Maschinelles Sichtprüfsystem für Produktionsdaten auf Verpackungen: Anwendungen und Lichtquellenlösungen für farbige Oberflächen

1. Einleitung

In der modernen Fertigung und Logistik ist die genaue Identifizierung von Produktionsdaten auf Verpackungen entscheidend, um die Produktsicherheit zu gewährleisten, gesetzlichen Vorschriften zu entsprechen und den Lebenszyklus von Lagerbeständen zu verwalten. Die manuelle Prüfung, einst die primäre Methode, ist anfällig für menschliche Fehler, geringe Effizienz und hohe Personalkosten – Einschränkungen, denen mit maschinellen Sichtprüfsystemen (Machine Vision Systems) effektiv begegnet wird. Die maschinelle Sichtprüfung (MVI, Machine Vision Inspection) für Produktionsdaten nutzt hochauflösende Kameras, Bildverarbeitungsalgorithmen und spezielle Beleuchtung, um Datumscodes automatisch zu erkennen, zu lesen und zu überprüfen (z. B. bedruckte, lasermarkierte oder Tintenstrahldaten) auf den Verpackungen. Eine wesentliche Herausforderung entsteht dabei, wenn die Verpackungsoberflächen farbig sind, da Pigmente Licht reflektieren, absorbieren oder streuen können, wodurch die Sichtbarkeit der Datumscodes beeinträchtigt und die Prüfgenauigkeit gefährdet wird. Dieser Artikel erläutert die zentralen Produktkategorien, in denen MVI zur Datumerkennung eingesetzt wird, und stellt gezielte Beleuchtungslösungen vor, um Störungen durch farbige Verpackungen zu reduzieren.

2. Kernproduktkategorien für die Maschinenvisuelle Datenerfassung

Maschinenvisuelle Systeme zur Erkennung von Produktionsdaten werden in Branchen breitflächig eingesetzt, bei denen Rückverfolgbarkeit und Verwaltung der Haltbarkeit unverzichtbar sind. Im Folgenden sind die wichtigsten Anwendungsbereiche aufgeführt:

2.1 Lebensmittel- und Getränkeindustrie

Flexible Verpackungen : Snack-Tüten (z. B. Chips, Kekse), Süßigkeitenverpackungen und Tiefkühlbeutel. Diese bestehen in der Regel aus farbigen Kunststofffolien (z. B. rot, blau oder metallisch), die Glanz oder Lichtabsorption verursachen können.

Starre Behälter : Kunststoffflaschen (z. B. Limonade, Saft), Glasgläser (z. B. Marmeladen, Saucen) und Aluminiumdosen (z. B. Bier, Energy-Drinks). Farbige Kunststoffe (z. B. grün für Limonadeflaschen) oder undurchsichtige Metalle verschleiern häufig Datumscodes, die mit niedrigkontrastigen Tinten gedruckt sind.

Karton- und Papierverpackungen : Cornflakes-Schachteln, Brotbeutel und To-Go-Boxen. Braunes Kraftpapier oder bedruckter Karton (mit lebendigen Grafiken) kann Hintergrundrauschen erzeugen, wodurch es schwierig ist, Tintenstrahldrucke oder gestempelte Datumsangaben zu erkennen.

2.2 Pharmazeutische und Gesundheitsbranche

Bei Pharmazeutika ist eine Nullfehlerquote bei der Datumsprüfung erforderlich, da abgelaufene Medikamente erhebliche Gesundheitsrisiken darstellen. MVI wird eingesetzt für:

Blister packs : Farbige Aluminium- oder Kunststoffblisterpackungen für Pillen oder Kapseln. Datumscodes (häufig lasergraviert oder in kleinen Schriftarten gedruckt) können durch die Pigmentierung oder Textur der Verpackung verdeckt werden.

Etiketten auf Ampullen und Fläschchen : Klare oder bernsteinfarbene Glasfläschchen mit Papier- oder Kunststoffetiketten (in Farben wie Weiß, Blau oder Grün). Verschmierte Tinte oder die Krümmung der Etiketten in Kombination mit farbigen Hintergründen können das Lesen der Codes stören.

Verpackung von Medizingeräten : Sterile Verpackungen für Spritzen, Verbände oder chirurgische Instrumente. Farbiges Tyvek oder Kunststofffolien (zur besseren Sichtbarkeit oder Markenidentität) können Licht absorbieren und dadurch das gedruckte Verfallsdatum schwach erscheinen lassen.

2.3 Kosmetik- und Pflegebranche

Kosmetika (z. B. Cremes, Shampoos und Parfüms) haben eine kurze Haltbarkeit und unterliegen strengen Kennzeichnungsvorschriften. MVI wird angewandt auf:

Kunststofftuben und -flaschen : Farbige HDPE- oder PET-Flaschen (z. B. rosa für Lotionen, grün für Bio-Produkte). Datumsangaben (häufig auf dem Boden oder der Seite gedruckt) können durch die Farbe der Verpackung ausgewaschen werden, wenn die Beleuchtung falsch eingestellt ist.

Glasbehälter : Parfüm- oder Serumflaschen mit getöntem Glas (z. B. Bernstein für den Schutz von Inhaltsstoffen). Mit Laser markierte Datumsangaben auf dunklen Glasoberflächen sind ohne gezielte Beleuchtung besonders schwer erkennbar.

3. Lichtquellenlösungen zur Überwindung von Störungen durch farbige Verpackungen

Der Erfolg von MVI bei der Datumerkennung hängt von der Auswahl der richtigen Lichtquelle ab – eine Lichtquelle, die Reflexion/Absorption durch farbige Verpackungen minimiert und den Kontrast zwischen der Datumsangabe und ihrem Hintergrund maximiert. Lichtquellen werden basierend auf der verpackungsfarbe , codeart (gedruckt/Laser) , und tinte/Pigment-Eigenschaften ausgewählt. Unten sind bewährte Lösungen für häufige Szenarien mit farbigen Verpackungen aufgeführt:

3.1 Rote Verpackungen: Überwindung der Absorption mit grünem Licht

Rote Verpackungen absorbieren die meisten Lichtwellenlängen, außer Rot, das reflektiert wird. Das bedeutet, dass rote Lichtquellen die Verpackung hell erscheinen lassen, wodurch Datumscodes ausbleichen (insbesondere, wenn sie in Rot oder dunklen Tinten gedruckt sind). Um dieses Problem zu lösen:

Wählen Sie grüne Leuchtdioden (LEDs) : Grünes Licht (Wellenlänge: 520–560 nm) ist die Komplementärfarbe von Rot – rote Verpackungen absorbieren grünes Licht, während dunkle Datumsdrucke (z. B. schwarze Tinte) nur wenig grünes Licht reflektieren. Dadurch entsteht ein hochkontrastiges Bild: Die rote Verpackung erscheint dunkel (aufgrund der Absorption), und der Datumsdruck hebt sich als klares, scharfes Merkmal hervor.

Anwendungsbeispiel : Für rote Kunststoff-Snacktüten mit schwarzen Tintenstrahldaten liefert eine grüne LED-Ringleuchte (in einem 45°-Winkel positioniert, um Blendung zu vermeiden), dass die rote Oberfläche der Tüte abgedunkelt wird, wodurch die schwarzen Datumsangaben für die Kamera leicht erkennbar werden.

3.2 Blaue Verpackung: Reduzieren Sie Reflexionen mit gelbem Licht

Blau verpackung reflektiert blaues licht stark, was zu blendung führen kann, die datums codes verdecken kann – insbesondere wenn die verpackung glänzend ist (z. B. kunststoff flaschen). Blaue lichtquellen verstärken diese blendung, während gelbes licht (ergänzend zu blau) eine optimale lösung bietet:

Gelbe leds verwenden (wellenlänge: 580–595 nm) : Blaue verpackung absorbiert gelbes licht und reduziert so die blendung und verdunkelt den hintergrund. Datums codes, die mit weißer, schwarzer oder grauer tinte gedruckt sind, reflektieren gelbes licht unterschiedlich wie die verpackung, wodurch ein deutlicher kontrast entsteht.

Polarisationsfilter ergänzen : Für glänzende blaue kunststoffe (z. B. shampooflaschen) gelbe leds mit einem polarisationsfilter kombinieren. Der filter eliminiert das spekularreflexionslicht (glare) von der verpackungsoberfläche und stellt sicher, dass die kamera nur das gestreute licht des datums codes erfasst.

3.3 Schwarze oder dunkle verpackungen: Kontrast mit weißem oder nahezu infrarotem (nir-) licht verbessern

Schwarze oder dunkelbraune Verpackungen (z. B. Bierdosen, Schachteln für Schokolade) absorbieren nahezu das gesamte sichtbare Licht, wodurch gedruckte Datumsangaben (häufig in hellen Farben wie Weiß oder Gelb) schwer lesbar werden. Es gibt zwei effektive Lösungen:

Weiße LED-Leuchten mit Diffusoren : Weißes Licht sendet ein vollständiges Spektrum an Wellenlängen aus, und ein Diffusor streut das Licht, um Hotspots zu vermeiden. Dunkle Verpackungen absorbieren etwas von diesem weißen Licht, aber helle Druckfarben reflektieren es stark – dadurch entsteht ein hochkontrastiges Bild, bei dem der Datumscode hell vor dunklem Hintergrund erscheint. Dies funktioniert gut bei Inkjet- oder gestempelten Codes auf schwarzer Pappe (z. B. Cornflakeschachteln).

Nahe-Infrarot-(NIR-)Beleuchtung (Wellenlänge: 700–1100 nm) für lasermarkierte Codes auf dunklem Kunststoff oder Metall (z. B. schwarze Aluminiumdosen) ist Nahinfrarotlicht (NIR) ideal. Das Lasermarkieren verändert die Oberflächenstruktur der Verpackung (anstatt Tinte hinzuzufügen), und NIR-Licht hebt diese Texturunterschiede hervor – selbst wenn Verpackung und Code im sichtbaren Licht dieselbe Farbe haben. NIR dringt zudem durch geringfügige Oberflächenunregelmäßigkeiten (z. B. Kratzer auf dunklen Flaschen), die die Inspektion mit sichtbarem Licht stören würden.

3.4 Transparente oder getönte Kunststoffe: Refraktion mit koaxialen Lichtquellen reduzieren

Transparente oder leicht getönte Kunststoffe (z. B. klare Getränkeflaschen, braune Pillendosen) führen zu Lichtbrechung – das Biegen von Lichtstrahlen beim Durchgang durch die Verpackung, wodurch die Form des Datumscodes verzerrt wird. Gegenmaßnahmen hiergegen sind:

Koaxiale Lichtquellen (parallele Lichtquellen) : Koaxiale Lichter emittieren Licht entlang derselben Achse wie das Objektiv der Kamera, wodurch Brechung minimiert wird, da das Licht geradlinig durch die transparente Verpackung verläuft. Kombinieren Sie koaxiale Lichter für getönte Kunststoffe (z. B. Bernstein-Glasvials) mit einer Wellenlänge, die der Reflektivität der Tinte entspricht. Bernstein-Kunststoff absorbiert beispielsweise blaues Licht, lässt aber gelbes Licht durch – ein gelbes koaxiales Licht dringt somit durch den Kunststoff und reflektiert von weißen Tintendatumscodes, wodurch diese sichtbar werden.

Anwendungsbeispiel : Bei klaren Kunststoffwasserflaschen mit schwarzen gedruckten Datumsangaben auf dem Boden eliminiert ein weißes koaxiales Licht die Brechung an der gewölbten Flaschenoberfläche, sodass der Datencode in der Kameraaufnahme klar und unverzerrt erscheint.

4. Fazit

Die maschinelle Sichtprüfung ist unverzichtbar geworden, um eine genaue Erkennung des Produktionsdatums in der Lebensmittel-, Pharmazeutischen- und Kosmetikindustrie sicherzustellen, wo die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und die Produktsicherheit an erster Stelle stehen. Bunte Verpackungen stellen jedoch weiterhin eine große Herausforderung dar, da sie das Licht absorbieren, reflektieren oder streuen können – was die Sichtbarkeit von Codes beeinträchtigt. Durch die Auswahl von Lichtquellen anhand komplementärer Farben (z. B. Grün für rote Verpackungen, Gelb für blaue Verpackungen), den Einsatz von Nahinfrarotlicht (NIR) für dunkle Oberflächen und die Verwendung koaxialer Beleuchtung für transparente Materialien können Hersteller Störungen eliminieren und eine zuverlässige, hochpräzise Datumsprüfung erreichen. Mit zunehmender Komplexität der Verpackungsdesigns (z. B. metallische Oberflächen, mehrfarbige Grafiken) werden zukünftige Fortschritte in adaptiven Beleuchtungssystemen – ausgestattet mit KI zur automatischen Anpassung von Wellenlänge und Lichtintensität – die Effizienz und Vielseitigkeit der maschinellen Sichtprüfung von Datumsangaben weiter verbessern.