Auf der richtigen Welle

Durch Warmumformung lassen sich bei reduziertem Materialeinsatz Blechbauteile mit höherer Festigkeit herstellen. Sie erlaubt die Konstruktion leichterer Fahrzeugbauteile und trägt somit zur Senkung des Treibstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen bei. Im Kasseler VW-Werk wird die Infrarot-Thermografie zur automatischen Qualitätskontrolle in den Warmumformanlagen eingesetzt. Das System basiert auf Infrarot-Zeilenscannern von Raytek und ermöglicht die 100-prozentige In-Line-Bauteilprüfung und Qualitätsdokumentation.

22. November 2013
Ein Roboter mit Tooling greift temperierte Platinen, um sie der Presse zuzuführen
Bild 1: Auf der richtigen Welle (Ein Roboter mit Tooling greift temperierte Platinen, um sie der Presse zuzuführen)

Die Strahlungsthermometrie ermöglicht die schnelle, rückwirkungsfreie und präzise Erfassung der Oberflächentemperatur, ohne das Messobjekt zu berühren – dies bewährt sich insbesondere bei sehr hohen Messtemperaturen, in bewegten Prozessen und bei schwer zugänglichen Messobjekten.

IR-Messsysteme ermitteln die Temperatur eines Körpers, indem sie die von ihm emittierte Wärmestrahlung erfassen, die in direktem Zusammenhang mit seiner Temperatur und dem Emissionsgrad seiner Oberfläche steht. Der Emissionsgrad muss für eine erfolgreiche Messung bekannt sein. Er hängt nicht nur vom Grundwerkstoff und dem metallischen Überzug ab, sondern kann auch je nach Wellenlänge schwanken.

Reflektierende Oberflächen erschweren die Messung, da sie auch die Wärmestrahlung von benachbarten Körpern, z.B. Ofen oder Presswerkzeug, auf den Sensor zurückwerfen können. Ein korrekt eingestellter Emissionsgrad in Verbindung mit einer automatischen Umgebungstemperaturkompensation mit Hilfe eines zweiten Temperaturmesskopfes gewährleistet die genauesten Ergebnisse.

Für verschiedene Messtemperaturen gibt es sogenannte atmosphärische Fenster, in denen die Strahlungsdichte nur wenig beeinflusst wird – beispielsweise bietet sich für Temperaturen von -20 °C bis 250 °C ein Messspektrum von 2,5 μm bis 5 μm an und für Temperaturen über 250 °C der Bereich von 0,9 μm bis 1,7 μm. Die Messung sollte auf einer Wellenlänge erfolgen, im Bereich derer der Emissionsgrad möglichst groß ist.

In der Regel sollte die kürzeste für den Temperaturmessbereich verfügbare Wellenlänge genutzt werden. Udo Brocksieper, Sales Manager Germany bei Raytek, erklärt die Reichweite dieser Entscheidung: „Für sehr heiße Messobjekte sind langwellige Geräte unbrauchbar – die Messfehler im Spektrum von 8 bis 14 μm sind einfach zu groß.“ Damit für jede Anwendung die richtige Lösung verfügbar ist, bietet Raytek eine große Vielfalt von IR-Sensoren und -Messsystemen für verschiedene Spektral- und Messtemperaturbereiche von -50 bis +3.500 °C. Dazu gehören Miniatursensoren zum Einbau in Maschinen und Anlagen, Wärmebildkameras zur festen Installation und Infrarot-Zeilenscanner.

Temperaturmessung im Prozess des Warmumformens

Für die Überwachung von Warmumformprozessen empfiehlt sich die Nutzung eines möglichst kurzwelligen Messspektrums im Wesentlichen aus drei Gründen, die zum einen mit dem Medium Metall und zum anderen mit den heißen Messtemperaturen zusammenhängen:

1. Der Emissionsgrad realer metallischer Oberflächen ist wellenlängenabhängig und nimmt mit wachsender Wellenlänge tendenziell ab.

2. Das Strahlungsthermometer registriert aufgrund der reflektierenden metallischen Oberflächen auch Strahlungsanteile aus der Reflexion der Umgebung, die das Messergebnis verfälschen können. Mit wachsender Wellenlänge nimmt der Strahlungskontrast zwischen Umgebungs- und Objekttemperatur ab, sodass die Auswirkungen von Reflexionen auf das Messergebnis im langwelligen Spektralbereich deutlich stärker sind.

3. Die Ausstrahlung des Messobjekts ist im kurzwelligen Spektralbereich sehr viel stärker von der Objekttemperatur abhängig als vom Emissionsgrad. Im langwelligen Spektralbereich gleicht sich dieses Verhältnis an. Damit führen bei kurzen Wellenlängen Ungenauigkeiten in der Bestimmung des Emissionsgrades bzw. Emissionsgradschwankungen zu deutlich geringeren Messfehlern.

Dementsprechend favorisiert Raytek für Messungen am Ofenauslauf Punktsensoren des Typs Marathon MM, welche die Strahlung auf einer Wellenlänge von 1,6 μm messen. Ein bis drei Sensoren genügen, um die Temperatur der im Ofen über mehrere Minuten homogen erhitzten Platinen zu messen.

Bei der Bauteilentnahme aus der Presse weisen die Messobjekte komplexere Geometrien auf. Hier muss ein Wärmebild erstellt werden, das mit Mustervorlagen abgeglichen werden kann. Dafür hat Raytek den kurzwelligen MP150 Linescanner im Programm, der in Echtzeit präzise Wärmebilder von bewegten Objekten erstellt und hier auf die Wellenlänge 3,9 μm eingestellt ist.

Vom punktmessenden Strahlungsthermometer zur bildhaften Darstellung von Temperaturverteilungen

MP150 Linescanner enthalten anders als herkömmliche Zeilensensorsysteme und Wärmebildkameras nur einen einzelnen Punktsensor, der über einen motorgetriebenen Spiegel ein bis 90° weites Gesichtsfeld abtastet und bis zu 1.024 diskrete Temperaturmesspunkte auf einer Zeile detektiert. Diese einfache Konstruktion bringt Kostenersparnisse mit sich. Außerdem sind die Ergebnisse extrem präzise, da jeder Objektpunkt mit demselben Sensor gemessen wird.

Ein weiterer großer Vorteil gegenüber Zeilen- und Matrixkameras ist der weite Gesichtsfeldwinkel bis 90°, der geringere Entfernungen und dadurch den Einsatz selbst an breiten Bandprozessen ermöglicht. Ein im MP150 Linescanner integrierter Linienlaser erzeugt auf der zu messenden Oberfläche eine deutlich sichtbare rote Linie und erleichtert damit die Ausrichtung. Das Gerät scannt bis zu 150 Zeilen pro Sekunde.

Das Messobjekt wird per Feeder oder Roboter an dem Sensor vorbeibewegt und das System erzeugt durch das Aneinanderfügen von Messzeilen ein zweidimensionales Temperaturbild.

Temperaturüberwachung in der laufenden Fertigung

Für das VW-Werk in Kassel hat der Raytek-Systempartner, die Selmatec Systems GmbH, ein Ingenieurunternehmen aus Lüneburg, ein Temperatur- und Bauteilüberwachungssystem inklusive Workstations und spezialisierter Software entwickelt und in die Fertigung integriert.

Volkswagen setzt die Warmumformung z. B. zur Herstellung leichterer, crash-relevanter Strukturteile ein. Diese höchstfesten Sicherheitsteile sollen im Fall eines Unfalls die Insassen schützen. Durch die hohen Festigkeiten lässt sich bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften das Gewicht reduzieren. Damit trägt das Herstellungsverfahren essenziell zum Leichtbau von Karosserien bei.

Die Platinen durchlaufen etwa vier bis sechs Minuten lang eine Rollenherdofenanlage mit einem definierten Temperaturprofil zwischen 780 °C und 920 °C. Beim Ofenauslauf fahren die etwa 820 °C heißen, rot glühenden Platinen an einem ersten kontaktfrei arbeitenden Infrarot-Zeilenscanner vorbei, direkt unter das Greifer-Tooling des Transfersystems, das sie mit möglichst geringem Zeitverlust in die Presse legt.

Für die Messung steht nur ein 100 mm breites Fenster zur Verfügung; trotzdem liefert der Zeilenscanner ein komplettes Wärmebild der Platine. Während des Umformvorgangs werden die Pressteile im gekühlten Werkzeug abgeschreckt. Anschließend wird das geformte Teil der Presse entnommen, von zwei weiteren Sensoren gescannt und abgelegt.

Bei der Erhitzung und der darauf folgenden starken, schnellen Abkühlung ändert sich das Werkstoffgefüge des Stahls. Zunächst entsteht bei der Aufheizung ein austenitisches Gefüge, welches sich sehr gut mit geringen Pressenkräften in komplexe Formen bringen lässt. Durch die schnelle Abkühlung im Werkzeug wird das Gefüge in Martensit umgewandelt, dessen Festigkeit und Härte im Vergleich zu konventionellem Stahl wesentlich größer ist.

Die fertigen Bauteile weisen Zugfestigkeiten bis 1600 MPa auf. Die Temperatur beim Einlegen in die Presse und die Abkühlgeschwindigkeit sind maßgeblich für die erfolgreiche Realisierung der geforderten Bauteileigenschaften. An der zweiten Prüfstation, nach der Presse, sind Bauteiltemperaturen unter 200 °C sicherzustellen. Da die Teilegeometrien uneben sind, werden für ein vollständiges, genaues Wärmeprofil zwei Zeilenscanner mit verschiedenen Blickwinkeln eingesetzt.

Industrietaugliches, automatisches Prüf- und Dokumentationssystem

Die Zeilenscanner sind mit einem Luftblasvorsatz zur Reinhaltung des Messfensters und mit einer Wasserkühlung für den industriellen Einsatz ausgerüstet. Angeschlossen ist eine Workstation, an der mit Hilfe der von Selmatec speziell entwickelten Software PH-Inspector 2012 nicht nur die Temperaturmessungen analysiert werden, sondern auch eine automatische Fehlererkennung und Qualitätsüberwachung stattfindet.

„VW hat sich dafür entschieden, beide Messstationen mit Zeilenscannern auszustatten, um nicht nur 100 % der Bauteile zu kontrollieren, sondern sie auch vollständig zu dokumentieren“, erklärt Dipl.-Ing. Michael Selent, Inhaber der Selmatec Systems GmbH. Das System dokumentiert zudem alle prozessrelevanten Anlagenparameter der vorgeschalteten Öfen und der Presse und lässt im Fall von Abweichungen vom Soll unmittelbar Rückschlüsse auf etwaige Ofenanomalien, Verschleißerscheinungen am Umformwerkzeug oder Störungen der Kühlkreisläufe im Werkzeug zu.

Selent ergänzt: „Hotspots deuten unter anderem auf unzureichenden Werkzeugkontakt durch Verschleiß oder Ablagerungen, gegebenenfalls auch auf Verwerfungen im Bauteil hin. Sogar Fehler durch überlappendes Material und selbst Risse können durch die Software detektiert werden. Wir sehen also, dass der Nutzen unseres Systems weit über die Kernaufgaben der Temperaturüberwachung hinausgeht. Wichtig für Volkswagen Kassel war außerdem, dass die eingesetzten Zeilenscanner die Anlagentaktzeit nicht negativ beeinflussen, sondern mit der vollen Geschwindigkeit des Teiletransfers mithalten.“

Eine elementare Rolle für die Sicherheit

Durch kontrolliertes Erhitzen und Abkühlen innerhalb enger Temperaturfenster kann VW mittels Warmumformung sicherheitsrelevante Strukturteile mit höchsten Festigkeiten herstellen. Dem von Selmatec installierten Temperatur- und Prozessüberwachungssystem, basierend auf Infrarotsensoren von Raytek, kommt daher eine elementare Rolle zu.

Dr. Michael Alsmann, bei VW in Entwicklung und Innovation tätig, erklärt: „Vergleichsmessungen haben gezeigt, dass die Zeilenscanner für das Temperaturfenster der Warmumformung weit präzisere Werte ermitteln als Wärmebildkameras. Ebenfalls vorteilhaft ist, dass alle Bauteile gescannt werden – so können wir bei laufendem Produktionsprozess die Qualität dokumentieren, während für eine Kameraaufnahme alles einen Moment pausieren muss. Die Wärmebilder der Zeilenscanner machen Fehler im Prozess und am Bauteil deutlich sichtbar, und das Auswertungssystem ist in die Anlagensteuerung eingebunden. Die hohe Qualität der Messungen kommt der Fertigung leichterer und sicherer Karosseriebauteile bei Volkswagen zugute.“