Inspektion: Den Luftbläschen auf der Spur

Bisher sahen harmlose Luftblasen in Spritzen oder Ampullen für Inspektionskameras aus wie problematische Fremdkörper. Eine innovative Lösung des Körber-Geschäftsfelds Pharma erkennt den Unterschied sofort – mit erheblichem Nutzen für die Pharma-industrie.

Wenn es um Luftblasen geht, wird es für Werner Halbinger richtig ernst: „Denen habe ich den Kampf angesagt.“ Denn sie bereiten dem Bildverarbeitungs- und Laboringenieur aus dem Körber-Geschäftsfeld Pharma und den Kunden „einen ganzen Haufen Probleme“, wie Halbinger sagt. Das Geschäftsfeld Pharma bietet mit seinen Seidenader Solutions Hightech-Maschinen, die Spritzen, Ampullen und Fläschchen verschiedener Größe auf Fremdpartikel und Produktionsfehler untersuchen.

Je nach Produkt und Behältnis kommen dabei unterschiedliche Techniken zum Einsatz. Durchsichtige Flüssigkeiten in transparenten und farblosen Glasbehältern machen den Löwenanteil aller Produkte aus und werden daher für die Qualitätssicherung strengstens durchleuchtet. Alles, was einen Schatten wirft, kann ein Fremdkörper sein. Muss aber nicht: „Luftbläschen werfen aus Sicht der Detektoren leider auch Schatten“, so Halbinger. Genau das war bisher eine große Herausforderung – für den Ingenieur, seine Kollegen und die Kunden in der gesamten Pharmaindustrie.

Sicherheit geht vor

Harmlose Bläschen und problematische Partikel ließen sich oft nicht eindeutig voneinander unterscheiden. Weil man bei der Hochgeschwindigkeitsinspektion nicht warten kann, bis die unbekannten Objekte einfach zu Boden sinken und sich so als Fremdpartikel zu erkennen geben, wurden bisher alle Produkte aussortiert, in denen die Bildverarbeitungs­software beim Durchleuchten Schatten detektierte. Denn Sicherheit geht vor, das ist das zentrale Kundenversprechen von Körber.

Bei einigen Medikamenten und anderen Produkten aus dem medizinischen Bereich, etwa destilliertem Wasser oder Vitaminlösungen, die in hohen Stückzahlen produziert werden, ist dieser Fehlausschuss schlicht ärgerlich. Bei teuren Wirkstoffen ist er zudem ein wesentlicher Kostentreiber für die Hersteller, insbesondere bei Biopharmazeutika – typischerweise Krebsmedikamente, Impfstoffe gegen Infektionskrankheiten und Wirkstoffe, die multiple Sklerose bremsen. Schon ein Verfahren, das helfen würde, dass nur ein kleiner Teil der Spritzen, Ampullen und Fläschchen mit den oft aufwendig synthetisierten und in Trägerflüssigkeiten gelösten Molekülen nicht vernichtet werden müsste, brächte große Einsparungen mit sich.

Schon lange bevor Halbinger auf einen möglichen Ansatz für die Lösung des Mimikry-Spiels stieß, arbeiteten er und viele andere Ingenieure weltweit daran, wie Fehlausschuss minimiert werden kann. Die Ansätze kreisten darum zu verhindern, dass die Blasen überhaupt entstehen – oder sie wieder zu entfernen, wenn sie doch auftauchten. Viele Innovationen im Bereich Inspektion führten bereits dazu, dass die Fehlausschussraten kontinuierlich schrumpften. Gelöst war das Problem damit noch nicht.

Die Herausforderung für Halbinger war also nicht gerade klein, als ein Kunde um eine weitere Machbarkeitsstudie bat. Er nahm Testbehälter mit in sein Labor und experimentierte zuerst mit Polfiltern, die den Kontrast erhöhen, dann auch mit Farbfiltern und einer Farbkamera. Immer wieder bastelte er aus schwarzem Karton behelfsmäßige Blenden, wechselte Abstände und Filter und änderte Sensitivitäten der Bilderkennungssoftware. „Ich wollte ausnutzen, dass sich Luftblasen unter bestimmten Bedingungen wie optische Linsen verhalten“, sagt der Optikexperte. Schließlich handelt es sich bei seinen „Gegnern“ um durchsichtige kugelförmige Objekte.

Lösung per Linse

Irgendwann bemerkte Halbinger, dass sich das Rot-Grün-Blau (RGB)-Muster des Hintergrundlichts zur Durchleuchtung in einer sehr großen Luftblase spiegelte. „Interessant“, dachte der Ingenieur. Er experimentierte weiter, wechselte Einstellungen, schaute immer wieder, wie sich das Muster in der Blase verhielt. Auch wenn sich Luftblasen, vor allem wenn sie besonders klein waren, so noch nicht eindeutig erkennen ließen – der beobachtete Effekt ging Halbinger nicht mehr aus dem Kopf.

Eine sogenannte Fresnel-Linse brachte schließlich den langersehnten Durchbruch. Solche Linsen werden eingesetzt, um den Kontrast bei der Fehlererkennung zu erhöhen. In dem durch die Linse gebündelten Strahlengang heben sich auch kleinere Partikel deutlicher vom Hintergrund ab – und sind so noch eindeutiger zu erkennen. Um die Eigenschaften der Linse zu überprüfen, stellte Halbinger sie vor seinen Computerbildschirm. Dann malte er mit einem Grafikprogramm in den Farben Rot, Grün und Blau herum. 

Da waren sie: regelmäßige Muster. „Das sieht vielversprechend aus“, schoss es ihm durch den Kopf, „das müsste auch mit Luftblasen funktionieren!“ Wenig später war klar: Das tat es. Beleuchtet mit RGB-Licht durch die Fresnel-Linse, verrieten sich Luftblasen immer mit dem gleichen charakteristischen Muster: oben rot, in der Mitte grün, unten blau. Und was genauso wichtig war: Optisch transparente Partikel, klassischerweise aus Glas, zeigten gar kein, ein zufälliges oder das entgegengesetzte Farbmuster. Verantwortlich für diese Effekte sind die unterschiedlichen Brechungseigenschaften von Luftblasen und Partikeln aus festen transparenten Materialien.

„Ich habe einen Moment gebraucht, als Werner mir das präsentiert hat – aber dann war mir klar, welches Potenzial in dieser Entdeckung steckt“, erzählt Halbingers Chef, Andreas Böhme, Manager Vision Engineering für Inspektionslösungen im Körber-Geschäftsfeld Pharma. In Böhmes Kopf fing es an zu arbeiten: „Was können wir mit so einer Technologie erreichen? Und was müssen wir tun, um ein funktionsfähiges System in eine Maschine einbauen zu können?“ Denn auch die beste Idee, weiß Böhme, mache immer nur 10 bis 20 Prozent der Entwicklung aus: „Der Rest ist Umsetzung.“

Böhme, Halbinger und viele Kollegen haben genau dazu beigetragen. Heute ist die Patentanmeldung längst eingereicht und Bubble-X kommt am Markt exzellent an: Mehrere Pharmaunternehmen haben die ersten Maschinen mit der innovativen Inspektionstechnologie bestellt. „Wenn ich sie auf Konferenzen präsentiere, ist das Interesse riesig“, freut sich Vertriebsleiter Christian Scherer. „Gerade in den zurückliegenden Jahren haben wir viele neue Kunden gewonnen. Einer der gewichtigsten Gründe ist definitiv unsere Stärke in technischen Innovationen.“

Damit das so bleibt, hat sich Werner Halbinger längst wieder einen neuen „Gegner“ gesucht. Der im Grunde der alte ist: Aktuell erkennt Bubble-X Luftblasen bis zu einer Größe von 200 Mikrometern sicher. In den kommenden Jahren wird diese Grenze langsam bis 100 Mikrometer sinken, da die Auflösung der Kameras und die Bildverarbeitung immer besser werden. Darunter fängt das Reich der Microbubbles an. „Das wird hart, aber die stehen jetzt auf meiner schwarzen Liste“, sagt Halbinger.

Wie Bubble-X funktioniert

Drei Lichtquellen (rot, grün und blau – RGB-Beleuchtung) werden so angeordnet, dass der mittlere grüne Strahl die Sammellinse (1) ungebrochen passieren kann und so immer auf die Detektorkamera (3) fällt. Die roten und blauen Strahlen lenkt die Linse so ab, dass sie ohne Störung knapp an der Kamera vorbeigeleitet werden. Die drei Hauptfälle:

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