsstarker Kameras von Allied Vision. Während man in frühen Versionen der Inspektionswerkzeuge noch auf die Firewire-Schnittstelle IEEE 1394b setzte, verwendete man bei den Folgemodellen Kameras mit GigE-Schnittstelle wie die Manta und Mako von Allied Vision, die höhere Datenraten und längere Kabelstrecken ermöglichen. Außerdem lassen sich mit GigE-Vision-Kameras erheblich Kosten sparen, da keine Frame Grabber mehr benötigt werden.
Ole K. Neckelmann, Commercial Director bei Trivision, berichtet: „Unsere langjährige Partnerschaft mit Stemmer Imaging ist für uns von unschätzbarem Vorteil. Wir werden stets über die aktuellsten Kameramodelle am Markt auf dem Laufenden gehalten und können uns absolut darauf verlassen, dass wir keine der Neuentwicklungen, die unsere Inspektionssysteme noch effizienter machen, verpassen.”

Für die Softwareentwicklung ist Trivision intern verantwortlich. Dabei baut sie auf Allied Visions API. Neben der Mustererkennung, die für die Anwesenheitskontrolle von Etiketten und Aufdrucken angewendet wird, sind noch eine Reihe weiterer Methoden im Einsatz.

Der Inspektionsprozess
Damit eine 100 %-Inspektion mit verschiedenen Messungen erfolgen kann, sind mehrere Kameras in verschiedenen Positionen nötig. Der Packaging Inspector überprüft die fertigen Behälter auf folgende Eigenschaften:

• Fehler durch Überspritzen,
• Dosierungsfehler,
• Löcher und Falten in Etiketten,
• Fehler im Aufdruck,
• Positionierung von Etiketten und Aufdruck,
• Dimensionsmessung der Behälter,
• Barcode-Analyse.

In einer ersten Untersuchung sollen Fehler, die während des Spritzgießvorgangs durch Überspritzen entstehen, erkannt werden. Wenn nur kleinste Mengen an flüssigem Kunststoff auf die falsche Seite des Etiketts gelangen, hat der Behälter eine undichte Stelle.
Dosierungsfehler treten auf, wenn zu wenig oder zu viel Material in die Behälter gefüllt wird, was an deren Rand sichtbar wird. Bei Unterdosierung fehlt Material am Rand des Behälters, während bei Überdosierung das Material über den Rand ragt.

Um rechteckige Behälter inspizieren zu können, sind zwei Kameras unter einem Förderband positioniert. Gleichzeitig wird von oben der Aufdruck bspw. auf korrekte Platzierung des Etiketts oder des Barcodes überprüft. Die Deckel der Behälter werden auf separaten Förderbändern untersucht. Die Inspektion der Innenseiten von runden Behältern erfolgt von oben, während eine seitlich montierte Kamera das Vorhandensein des Etiketts auf den Außenflächen überprüft.

Hier setzt man auf die beiden Kameramodelle Manta und Mako von Allied Vision, da sie neben einer flexiblen Kamerasteuerung eine große Auswahl an kamerainternen Bildoptimierungsfunktionen bieten. Je nach Prüfungs- und Toleranz­anforderung werden Kameras mit Auflösungen zwischen 0,4 und 5 Megapixel eingesetzt. Beispielsweise sollen winzige Formfehler bei relativ hoher Geschwindigkeit aufgespürt werden. Der Anwender gibt die entsprechenden Messtoleranzen sowohl für die jeweilige Art der Messung als auch für jedes einzelne Produkt vor, wobei typischerweise Abweichungen von bis zu 0,1 mm bei den Abmessungen toleriert werden.
Die Software bietet eine enorme Flexibilität. In den meisten Anlagen ergeben sich häufig Änderungen bei den hergestellten Produkten. Das System muss in der Lage sein, die erforderlichen Parameter für das neue Produkt schnell zu erlernen. Darüber hinaus werden die Daten jeder Messung dazu verwendet, den Status des Herstellungsprozesses zu analysieren, um frühzeitig eingreifen zu können, wenn sich Fehlertrends bei einer bestimmten Produktlinie abzeichnen.

Der Packaging Inspector in Aktion
Der Packaging Inspector von Trivision ist ein modulares System, das sich an verschiedenste Produkte und Prüfaufgaben flexibel anpassen lässt. Bei RPC Superfos A/S ist der Packaging Inspector im IML-Prozess im Einsatz. Hier soll er Etikettierungen und Ecken von Behältern auf Fehler durch Überspritzen untersuchen, Barcodes überprüfen und Fehler im Aufdruck erkennen. Dazu gehören falsche oder fehlende Etiketten, Abweichungen in Text und/oder Farbe, falsche Positionierung von Etiketten und Etiketten mit Löchern, Falten etc.
Der Anwender kann dabei die Toleranzen bei den Ausschusskriterien für fehlerhafte Erzeugnisse selbst festlegen, wie z. B. Größe und Kontrast der Überspritzung, die Anzahl an fehlplatzierten Etiketten, die Größe der Dosierungsfehler, Länge und Breite von Produkten sowie die Auswertung der Barcodes. Das Anlernen von Parametern für neue Produkte ist einfach und lässt sich in weniger als fünf Sekunden bewerkstelligen.

Außerdem erfasst das System die genaue Anzahl der ausgeschleusten Produkte, damit im dafür vorgesehenen Auffangbehälter nicht mehr aussortierte Produkte landen als vorgesehen. Darüber hinaus muss jeder teilweise gefüllte Ausschussbehälter bei Produktionsumstellung ausgetauscht und dies vom Anwender bestätigt werden, um ein Vermischen des Ausschusses zu vermeiden.

Der Packaging Inspector verfügt über eine grafische, statistische Echtzeitfunktion zur Protokollierung sämtlicher Fehler, die bei den unterschiedlichen Prüfprozessen erkannt werden. Der Anwender kann damit den Status eines jeden Werkzeuges überprüfen und den entsprechenden Fehler sofort identifizieren. Jedes System verfügt über VPN-Unterstützung und bietet eine schnelle und direkte Online-Hilfe für Updates via Remote-Desktop. So kann Trivision direkt mit der Produktionslinie kommunizieren, falls ein Problem nicht vor Ort gelöst werden kann. Die IML-Techniken werden ständig weiterentwickelt. Hier bietet der Packaging Inspector die notwendige Flexibilität, um mit zukünftigen Entwicklungen Schritt zu halten.

Der Product Inspector in Aktion
Die weltweit führenden Markennamen Lurpak & Arla Kærgården von Arla Food zeichnen sich durch hohe Qualität hinsichtlich Verarbeitung, Geschmack sowie Verpackung und Design aus. Arlas Anspruch, seine Kunden mit perfekten Produkten zu beliefern, kann der Product Inspector von Trivision zuverlässig erfüllen. Er stellt sicher, dass alle Behälter den korrekten Barcode und alle Deckel die korrekte Nummerierung erhalten, dass der Aufdruck fehlerfrei und richtig platziert ist, und dass die Schutzfolie korrekt und akkurat positioniert ist. Alle Behälter, die nicht hundertprozentig perfekt sind, werden aussortiert.

Der Product Inspector beinhaltet ein Cloud-basiertes „Production Intelligence”-Modul, das dafür sorgt, dass die Produktionsanlage stets in einem optimalen Zustand ist. Dadurch sinkt die Zahl der Produktionsausfälle, was die Effizienz der Anlage steigert. Bei auftretenden Störungen kann der Anwender dank des Moduls das Problem sehr schnell identifizieren und erhält sogar Hilfe bei der Behebung des Fehlers.

Darüber hinaus ist das System in der Lage, die Qualität verschiedener Produkte bzw. Produk­tionslinien miteinander zu vergleichen. Beispielsweise lässt sich feststellen, dass eine bestimmte Fertigungslinie mehr Gutteile in der Stunde hervorbringt als eine Anlage ohne das Inspektionssystem. Zudem ist die Zahl der Kundenbeschwerden deutlich gesunken.

Kontinuierliche Weiterentwicklung
Trivision arbeitet an der kontinuierlichen Weiterentwicklung seiner Produktpalette und beobachtet – mit Unterstützung durch die Bildverarbeitungsexperten von Stemmer Imaging – die Verfügbarkeit relevanter Kameras am Markt, um die Leistungsstärke ihrer Systeme und den Kundennutzen zu optimieren. Ole K. Neckelmann fasst zusammen: „Unsere Systeme sind bei den Kunden sehr beliebt und geschätzt, was sich auch in der Anzahl von Nachbestellungen widerspiegelt. Neben ihrer Fähigkeit, mit natürlichen Variationen umzugehen, verfügen sie über eine benutzerfreundliche Bedienoberfläche und bieten umfangreiche Analysefunktionen auf Basis der während des Produktionsprozesses gewonnenen Daten. Außerdem lassen sich geänderte oder neue Produkte schnell und einfach einlernen.”

Hinweis
Videos, die den Packaging Inspector und den Product Inspector von Trivision bei RPC Superfos und Arla Foods im Einsatz zeigen, sind zu finden unter: http://trivision.dk/packaging-inspector und http://trivision.dk/visio-pointer