Echtzeit-3D-Laserinspektion von Stahlkanten

Die Herausforderung bestand dabei jedoch nicht allein in der Fehlerdetektion selbst. Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 350 Metern pro Minute stellen hohe Anforderungen an Sensorik, Datenerfassung und Datenverarbeitung. Gleichzeitig müssen die Messdaten zuverlässig und reproduzierbar sein, unabhängig von Materialeigenschaften oder Umgebungsbedingungen. Insbesondere konventionelle kamerabasierte Ansätze stoßen hierbei häufig an Grenzen, da sie stark von Beleuchtungseinflüssen abhängig sind. Die Entscheidung fiel deshalb auf eine 3D-Lasertriangulationslösung von AT Sensors. „Wir arbeiten bereits seit einigen Jahren mit AT Sensors zusammen. Und für uns ist es ein großer Benefit, dass wir im Engineering eine sehr ähnliche Denk- und Arbeitsweise haben, sodass wir als Systemintegrator eine optimale Brücke bilden zwischen den 3D-Laserprofilsensoren von AT und ArcelorMittal als Endkunden. Das bedeutet im Klartext, dass wir optimal übersetzen können, welche Voraussetzungen es gibt und was der Stahlhersteller sich wünscht. Wie hier bei der Blechkanteninspektion“, erklärt Michael Selent, CEO von SELMATEC.  

Und Gerrit Schröder, Applikationsingenieur von ArcelorMittal Bremen, ergänzt: „Bei den hohen Taktraten der Stahlbänder sind klassische 2D-Kamerasysteme nur begrenzt einsetzbar: Lichtänderungen durch Vibration, Reflexionen metallischer Oberflächen und wechselnde Materialeigenschaften führen zu instabilen Messergebnissen. Was für die Qualitätskontrolle tatsächlich zählt, ist die dreidimensionale Geometrie der Kante, sprich Profil, Gratbildung, Einrisstiefe und Kantengleichmäßigkeit. Diese Parameter lassen sich nur durch echte 3D-Messung zuverlässig erfassen.“

Die Anforderungen an den Sensor waren entsprechend anspruchsvoll: eine hohe Profilrate für die lückenlose Erfassung bei Maximalgeschwindigkeit, ausreichende laterale Auflösung für die Detektion relevanter Kantenfehler sowie eine stabile Messwertlieferung über ein breites Spektrum von Oberflächeneigenschaften – vom blankgewalzten bis zum oxidierten Stahl. Hinzu kommt die harte Industrieumgebung: Vibrationen, Staub, Zunder und wechselnde Temperaturen sind im Kaltwalzwerk keine Ausnahmen, sondern der Regelfall.

Ausgehend von diesen Anforderungen schlug AT Sensors Selmatec den Einsatz des 3D-Laserprofilsensors C6-1280CS23-29 GigE der Laserklasse 3R mit einer Laserwellenlänge von 405 Nanometern für diese Applikation vor. Die eingesetzte Blaulaser-Technologie ermöglicht eine besonders präzise Detektion feiner Kantenstrukturen und liefert auch auf stark reflektierenden Metalloberflächen stabile Messergebnisse.

Der Sensor arbeitet nach dem Prinzip der Lasertriangulation: Eine projizierte Laserlinie wird von einem CMOS-Sensor aus einem definierten Betrachtungswinkel aufgenommen und in ein hochauflösendes 3D-Profil der Bandkante umgerechnet. Mit 1.280 Messpunkten pro Profil, einer Auflösung X von 21,9 µm und einer Auflösung Z von 0,7 µm sowie einer Profilrate von bis zu 174 kHz und einem Sichtfeld von 28 mm lassen sich dabei selbst kleinste geometrische Abweichungen, Gratbildungen oder Einrisse zuverlässig detektieren.

Neben der hohen Messrate bietet die Lösung einen weiteren entscheidenden Vorteil: Dank des modularen Sensorportfolios von AT Sensors lässt sich das Sichtfeld präzise an die jeweilige Anwendung anpassen. Ergänzend sorgen intelligente Auswertefunktionen auch unter anspruchsvollen Produktionsbedingungen für stabile und reproduzierbare Messdaten.

„Die Stahlindustrie steht vor immer größer werdenden Qualitätsanforderungen: engere Toleranzvorgaben, steigende Ansprüche an Oberflächengüte und Profilgenauigkeit sowie der wachsende Druck zur Null-Fehler-Produktion. Eine lückenlose, inline-fähige Qualitätskontrolle ist daher unabdingbar und genau hier setzt AT Sensors an“, erklärt Dr.-Ing. Athinodoros Klipfel, Vertriebsleiter bei AT Sensors. „Die Stahlindustrie gehört für uns zu den wichtigsten Fokusmärkten. Deshalb entwickeln wir unsere Sensorik gezielt auf deren Anforderungen weiter mit der Fähigkeit, unsere Sensorik präzise auf die jeweilige Applikation anzupassen, ohne dabei Abstriche bei Lieferzeit oder Wirtschaftlichkeit zu machen.“

Ein zusätzlicher Nutzen ergibt sich bei der Werkzeugüberwachung: Verliert das Messer zum Schneiden der Coils an Schärfe, verschlechtert sich die Qualität der Kanten zunehmend. Die kontinuierliche Überwachung ermöglicht es erstmals, den optimalen Zeitpunkt für einen Messerwechsel präzise zu bestimmen und damit unnötige Wartungsmaßnahmen ebenso wie Qualitätsverluste zu vermeiden. Für ArcelorMittal Bremen bedeutet dies eine höhere Prozessstabilität, weniger Ausschuss und eine gleichbleibend hohe Qualität des Endprodukts.

„Die Innovation dahinter ist, die robuste, präzise und schnelle 3D-Lasertriangulationsmessung sinnvoll in Echtzeit auszuwerten und übergeordneten Steuerungen über Standardschnittstellen wie OPC-UA, ProfiNet oder Modbus verarbeitbare Signale zur Fehlermarkierung zu übergeben“, beschreibt SELMATEC-Geschäftsführer Michael Selent die Kernaufgabe des Projekts. Diese direkte Integration in die Produktionsleittechnik ist entscheidend dafür, dass aus Messdaten auch operative Konsequenzen gezogen werden können, wie etwa ein rechtzeitiger Messerwechsel, bevor die Kantenqualität unter den Toleranzbereich sinkt.

Die Kanteninspektionsanlage ist in einem Anlagenteil des Kaltwalzwerks bei ArcelorMittal Bremen integriert. Während das Stahlband kontinuierlich durch die Schneidanlage läuft, erfasst der Laserprofilsensor durchgehend hochauflösende 3D-Profile der Bandkante. Die von SELMATEC entwickelte Software analysiert die Geometriedaten unmittelbar und erkennt Unregelmäßigkeiten oder Defekte in Echtzeit.

Die Ergebnisse werden über Standardschnittstellen wie OPC-UA, Profinet oder Modbus an übergeordnete Steuerungssysteme übertragen und können dort unmittelbar weiterverarbeitet werden. Fehlerstellen lassen sich automatisch markieren oder Prozessparameter gezielt anpassen. Dadurch entsteht nicht nur eine reine Qualitätskontrolle, sondern eine aktive Prozessüberwachung.

Zusätzlich eröffnet die lückenlose Dokumentation aller Messdaten Möglichkeiten für Prozessanalysen: Wie verändert sich das Kantenprofil über die Standzeit eines Messers? Bei welchen Prozessparametern treten bestimmte Fehlermuster gehäuft auf? Solche Daten bilden die Grundlage für eine datengestützte Optimierung des gesamten Beschneidungsprozesses.

Die Entwicklung der automatisierten Stahlkanteninspektion für ArcelorMittal Bremen verdeutlicht, welchen Beitrag moderne 3D-Messtechnik heute zur Prozess- und Qualitätssicherung in der Stahlindustrie leisten kann. Der 3D-Laserprofilsensor C6-1280CS23-29 GigE von AT Sensors bildet dabei die Grundlage für eine robuste Inline-Inspektion bei Bandgeschwindigkeiten von bis zu 350 m/min. SELMATEC ergänzt die Lösung um die Systemintegration, die Echtzeit-Auswertung sowie die Anbindung an industrielle Steuerschnittstellen.

Gleichzeitig unterstreicht das Projekt, dass hochpräzise 3D-Laserprofilmesstechnik längst nicht mehr ausschließlich in der Elektronik- oder Automobilindustrie eingesetzt wird. Gerade in der Schwerindustrie gewinnen Echtzeitfähigkeit, reproduzierbare Messdaten und eine lückenlose Prozessüberwachung zunehmend an Bedeutung.

Wer die Qualität seiner Bandkanten bereits während der laufenden Produktion zuverlässig überwachen kann, reduziert Ausschuss, optimiert den Einsatz seiner Werkzeuge und schafft die Grundlage für eine durchgängige Qualitätsdokumentation. Genau darin liegt der eigentliche Mehrwert dieser Technologie: mehr Prozesskontrolle, stabilere Produktionsabläufe und eine konstant hohe Qualität des Endprodukts.