Winziges autarkes Vision-System überwacht Herstellung von Miniatur-Implantaten

Überlebenshelfer im Visier

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In der Implantatemedizin ist höchste Präzision notwendig. Wenige tausendstel Millimeter entscheiden über Ausschuss oder Gutteil. Ein Hersteller medizinischer Mini-Implantate baut daher in seiner neuen Laserschneidanlage auf das Know-how erfahrener Bildverarbeitungsexperten. Eine wichtige Rolle spielt dabei ein winziges Vision-System.

Der Autor Ralf Baumann, freier Journalist, erstellte den Beitrag nach Informationen der Cognex Germany Inc., beide Karlsruhe

Sollen kleinste dreidimensionale Körper hoch präzise bearbeitet werden, ist Laserschneiden eine schnelle und saubere Lösung. Gerade bei dünnwandigen Werkstücken, wie kleinen Rohre für die Medizintechnik, erzielt diese nahezu kraftfreie Bearbeitung fast jede gewünschte Form. Selbst komplexe geometrische Strukturen sind kein Problem – und das in Sekundenschnelle.
Die Admedes Schuessler GmbH, Pforzheim, ist auf die Bearbeitung medizinischer Miniaturkomponenten spezialisiert und nutzt hierfür modernste Laserverfahren. Die hoch präzisen Produkte aus Nitinol (Form-Gedächtnislegierung aus Nickel-Titan mit Memory-Effekt) reichen vom Stent zur Stabilisierung von Blutgefäßen bis zur Einfassung für künstliche Herzklappen. Die feinsten Strukturen schneidet der Laser ultra-präzise mit extrem hoher Reproduzierbarkeitsrate.
In ihrem neuesten Projekt verbinden die Ingenieure aus Pforzheim ihr Laser-Know-how mit moderner Vision-Technologie, die von der Visolution GmbH aus Kandel realisiert wurde. Das dabei installierte hochauflösende Vision-System „In-Sight Micro 1403“ mit der Vision-Software „Patmax“ von Cognex und seinen sicheren Bildverarbeitungs-Algorithmen garantiert die präzise Kontrolle beim Schnitt – und das mit einer Genauigkeit, von der Chirurgen nur träumen können.
Sichere Konturerfassung
Die Strahlquelle mit der hoch gebündelten Energie des Lasers ist im oberen Bereich der Anlage angesiedelt. Ein Spiegel lenkt den Laserstrahl senkrecht nach unten ab. In der Schneiddüse ist der Laserstrahl sehr fein fokussiert und schneidet durch die gebündelte Energie aus dem zu bearbeitenden Metallrohr eine hochpräzise, hauchdünne Metallstruktur.
Wichtig ist dabei die sehr genaue Positionsbestimmung und Lage des zu bearbeitenden Röhrchens. Das intelligente Vision-System In-Sight Micro 1403 mit seiner Bildauflösung von 1600 x 1200 Pixeln ermittelt vor der Laserbearbeitung die Rohrkoordinaten mit hoher Präzision. Die Maschine passt dann die Werkstück-Position mittels des auf einer Linearachse verfahrbaren Spannbackenfutters laufend an die Sollposition an. Dieser Prozess erfolgt mit der Präzision weniger tausendstel Millimeter.
Dabei orientiert sich das Vision-System an einer markanten Rohrkontur, die in einem vorgelagerten Bearbeitungsschritt geformt wurde. Seitlich auf das Werkstück gerichtet und unterstützt durch eine gegenüberliegende telezentrische Beleuchtung erkennt das In-Sight Micro extrem genau und sicher die charakteristische Kontur. Die telezentrische Lichtquelle und das Vision-System sind im gleichen massiven Rahmen zusammengefasst. Das stellt sicher, dass beide – selbst bei dem relativ großen Abstand von beidseitig rund 80 mm zum Werkstück – immer hochpräzise aufeinander ausgerichtet sind.
In detaillierten Testreihen für die Bilderfassung ermittelte der Systemintegrator Visolution den optimalen Mittelwert für Tiefenschärfe und Auflösung der Bauteile im Makro-Bereich. Befindet sich das Edelstahlrohr in der richtigen Position, schneidet der Laser die gewünschte Kontur mit einer Genauigkeit von ±3 µm aus dem rotierenden Werkstück.
Exakt lokalisiert
Bei der Ultra-Präzisionsfertigung von Miniaturkomponenten geht es um tausendstel Millimeter und die Anlagen sind schon aus Stabilitätsgründen möglichst kompakt gebaut. Dementsprechend war bei dieser Aufgabe der Raum für die Vision-Hardware knapp. Dennoch war höchste Präzision gefordert. Ein Grund, warum man sich bei Admedes für das kompakte autarke Vi- sion-System In-Sight Micro 1403 entschieden hat.
Das System ist mit seinen 30 mm x 30 mm x 60 mm enorm platzsparend und dabei flexibel in der Montage. Mittels nichtlinearen Kalibrierwerkzeugs kann der Einbau selbst unter beengten Verhältnissen in einem Winkel von bis zu 45° erfolgen. Hinzu kommen die im System integrierten Fähigkeiten der Bildverarbeitungs-Algorithmen der Vision-Software Patmax. Diese gewährleistet die hochgenaue Identifikation und Positionsbestimmung von Konturen bis in den Subpixelbereich.
Die geometrieorientierte Arbeitsweise von Patmax ist auch ein wichtiger Aspekt in der einfachen Programmierung von sehr anspruchsvollen Bildverarbeitungsaufgaben und minimiert die manuellen Eingriffe des Bedienpersonals. Aus der Analyse der geometrischen Informationen sowohl der Merkmale als auch deren räumliche Relation wird die Position des Objektes eindeutig und hochgenau bestimmt. Auch Konturen mit geringem Kontrast sind kein Problem.
Online-Info

Die Produktfamilie In-Sight

Die Vision-Systeme In-Sight mit den Serien 5400 und 5600 sowie der klein dimensionierten Serie In-Sight Micro 1020 bis 1413 können viele Aufgaben übernehmen, die bislang PC-basierten Systemen vorbehalten waren. Im robusten Kunststoff- (IP67) oder Edelstahlgehäuse (IP68) sind Kamera, Rechner, Kommunikationsschnittstellen und LED-Beleuchtung zusammengefasst. Die kompakte Bauweise gewährleistet auf einfache Weise die Installation direkt vor Ort in die Prozesslinien. Das neue Kommunikationspaket „Cognex Connect“ ermöglicht einen sofortigen einfachen Anschluss jedes In-Sight-Systems an nahezu alle gängigen SPS, Roboter, MMS und Feldbus-Systeme. Zu In-Sight erhältlich sind die Vision-Softwarepakete Patmax, Patinspect, Patflex, IDMax und OCVMax. Diese ermöglichen die einfache Programmierung komplexer und anspruchsvoller Anforderungen.
Mit der Vision-Entwicklungsumgebung „In-Sight Explorer“ und der Bedieneinheit „Visionview 700“ lassen sich ganze In-Sight-Netzwerke erstellen und programmieren. Mit der Konfigura- tionssoftware „Easybuilder“ können die Bildverarbeitungswerkzeuge auch von Anfängern schnell eingesetzt werden.
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