Auf der richtigen Welle

IR-Linienscanner im VW-Presswerk

Durch Warmumformung lassen sich im Vergleich zu konventionellen Umformtechniken bei reduziertem Materialeinsatz Blechbauteile mit höherer Festigkeit herstellen. Da sich mit dieser Technologie erheblich Gewicht einsparen lässt und gleichzeitig ein hohes Maß an Crash-Sicherheit gewährleistet wird, ist die Warmumformung überaus interessant für den Karosseriebau. Der Artikel stellt die im Kasseler VW-Werk eingesetzte Thermografielösung zur automatischen Qualitätskontrolle in den Warmumformanlagen dar. Das System basiert auf IR-Zeilenscannern und ermöglicht die 100%-Inline-Bauteilprüfung und Qualitätsdokumentation. Besonderes Augenmerk wird der Bedeutung der Wahl des Messspektrums für die Temperaturmessgenauigkeit gewidmet.
Die Strahlungsthermometrie ermöglicht die schnelle, rückwirkungsfreie und präzise Erfassung der Oberflächentemperatur, ohne das Messobjekt zu berühren. Dies ist von Vorteil 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, z.B. bietet sich für Temperaturen von -20 bis 250°C ein Messspektrum von 2,5 bis 5µm an und für Temperaturen über 250°C der Bereich von 0,9 bis 1,7µm. 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 acht bis 14µm sind einfach zu groß.“

Temperaturmessung beim Warmumformen

Für die Überwachung von Warmumformprozessen empfiehlt sich die Nutzung eines möglichst kurzwelligen Messspektrums aus drei Gründen:

• • Der Emissionsgrad realer metallischer Oberflächen ist wellenlängenabhängig und nimmt mit wachsender Wellenlänge tendenziell ab.
• • 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 stärker sind.
• • 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 werden für Messungen am Ofenauslauf Punktsensoren des Typs Marathon MM eingesetzt, welche die Strahlung auf einer Wellenlänge von 1,6µm 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. Dort kommt der kurzwellige MP150 Linescanner zum Einsatz, der in Echtzeit präzise Wärmebilder von bewegten Objekten erstellt und in diesem Fall auf die Wellenlänge 3,9µm eingestellt ist. Linescanner enthalten anders als herkömmliche Zeilensensorsysteme und Wärmebildkameras nur einen einzelnen Punktsensor, der über einen motorgetriebenen Spiegel ein bis zu 90° weites Gesichtsfeld abtastet und bis zu 1.024 diskrete Temperaturmesspunkte auf einer Zeile detektiert. Neben reinen Kostenersparnissen sind die Ergebnisse extrem präzise, da jeder Objektpunkt mit demselben Sensor gemessen wird. Ein weiterer 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 Line-scanner integrierter Linienlaser erzeugt auf der zu messenden Oberfläche eine sichtbare rote Linie und erleichtert damit die Ausrichtung. Das Gerät scannt bis zu 150 Zeilen/sec. Das Messobjekt wird per Feeder oder Roboter an dem Sensor vorbeibewegt und das System erzeugt durch das Aneinanderfügen von Messzeilen ein 2D-Temperaturbild.

Temperaturüberwachung in der laufenden Fertigung

Für das VW-Werk in Kassel hat ein Systempartner von Raytek, die Selmatec Systems GmbH, 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. Die Platinen durchlaufen etwa vier bis sechs Minuten lang eine Rollenherdofenanlage mit einem definierten Temperaturprofil zwischen 780 und 920°C. Beim Ofenauslauf fahren die etwa 820°C heißen, rot glühenden Platinen an einem ersten kontaktfrei arbeitenden IR-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 100mm 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. Die fertigen Bauteile weisen Zugfestigkeiten bis 1.600MPa 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.

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 mithilfe 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. 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 u.a. 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.“

Fazit

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 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.“