Auf der Suche nach der perfekten Markierung mit einem Markierlasergerät spielt die Bildverarbeitung eine enorm wichtige Rolle. In anspruchsvollen Branchen wie der Medizintechnik braucht es für die perfekte Markierung am besten sogar ein «intelligentes System» — so wie die Firma Trumpf sie für ihre Geräte entwickelt.

Das Beschriften mittels Laser ist in allen Branchen der Industrie angekommen. Müsste man aber jene auswählen, die die Technologie am meisten herausfordern und deren Entwicklung vorantreiben, dann gehört die Medizintechnik mit dazu. Denn dort sind die Regulationen besonders streng. So müssen zum Beispiel Implantate und Werkzeuge mit einer permanenten Beschriftung versehen sein. Sie bekommen daher einen eindeutigen und über die gesamte Lieferkette rückverfolgbaren UDI-Code (Unique Device Identification).

Industrielle Bildverarbeitung massiv weiterentwickelt

Keine Technologie kann diese permanente und gut lesbare Beschriftung besser aufbringen als der Laser. Doch was oft vergessen geht: Hinter qualitativ hochstehenden Lotnummern, Strichcodes, 2D-Codes, CE oder Firmenlogos steckt mehr als eine genau abgestimmte Laserquelle oder eine ultraschnelle Steuerung. Immer mehr an Bedeutung gewonnen hat in diesem komplexen System die Bildverarbeitung. Und auf diesem Gebiet hat sich bei Trumpf viel getan: «Gerade im Bereich der Softwareentwicklung und industriellen Bildverarbeitung haben wir uns in den letzten Jahren massiv weiterentwickelt», sagte einmal in einem Interview Remo Tanneberger vom Vertrieb Laser Division bei Trumpf Schweiz AG, welche im bündnerischen Grüsch weltweit die Entwicklung der Lasermarkiergeräte vorantreibt und dort auch fertigt.

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Musterstück in Lage und Form erkennen

Warum aber die Bildverarbeitung derart wichtig wurde, wird anhand des umfangreichen und komplexen Aufgabenkatalogs schnell klar: Die intelligente Bildverarbeitung ermöglicht nämlich eine effiziente und im Markierprozess integrierte Durchführung der Qualitätskontrolle des Werkstückes vor und insbesondere nach dem Aufbringen der Laserbeschriftung. Daneben wird die Bildverarbeitung von Trumpf ebenfalls häufig eingesetzt, um die Lage zu erkennen, sodass das Werkstück schnell in die vorgesehene Position ausgerichtet werden kann.

Kamera und Beleuchtungskonzepte in Markierlasersystemen

Für die Bildverarbeitung seiner Markierlasersysteme hat der Hersteller Trumpf Kamera- und Beleuchtungskonzepte entwickelt, welche die in der Medizinalbranche üblichen Kundenbedürfnisse abdecken. Dem Kunden stehen die Inline-Kamera sowie die Off-Axis-Kamera zur Verfügung. Ebenso wurden innovative und neue Beleuchtungslösungen entwickelt, um Bildverarbeitung auch auf äusserst anspruchsvollen Oberflächen, wie elektropolierten medizinischen Instrumenten, durchzuführen.

«Für die Prozessstabilität bei der Bildverarbeitung», sagt Alexander Teuber, Branchenspezialist Medizintechnik bei Trumpf Schweiz AG, «ist die Beleuchtungsstrategie zentral. Es ist beispielsweise wichtig, dass die Beleuchtung für die Bildverarbeitung auf einer Wellenlänge erfolgt, die sich von der Laserwellenlänge unterscheidet.»

Damit werden Störsignale, die durch das Laserlicht hervorgerufen werden, wie zum Beispiel Übersättigung des Kamerasignals, entgegengewirkt. Um eine möglichst homogene Ausleuchtung des Werkstückes zu erreichen, werden in den Markierlasern serienmässig diffusive Balkenbeleuchtungen eingesetzt. Je nach Bedarf erfolgt die Beleuchtung von oben (Hellfeldbeleuchtung), von der Seite oder von unten (Dunkelfeldbeleuchtung).

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Flachdombeleuchtung für stark reflektierende Materialien

Die Medizintechnik stellt besonders hohe Herausforderungen an die Bildverarbeitung, da die Oberflächen der verwendeten Materialien wie erwähnt durch den hohen Politurgrad sehr stark reflektierend sein können. Bei elektropolierten Werkstücken, wie Bohrschäften oder Implantaten, kann die Ausleuchtung mit Balkenbeleuchtungen zu starken punktuellen oder linienförmigen Reflexionen führen, die zu einer lokalen Übersättigung der Kamera führen.

Alexander Teuber: «An diesen Stellen ist keine zuverlässige Positionserkennung oder optische Qualitätssicherung mehr möglich. Dieser Verlust an Daten kann auch durch intelligente Software nicht wiederhergestellt werden.» Um ein Rücklesen von Codes und Schrift auf solchen Oberflächen zu ermöglichen, hat Trumpf als erster Markierlaseranbieter eine industrietaugliche Lösung eingeführt. Das Verfahren garantiert die Ausleuchtung hochreflektierender Teile ohne störende Reflexe.

Auch nachgeschaltete Prozesse optimiert

Trumpf bietet zusätzlich zum klassischen Optimieren des Laserbeschriftungsprozesses auch zahlreiche vor und nachgeschaltete Prozesse, wie optische Erkennung und Überprüfungen von Musterteilen sowie die Ablage der Informationen in Datenbanken. Die Bildverarbeitungssoftware muss daher auch fähig sein, diverse Formen von Informationen zurückzulesen und Abweichungen von den Vorgaben fehlerfrei zu erkennen. Die zurückgelesenen Informationen sollen in der zentralen Datenbank abgespeichert werden, um die Produktqualität zu dokumentieren. «Bildverarbeitung stellt in dieser Prozesskette ein zentrales Element dar, das in der Medizintechnikbranche zukünftig in jedem Markierlaser wertvolle Dienste leisten wird», ist Branchenspezialist Alexander Teuber überzeugt.

Spannende Herausforderungen in der Bildverarbeitung: Medizinprodukte

Bei welchen Anwendungen steht man immer noch vor Herausforderungen im Bereich Bildverarbeitung und wie kann man sie lösen oder umgehen?

Spannende Herausforderungen sehen wir neben der oben erwähnten dreidimensionalen Bildverarbeitung auch bei Medizinprodukten. Um das zu illustrieren, möchte ich ein Beispiel erwähnen, was uns allen bekannt ist, nämlich Bohrerschäfte. Diese haben eine denkbar einfache, nämlich zylindrische Geometrie. Die Ausleuchtung mit der typischen Balkenbeleuchtung führt nun aber häufig dazu, dass es zu teilweise starken, linienförmigen Reflexionen auf der Oberfläche kommt, die zu einer lokalen Übersättigung der Kamera führen. Dort ist dann ein Rücklesen von Information nicht mehr möglich und damit ist auch keine zuverlässige Qualitätssicherung mehr gewährleistet. Dieser Verlust an Information kann selbst durch intelligente Software nicht wiederhergestellt werden. Dieses Beispiel zeigt die Wichtigkeit der richtigen Beleuchtungsstrategie.

Und bei diesem Beispiel wäre dies die im Bericht angesprochene Flachdombeleuchtung.

Genau. Um ein Auslesen von Codes und Schrift auf solchen gewölbten Oberflächen zu ermöglichen, hat Trumpf als erster Markierlaseranbieter eine industrietaugliche Lösung eingeführt. Dank der Flachdombeleuchtung gibt es nun auch für herausfordernde Oberflächengeometrien die technischen Möglichkeiten, Codes oder alphanumerische Zeichen durch OCR/OCV-Software fehlerfrei auszulesen. Man sieht, für eine erfolgreiche Bildverarbeitung braucht es neben der Kamera und einer intelligenten Software auch das nötige Know-how für die Beleuchtung. Erst dann wird der gesamte Bildverarbeitungsprozess stabil.

In welchen Geräten von Trumpf kommt die intelligente Bildverarbeitung bereits zum Einsatz?

Eine industrietaugliche und smarte Bildverarbeitung ist zentral für unsere Beschriftungslaser, da sie einen unglaublichen Mehrnutzen für den Endkunden darstellt. Wir stellen fest, dass insbesondere in den Branchen, wo neue Regularien hinsichtlich Qualitätssicherung eingeführt werden, wie in der Medizinindustrie, das Bedürfnis nach intelligenter und anwendungsfreundlicher Bildverarbeitung enorm steigt. Dort wird die Qualitätssicherung am liebsten direkt dem Markierprozessschritt vor- und/oder nachgeschaltet.

Trumpf bietet das komplette Bildverarbeitungsprogramm insbesondere in den mittelgrossen und grössten Stationen an (TMS5000 und TMS7000), die bei unseren Medizintechnikkunden sehr gefragt sind. Unsere Stärke liegt in der individuellen Lösungsfindung eines Kundenproblems, denn in unserem Applikationslabor in Grüsch werden nicht nur hochqualitative Markierversuche durchgeführt, sondern auch, zusammen mit dem Kunden, die für ihn optimale Bildverarbeitungslösung entwickelt.