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Optische In-Process-Kontrolle in der Tubenbefüllung

IWK Verpackungstechnik two cognex insight manufacturing inspection

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Wie jeder weiß, sorgt Zahnpasta für gesunde, schöne und saubere Zähne. Doch wer denkt beim Zähneputzen schon daran, ob auch die Zahnpasta selbst sauber ist? Erst in den letzten Jahren werden vor dem Befüllen von Zahnpastatuben Vision Systeme eingesetzt, um die Packmittel auf Reinheit und Sicherheit zu kontrollieren. Bislang konnten Abfüllanlagen ohne optische Kontrolle nicht 100 Prozent gewährleisten, dass sich kein Schmutzpartikel aus der Tubenvorproduktion nach dem Abfüllen und Verschießen noch im Tubeninneren befand. Die IWK Verpackungstechnik GmbH aus Stutensee bei Karlsruhe setzt in ihren neuesten Verpackungsmaschinen des Typs TFS 80-6 für Tuben von 19 bis 40 Millimeter Durchmesser auf die optische Kontrolle mit In-Sight® Kameras von Cognex. Im laufenden Befüllungsprozess kontrollieren die Vision Systeme Rundheit, Sauberkeit und sichere Verschweißung der Tuben. Die In-Process-Inspektion reduziert die Anzahl der Kameras von früher sechs konventionellen Geräten auf nur noch zwei In-Sight pro Prüfstation.

Zahnpasta ein Leben lang

Mit einer Kapazität von bis zu 500 Tuben pro Minute kontrolliert, befüllt und verschließt die Hochleistungslinie TFS 80-6 Zahnpastatuben in Rekordzeit. Hochgerechnet auf den Bedarf einer einzelnen Person reicht dies für lebenslanges Zähneputzen – effizienter Gebrauch vorausgesetzt. Im Gegensatz zu konventionellen Maschinen für die Tubenbefüllung, die mit einem Drehteller arbeiten, verfügt die TFS 80-6 über einen diagonal angeordneten Förderkreislauf. Mit im 90 Grad-Winkel positionierten Prozess-Linien gelingt es, Tuben horizontal aufzunehmen, diese dann vertikal zu reinigen, zu befüllen und zu verschweißen und sie danach wieder horizontal auf ein Förderband zu legen, das zur Endkonfektionierung mittels Kartoniermaschine führt.

Die Schnelligkeit der Maschine erfordert eine hohe Qualität der Packmittel. Nicht ausschließen lassen sich jedoch trotz hoher Materialqualitäten Verschmutzungen mit Kleinstpartikeln, Verformungen im Tubenquerschnitt durch vorangehende Arbeitsprozesse, unter anderem in der Umverpackung, und in seltenen Fällen auch fehlerhafte Verschweißungen am Tubenboden. Für fehlerfreie Prozesse hat IWK in Zusammenarbeit mit  der Octum electronic GmbH an drei Prüfstationen drei mal zwei In-Sight Kameras der Typen 5100 und 5400 installiert. Je eine Kamera kontrolliert dabei eine Reihe der parallel verlaufenden Förderreihen mit versetzten Tubenhaltern.

Innen sauber, außen schön

In einem ersten Arbeitsschritt nimmt ein Sechsachs-Roboter mit Spreizgreifer die Tuben aus den Lieferkartons auf und setzt sie mit dem offenen Boden nach oben in die Tubenhalter des Fördersystems ein. Der Roboterarm verfügt über ein Spezialwerkzeug mit Dornen, das präzise auf die Teilung in der Kiste passt und jeweils zwei Reihen mit insgesamt 30 Tuben aufnimmt. Am Tubenkopf ist bereits der Schraubverschluss angebracht, das untere Ende ist für den Befüllvorgang offen. Das Fördersystem führt die Tuben im Uhrzeigersinn zur Reinigungs- und Befüllstation. Zuvor kontrolliert ein Scanner die richtige Tubenausrichtung, damit die Bedruckung beim späteren Verschweißen des Bodens die korrekte Position einnimmt. In zwei aufeinander folgenden Prüfstationen werden vor dem Reinigen und Befüllen die Rundheit und die Sauberkeit der Tuben geprüft.

Zwei In-Sight 5100, über dem Fördersystem und den Arbeitsbereichen installiert, nehmen bei der Partikelkontrolle den Tubengrund, die Schulter und die Innenseite der Tubenkappe ins Visier. Die Kameras erkennen Fremdkörper durch deren Kontrastierung zum Umfeld. Ein rotes LED-Ringlicht beleuchtet von oben das Tubeninnere. Der unerwünschte Partikel wirft einen Schatten, den die Cognex Kameras detektieren. So ist es möglich, auch einen Gegenstand mit der gleichen Farbe wie die Tube selbst zu identifizieren.

Bei der anschließenden Tubenrundheitskontrolle prüfen zwei weitere In-Sight 5100, ob die Tuben die erforderliche Form besitzen. Verfügen die Tuben nicht über die spezifizierte Rundheit, bleiben die Düsen während des Reinigungs- und Befüllungsvorgangs am Rand hängen und rammen die Packmittel in die Tubenhalter hinein. Die Cognex Hochleistungstechnologie sorgt dafür, dass die Düsen mit einem Toleranzbereich von drei Millimetern in die Tuben eintauchen. Die Kontrolle erfolgt ohne zusätzlichen Arbeitsgang während des Prozesses. Die einzelnen Kameras erhalten für jede Tube einen Trigger und nehmen im Vorbeifahren die Bilder der Packmittel auf. Ist eine Tube unrund oder bewegt sich außerhalb des Toleranzbereichs, wird sie als fehlerhaft identifiziert und nicht befüllt. Im weiteren Verlauf des Arbeitsprozesses verschließt sie die TFS 80-6 und schleust die Tube aus.

Heiße Stellen kühl gepresst

Auf das Reinigen und Befüllen folgt das Verschweißen der Kunststofflaminattuben mit Heißluft. 380 bis 450 °C heiße Luft erhitzt die Tubenenden, die gekühlte Prägebacken anschließend zusammenpressen – je nach Kundenanforderung entweder glatt oder mit Riffelung, mit Seriennummer oder Codierung. Darauf hin kappt ein Messer die frische Schweißnaht.

An dieser Stelle des Verpackungsprozesses können Fehler auftreten. Nutzt sich beispielsweise ein Messer im Laufe der Zeit ab, wird stumpf und kann daher die Tubenenden nicht mehr korrekt abtrennen, bleiben Ecken oder Kanten stehen. Zwei In-Sight 5400 kümmern sich daher in der so genannten Trimmingstation um die lückenlose Erkennung fehlerhafter Packmittel. Zusätzlich kontrollieren sie die korrekte Verarbeitung der Schweißnaht selbst. Ist die Verschweißung nicht vollständig ausgeführt oder stimmt die Ausrichtung der Bedruckung nicht mit den vorgegebenen Parametern überein, scheidet die fehlerhafte Tube aus dem Prozess aus.

Geringere Kosten, sicherer Prozess

Die In-Sight Kameras sind mit einem zentralen Panel-PC zusammengeführt, der sämtliche Bilddateien der fehlerhaften Stücke speichert. So ist es möglich, Fehler schnell und sicher zu erkennen, ohne das aus dem Prozess bereits ausgeschiedene Packstück selbst noch einmal zu untersuchen. Hiermit erreicht IWK ein hohes Maß an Qualitätssicherheit im Verpackungsprozess.

Ein herausragender Vorteil des Cognex Vision Systems, das der Automatisierungs-Experte OCTUM electronic GmbH individuell auf die Anforderungen von IWK zugeschnitten hat, ist die In-Process-Struktur. Während konventionelle Verpackungsmaschinen einen eigenen Arbeitsschritt zur Prüfung benötigen und es damit unweigerlich zu Zeitverlusten kommt, arbeitet die von OCTUM electronic installierte Cognex Technologie direkt im Prozess. Die Prüfung spart damit Zeit und reduziert die Gesamtkosten. Denn bei einer Maschine mit extra Prüfmodul innerhalb des Gesamtprozesses wäre für jede Tube eine eigene Kamera notwendig. Bei einer Anzahl von 3x2 Tuben pro Befülldurchgang benötigte man dann insgesamt sechs Kameras pro Prüfstation also insgesamt 18 Kameras bei drei Stationen. Das wegweisende System von IWK, OCTUM und Cognex schafft die Inspektionsanforderungen bei drei In-Process-Prüfstationen mit nur sechs Kameras, maximiert dabei gleichzeitig die Prozesssicherheit und optimiert die Produktqualität.

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