Ausgelöst durch ein gemeinsames

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1 20 JAHRE DOMAS - GESCHICHTE UND ZUKUNFT NEUE GENERATION DES PTS-BILDANALYSESYSTEMS GEHT AN DEN MARKT Spiritus rector: Dr. Rainer Klein beginnt 1994 an der PTS mit der Nutzung der digitalen Bildanalytik für die Papierindustrie und hatte maßgeblichen Anteil an der Entwicklung der Bildanalysesoftware DOMAS Das Entwicklerteam von DOMASmultispec: Dr. Enrico Pigorsch, Björn Zimmermann, Dr. Frank Nießner, Jörg Hempel und Dr. Patrick Plew; vorne: David Hanke, Monique Erdt und Stefan Meyer (v.l.n.r.) Ausgelöst durch ein gemeinsames Projekt mit der Firma Haindl in Augsburg (heute UPM), begann im Jahr 1994 die Erfolgsgeschichte von DOMAS, einem Bildanalysesystem speziell für die Papierindustrie. Nach der Programmierung eines ersten Tools zur Bewertung der Qualität von Deinkingpapieren an der PTS in München durch die Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Rainer Klein, stand bereits im nächsten Jahr eine Pilotversion der heute stark verbreiteten Module Schmutzpunkte und Stickies zur Verfügung. Es folgten ein Jahr später die Module Missing Dots und Formation. Kaum jemand hätte zum damaligen Zeitpunkt damit gerechnet, dass sich die ursprünglich noch für Forschungszwecke ausgelegte 20 Jahre später mehr als 200 mal in den verschiedenen Bereichen der Papier erzeugenden und Papier verarbeitenden Industrie weltweit in Anwendung befindet. Entscheidend für den Erfolg war die kontinuierliche Weiterentwicklung und Anpassung der an die aktuellen technischen Entwicklungen. Zahlreiche Adaptionen an neu erschienene Betriebssysteme mussten implementiert werden, ebenso wie gerätespezifische Schnittstellen zu neuen und besseren modellen. Vor 3 Jahren hat sich die PTS entschlossen, das System auf eine neue plattform zu stellen, was eine komplette Neuentwicklung bedeutete. Wesentlicher für DOMASmultispec sind aber die vielen inhaltlichen Neuerungen, die mit dieser Entwicklung verbunden wurden: Mit der Nutzung weiterer Bereiche des elektromagnetischen Spektrums unter Einbindung neuer bildgebender Aufnahmegeräte werden Analysen von Materialproben unter bisher nicht gekannten Blickwinkeln möglich. Die Fusion bildanalytischer Daten mit chemischen Informationen schafft völlig neue Auswertemöglichkeiten im System. Durch Orientierung auf faserbasierte Materialien gibt es auch mehr Anwendung in benachbarten Branchen (Textil, Holz). Ein besonderer Fokus liegt künftig auf Multilayern und Kompositmaterialien. Neu ist auch eine präzisere Trennung zwischen Labor- und Expertenmodus; der Labormodus sichert eine einfache, effiziente und reproduzierbare Bearbeitung der tagtäglichen Aufgaben der Qualitätssicherung in der Produktion. Der Expertenmodus bietet umfangreiche Möglichkeiten für wissenschaftliche Untersuchungen in Entwicklung und Forschung. Eine weitere, für die Zukunft von DO- MASmultispec wesentliche Neuerung, ist die Gestaltung der als offene Bildanalyseplattform. Dadurch steht DOMASmultispec für Partner als Basis für weitere Anwendungsentwicklungen zur Verfügung. So werden in Zukunft beispielsweise Algorithmen vom PMV 6 Y PTS NEWS 01/2014

2 Darmstadt in die DOMAS-Entwicklung einfließen können. Eine gute Zusammenarbeit besteht zudem mit dem Messgerätehersteller Frank-PTI. Mit der Integration von DOMASmultispec in die PTI-Line Prüfstraße erfolgt ein nächster Schritt zur Laborautomatisierung. Nach der ersten Auslieferung der neuen Version an ausgewählte Pilotkunden wird noch in diesem Jahr das neue DOMASmultispec auf einer Nutzerkonferenz den Kunden ausführlich vorgestellt werden. Ganz oben steht für dabei die Normkonformität der vorhandenen Messungen. So werden weiterhin alle bisher implementierten Standards unterstützt und natürlich auch in Zukunft die Aufnahmegeräte in bewährter Weise kalibriet werden. Damit soll der Übergang von der alten zur neuen DOMAS-Version einfach ermöglicht werden. Durch die strategische Partnerschaft mit Elof Hansson und Frank PTI wird DOMASmultispec in Zukunft verstärkt weltweit verkauft und erfährt weitere Verbreitung. Damit sind alle Voraussetzungen gegeben, dass mit dem neuen DOMASmultispec die Erfolgsgeschichte weiter fortgesetzt wird und zukünftige Herausforderungen gemeistert werden können. DOMASmultispec DAS NEUE KONZEPT DIE WICHTIGSTEN ÄNDERUNGEN UND VORTEILE IM ÜBERBLICK DOMAS ist seit vielen Jahren am Markt etabliert und stellt heute ein optisches Standardanalysesystem in den Laboren der Papierindustrie dar. Innovationen im Bereich von Hard- und induzierten völlig neue Analyseverfahren, die sich nicht mehr in das bewährte System integrieren ließen. Mit dem neuen DOMASmultispec entwickelte die PTS ein Produkt, das die neuen technischen Optionen nutzt. Dadurch können beispielsweise wesentlich größere Datenbestände analysiert werden. Des Weiteren wurde die Basis dafür geschaffen, in Ergänzung zu optischen Bildern, aufgenommen mit oder Kamera, multispektrale Daten aufzunehmen, zu verarbeiten und zu analysieren. Für den Nutzer präsentiert sich das neue DOMASmultispec mit einem frischen und intuitiv zu bedienenden Layout. Die bewährte Modularität des Systems bleibt erhalten und wird noch deutlicher durch den Startbildschirm des Programms ersichtlich. Hier werden in einer Liste alle verfügbaren Module dargestellt. Für jedes Modul können verschiedene Messserien angelegt und parallel abgearbeitet werden. Die entsprechenden Analyseparameter können komfortabel aus einer entsprechenden Parameterdatei geladen werden. Dabei wurde bei der Entwicklung darauf geachtet, die Bedienhandlungen so weit als möglich für den normalen Benutzer zu reduzieren. Gleichzeitig werden dem Administrator vielfältige Möglichkeiten zur Parametrierung offen gelassen. Die bekannte DOMAS- Funktionalität wird weiterhin unterstützt. Im Startfenster des neuen DOMASmutispec ist die bewährte Modularität auf einen Blick zu sehen. Arbeitsplatz DOMASmutispec mit NIR und Epson- PTS NEWS 01/2014 Y 7

3 Die Analyseergebnisse werden dem Benutzer tabellarisch und als Diagramme direkt im Programm dargestellt. Eine parallele Installation von Microsoft Excel ist nicht mehr notwendig. Eine weitere wichtige Neuerung ist die integrierte Möglichkeit, firmenspezifisch angepasste Reports aus den Ergebnissen zu erstellen und speichern oder ausdrucken zu können. Der modulare Aufbau des Systems setzt sich in den offenen Systemschnittstellen fort. Dadurch will die PTS zukünftig in Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern das System erweitern. So gibt es eine derartige Schnittstelle für entwickler, um deren Hardware direkt in DOMASmultispec integrieren und benutzen zu können. Des Weiteren wird die Schnittstelle für die Analyse-Module allen zugänglich sein, so dass zukünftig verschiedene Algorithmen von Messverfahrensentwicklern direkt integriert werden können, ohne zusätzlichen Aufwand in die Erstellung von Datenaufnahme und -handling investieren zu müssen. Mit diesem neuen System will die PTS die Basis schaffen, auf der in den nächsten Jahren die Analyse von verschiedenen Eigenschaften faserbasierter Werkstoffe realisiert werden wird. tools: Datenaufnahme, -vorverarbeitung, -verarbeitung, -speicherung -Parametrisierung, Ergebnisvisualisierung, -protokollierung Standard-Betriebssystem WINDOWS Standard- PC Spezielle papiertechnische Analyse- (Module) Melierfasern Blattformation Strukturanalyse Missing Dots Mottling Stickies Messverfahrensentwickler Schmutzpunktmessung Störstoffverteilung (x,y) Der konzeptionelle Aufbau von DOMASmultispec Füllstoffverteilung (x,y) Pigmentverteilung Die Vorteile des neuen DOMASmultispec auf einen Blick Neue Funktionen für Anwender: Modulare Analyse wichtiger Eigenschaften faserbasierter Werkstoffe Bekannte DOMAS-Funktionalität nun einfacher benutzbar Abarbeitung paralleler Messserien Integrierte Ergebnisübersicht und Reporterstellung Anpassung an moderne 64Bit-Windows-Betriebssysteme Offene Schnittstellen für Partner: Einfache Integration von neuer Hardware von entwicklern Einfache und schnelle Benutzung neuer Analysemethoden von Messverfahrensentwicklern VIS VIS Kamera NIR THz Thermo Bibliothek Datenfusionsmodul entwickler DOMASmultispec wird als deutsch- oder englischsprachige Version ausgeliefert. INNOVATIVE FORMATIONSMESSUNG MIT DOMASmultispec EIN KOMPLETT NEUES WERKZEUG ZUR QUALITÄTSSICHERUNG Die Formation (oder auch Wolkigkeit) als Maß für die Gleichmäßigkeit der Masseverteilung (Fasern und weitere Papierbestandteile) ist eine der bedeutsamsten Kenngrößen zur Qualitätsbewertung von Papieren und verwandten Faserverbunden. Eine hohe Gleichmäßigkeit im Papier ist eine der wichtigsten Zielstellungen des Papierherstellungsprozesses, da sie unmittelbaren Einfluss auf die optischen und mechanischen Eigenschaften des Produkts nimmt und somit wesentliche Eigenschaften für die Weiterverarbeitung und für die wirtschaftliche Verwertung definiert. Für das neue DOMASmultispec wurde die bewährte DOMAS-Formationsanalyse grundlegend weiterentwickelt und an die Empfehlungen des ZELLCHEMING- Merkblatts zur Vereinheitlichung der Formationsmessungen angepasst. Hierdurch wird nun erstmals eine grundsätzliche Vergleichbarkeit jeglicher Formationsmessungen ermöglicht, die gemäß dieser Empfehlung durchgeführt wurden. Das Merkblatt schlägt zwei unterschiedliche Verfahren zur Formationsbewertung vor: die algorithmische Auswertung des Originalbildes oder die Berechnung des Spektrumsbildes durch eine schnelle Fouriertransformation und eine nachfolgende Auswertung der Ener- gieverteilung im Spektralbereich. In der DOMASmultispecFormationsanalyse sind beide Verfahren parallel implementiert und können unabhängig voneinander oder gemeinsam angewendet werden, um spezifischen Messaufgaben gerecht zu werden. Darüber hinaus wurde bei der Umsetzung der Analysealgorithmen streng darauf geachtet, dass auch die Vergleichbarkeit zu der bewährten DOMAS-Formationsanalyse gewahrt bleibt. Ein bildgebendes Verfahren der Analyse bleibt wie bisher eine Transmissionslichtmessung mit von der PTS speziell ausgewähten und kalibrierten Epson V750-n, die eine Analyse 8 Y PTS NEWS 01/2014

4 Regions of Interest (ROI) und Auswertungen des Formationsmoduls von DOMASmultispec Die Vorteile der Formationsbestimmung im neuen DOMASmultispec auf einen Blick Messungen gemäß Zellcheming Empfehlung Implementierung von zwei unabhängigen Standard-Analysealgorithmen Vergleichbarkeit zur bewährten DOMAS-Formationsanalyse Beschreibung der Formation durch drei konforme Parameter Kontrast, Wolkigkeit und Orientierung Besondere Vorteile bei Verwendung des THz-basierten Formationsmoduls von DOMASmultispec: Messung von Papier, Holz, Textilien, Kunststoffen, etc. mit hohen Flächengewichten Keine kostenintensiven Sicherheitsvorkehrungen und Auflagen Schnellere Messungen (im Vergleich zu herkömmlichen radiometrischen Verfahren) Präzisere Ergebnisse von bis zu 200 g/m 2 schweren Papieren erlaubt. Die Formation wird nun empfehlungskonform durch die drei Parameter Kontrast, Wolkigkeit und Orientierung beschrieben, die jeweils unabhängige Eigenschaften des Papierbildes erfassen. Kleinere Werte für die Kennzahlen Kontrast und Wolkigkeit signalisieren höhere Gleichmäßigkeiten (=bessere Formation). Die Kennzahl für die Orientierung liegt im Wertebereich -1 bis 1, wobei Werte nahe Null das Nichtvorhandensein einer Orientierung anzeigen. Eine echte Innovation in der DOMASmultispec-Formationsbewertung stellt die Analyse von Materialien mit hohen Flächengewichten von bis zu 1000 g/m 2 dar, die als gesondertes DOMASmultispec- Modul angeboten werden wird. Die Datengewinnung erfolgt dabei durch Verwendung spezieller Terahertz-Kameras. Da THz-Wellen die große Eindringtiefe der Mikrowellen mit der Auflösung des höherfrequenten Infrarotbereiches vereinen, eignen sie sich hervorragend zur Analyse verschiedenster Materialsysteme, wie etwa Compounds oder Mehrlagensysteme auch im Bereich Holz, Textilien, Kunststoff, etc. Des Weiteren werden von THz-Frequenzen niederfrequente Schwingungen großer Moleküle oder intermolekulare Schwingungen angeregt, so dass andere Kontrastmechanismen als in anderen Wellenlängenbereichen zugänglich werden. Im Gegensatz zu der ebenfalls Material durchleuchtenden Isotopenstrahlung sind THz-Wellen ungefährlich, da sie nicht ionisierend wirken. Die Sicherheitsvorkehrungen und Auflagen beim Umgang mit radioaktiven Stoffen, die vom Betreiber zu erfüllen sind, wenn eine herkömmliche Formationsmessung dicker Papiere mittels Isotopenstrahlung durchgeführt wird, entfallen bei der THzbasierten DOMASmultispec-Formationsbewertung gänzlich. Darüber hinaus ist eine THz-Messung schneller (< 2 min [THz] vs min [vergl. radiometrische Verfahren]) und verarbeitet eine deutlich größere Anzahl von Messpunkten ( Messpunkte [THz] vs Messpunkte [vergl. radiometrische Verfahren]). Im Ergebnis wird mit dem THz-basierten DOMASmultispec-Formationsmodul ein gänzlich neues Werkzeug zur Qualitätssicherung in der Produktion von Papieren mit hohen Flächengewichten, Compounds, Mehrlagensystemen, etc. angeboten, das weit über die Papierbranche hinaus Anwendung findet. frank.niessner@ptspaper.de PTS NEWS 01/2014 Y 9

5 NEUE MÖGLICHKEITEN DER PAPIERANALYSE DURCH NIR-CHEMICAL-IMAGING Schwingungsspektroskopische Messmethoden wie die Nahinfrarot (NIR)-, Infrarot (IR)- und Raman-Spektroskopie, sind besonders gut geeignet, Papiere und Papieroberflächen chemisch zu analysieren. Mit entsprechenden Reflexionsmethoden können Papierproben direkt und ohne Probenvorbereitung gemessen werden. Die Spektren enthalten dabei sowohl qualitative als auch quantitative Informationen. Erst seit relativ kurzer Zeit sind diese spektroskopischen Messverfahren auch als sogenannte Chemical-Imaging-Techniken anwendbar. Die Chemical-Imaging- Technik ermöglicht die Kombination der chemischen Information aus spektroskopischen Analysemethoden mit der örtlichen Information zur Verteilung von chemischen Substanzen. Damit lassen sich die analytischen Fragen beantworten: Welche Inhaltsstoffe und wie viel davon sind in der Probe? und vor allem Wo sind sie? bzw. Wie sind sie verteilt? Das neue DOMASmultispec wird verschiedene Chemical-Imaging-Mess- und Auswertemodule zur Verfügung stellen, u.a. für NIR- und Raman-Imaging-Messungen. Die Nahinfrarot (NIR)-Spektroskopie ist besonders gut für die Messung des flächigen Materials Papier geeignet. Die Messung ist berührungslos, erfordert keine Probenvorbereitung und ist somit zerstörungsfrei. Die Messungen erfolgen sehr schnell und ermöglichen das Abscannen von großen Flächen bzw. vielen Proben in kurzer Zeit. Des Weiteren besitzt die NIR-Strahlung eine relativ hohe Eindringtiefe von bis zu 250 µm und ermöglicht daher auch die Analyse von Partikeln und chemischen Substanzen im Innern des Papiers. Die maximal erreichbare Ortsauflösung in der Fläche beträgt ca. 100 µm. Die chemischen Bilder einer Probe werden durch die Farbkodierung der chemischen Informationen in jedem Spektrum der gemessenen Spektrenmatrix erzeugt. Durch die Variation der Auswerteparameter ist es möglich, aus einem Spektrendatensatz mehrere chemische Bilder zu erzeugen, die jeweils die Verteilung von verschiedenen Substanzen Analytische Ziele und Vorteile des NIR-Chemical-Imaging Analytische Ziele: Chemische Zusammensetzung von Proben (Detektion und Identifizierung) Örtliche Verteilung von chemischen Inhaltsstoffen in der Probe Homogenität von Oberflächen (chemisch oder morphologisch) Vorteile und Stärken: Schnelles Scannen von großen Probenoberflächen > A3 und großer Probendurchsatz Spektrale Daten enthalten qualitative und quantitative Informationen Auswertung quantitativer Informationen ohne aufwändige Kalibrierung Eine Messung enthält Informationen zu mehreren Komponenten (Bildfusion) Makro- und Mikroanalyse mit örtlicher Auflösung von cm bis µm möglich NIR-Modul von DOMASmultispec mit chemischen Bild und NIR-Spektren darstellen können. Die Auswertung der erhaltenen chemischen Bilder kann zwar rein visuell erfolgen, Ziel der Analyse sollte es jedoch sein, die Verteilungen auch quantitativ zu bewerten. Dazu stehen verschiedene Methoden und Verfahren zur Verfügung. Anhand der erhaltenen Zahlenwerte für jeden Bildpunkt können Verteilungskurven oder Histogramme erstellt werden. Weiterhin kann man die Homogenität von Verteilungen durch Verteilungsoder Bewertungsindexe beurteilen. Ergänzend können die chemischen Bilder als Grau- oder RGB-Bilder abgespeichert und mit bildanalytischen Methoden ausgewertet werden. All diese Funktio- nen beinhaltet das neue DOMAS-Modul NIR-Chemical Imaging. Die NIR-Chemical-Imaging-Technik bietet völlig neue Möglichkeiten der Papieranalyse. Die große Anzahl, die hohe Dichte und die stoffliche Spezifität der erhaltenen Daten für große Papierflächen, ermöglichen Einsichten in den Aufbau von Papier, wie es mit bisher angewendeten Analysemethoden nicht möglich war. 10 Y PTS NEWS 01/2014