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3R Technics

Werkstoffeigenschaften in-line zerstörungsfrei erfassen

| Redakteur: M.A. Frauke Finus

In der Metallverarbeitung sind Fehlproduktion vermeidbar – vorausgesetzt, ein geeignetes Qualitätssicherungssystem wird eingesetzt. Dabei werden die zu verarbeitenden Rohstoffe auf die jeweiligen Werkstoffparameter geprüft, um ihre Prozesseignung sicherzustellen. 3R Technics hat mit der Total Quality Control TQC ein Messsystem entwickelt, das alle gängigen Werkstoffparameter in-line und zerstörungsfrei messen kann.

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Für die Messung werden 24 verschiedene Prüffrequenzen in Serie gesetzt, welche so in unterschiedliche Tiefen des Materials eindringen. Aus bis zu 48 Messwerten wird damit ein sehr präziser „Fingerabdruck“ des Werkstoffes erstellt und das noch vor der eigentlichen Bearbeitung des Materials.
Für die Messung werden 24 verschiedene Prüffrequenzen in Serie gesetzt, welche so in unterschiedliche Tiefen des Materials eindringen. Aus bis zu 48 Messwerten wird damit ein sehr präziser „Fingerabdruck“ des Werkstoffes erstellt und das noch vor der eigentlichen Bearbeitung des Materials.
(Bild: 3R Technics)

Insbesondere in der Metallverarbeitung sind Fehlproduktion und Ausschuss oft teuer, aber vermeidbar – vorausgesetzt, ein geeignetes Qualitätssicherungssystem wird eingesetzt. Dabei werden die zu verarbeitenden Rohstoffe auf die jeweiligen Werkstoffparameter geprüft, um ihre Prozesseignung sicherzustellen. Meist werden nur Stichproben entnommen auf deren Grundlage die Gesamtheit berechnet wird. Dies erzielt keine genauen Ergebnisse und verursacht zusätzliche Kosten, zum Beispiel durch Stillstandzeiten in der Produktion oder durch zufällige Prozessschwankungen. Um zuverlässigere Ergebnisse zu erhalten, müssen mehr Stichproben geprüft werden, was zusätzliche Kosten und zusätzlichen Ausschuss bedeutet. Daher hat die 3R Technics GmbH mit der Total Quality Control TQC ein Messsystem entwickelt, das alle gängigen Werkstoffparameter in-line und zerstörungsfrei messen kann. Somit lassen sich Abweichungen im Fertigungsprozess in Echtzeit unmittelbar erkennen und sofort korrigieren. Aufgrund der variablen Abmessungen und Formen der integrierten Sensoren, eignet sich das Verfahren für großformatige Karosseriebleche ebenso wie für kleine Präzisionsteile. Die reproduzierbare Messung erfolgt dabei ohne Stillstandzeiten in <1 s und die Resultate werden direkt protokolliert.

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„Unerwünschte Veränderungen der mechanischen Werkstoffeigenschaften im Ausgangsmaterial oder während des Produktionsprozesses in der Metallverarbeitung können die Qualität des Produktes beeinträchtigen.“, weiß Dr. Martin Ruzovic, Gesellschafter der 3R Technics GmbH. Daher ist es unerlässlich die mechanischen Werkstoffeigenschaften über den kompletten Produktionsprozess hinweg zu überprüfen. Meist werden dafür konventionelle, zerstörenden Prüfmethoden – wie der Zugversuch – eingesetzt. Dabei wird von einzelnen Stichproben auf die Grundgesamtheit geschlossen. Dies hat zur Folge, dass es in Betrieben, die aus metallischen Rohprodukten und Halbzeugen in großer Stückzahl fertigen, zu Stillstandzeiten in der Produktion kommt. Außerdem fallen dadurch Mehrkosten und erhöhter Ausschuss an.

Programm erfasst in Echtzeit und vollautomatisch

3R Technics berechnet mit dem Total Quality Control (TQC) System in-line alle für die Produktion relevanten Werkstoffparameter, sodass ein schnelles Adaptieren der Verarbeitungsprozesse erfolgen und die Qualität des Produktes gesichert werden kann. Auf Grundlage der multifrequenten Wirbelstrommessmethode erfasst das Programm in Echtzeit und vollautomatisch die Kennwerte des Metalls und liefert somit zuverlässige Informationen über Abweichungen im Fertigungsprozess. Das zerstörungsfreie Messsystem kann dabei sowohl zur Eingangskontrolle als auch zur Zwischen- oder Endkontrolle eingesetzt werden. So können die mechanischen Werkstoffeigenschaften über den gesamten Herstellungsprozess lückenlos protokolliert und in-line ausgewertet werden.

Multifrequenzmessung liefert bis zu 48 Messwerte pro Vorgang

„Die Basis unseres Systems ist die Wirbelstrommessmethode. Die Grundidee ist, die streuenden Werkstoffeigenschaften mit dem multifrequenten Messsystem zu erfassen und durch ein passendes mathematisches Modell mit den Qualitätsmerkmalen zu verbinden.“, erklärt Dr. Ruzovic. Um sehr genaue Ergebnisse erzielen zu können, werden 24 verschiedene Prüffrequenzen in Serie gesetzt, welche unterschiedlich tief in das Material eindringen. Für jede Frequenz wird der Real- und Imaginärteil der Impedanz des Werkstücks ermittelt. Aus den 48 Messwerten wird damit ein sehr präziser „Fingerabdruck“ des Werkstoffes erstellt. Die Messdauer ist dabei sehr gering und liegt unter 1 Sekunde; wird ein Doppelkopf eingesetzt, ist eine Zeitspanne von nur 0,22 Sekunden möglich. Um aus den elektrischen Werkstoffeigenschaften die mechanischen Kennwerte zu berechnen, nutzt 3R Technics den wissenschaftlichen Zusammenhang aus Gefügezustand und Materialeigenschaften des Metalls. Somit lassen sich alle mechanischen Kenngrößen wie Streckgrenze, Zugfähigkeit, Härte und Gleichmaßdehnung aber auch einzelne Gefügebestandteile wie Kohlenstoffanteil, Ferrit oder Austenit ermitteln.

„Die Vorteile der Mehrfrequenzmessung kombinieren wir mit unseren speziell entwickelten mathematischen Modellen, wodurch eine hohe Bandbreite an Messgrößen für leitfähige oder ferromagnetische Materialen ermöglicht wird. Dabei lassen sich sechs oder mehr Zielgrößen vordefinieren und gleichzeitig ermitteln“, erläutert Dr. Ruzovic. Die Datenerfassung erfolgt kontinuierlich in-line und arbeitet quantitativ, sodass für jedes geprüfte Teil die gewünschte Größe als numerischer Wert zur Verfügung steht. Die Genauigkeit des Messsystems beträgt beispielsweise 1 % für die Bruchfestigkeit Rm und 3 % für die Gleichmaßdehnung Ag.

Intelligente, vollautomatische Prozessanalyse

Um möglichst zeitnah auf die Messergebnisse reagieren zu können erfolgt die Datenauswertung voll automatisch und in Echtzeit. Das System entscheidet im Hintergrund, welche Messwerte für den jeweiligen Prozess relevant sind und stellt eine Korrelation zwischen diesen Werten und den gewünschten Zielgrößen her. „Dazu zählen die automatische Bestimmung der Messparameter, die Definition der Modellstruktur, die Ermittlung der Modellkoeffizienten sowie die adaptive Kontrolle der für die Kalibrierung der notwendigen Trainingsmenge“, erläutert Ruzovic. Durch das lückenlose Monitoring und die exakte Diagnose der Qualitätsmerkmale wird die Ausschussquote gesenkt. Außerdem werden Nacharbeit sowie Umstellungs- und Einfahrtätigkeiten in der Produktion minimiert. Mit der intelligenten Nutzung der Daten können außerdem engere Toleranzen im Endprodukt erzielt werden.

„Durch die Analyse der aufgezeichneten Daten werden wertvolle Informationen zur Prozessoptimierung gewonnen bei einer gleichzeitigen Qualitätssteigerung der Produkte“, ergänzt Dr. Ruzovic.

Kundenspezifische Darstellung der mechanischen Kennwerte

Die mechanischen Kennwerte werden als Schlüsselmessgrößen erfasst und in der Auswertung auf die vom Nutzer bevorzugte Art dargestellt: beispielsweise als Graphen mit Toleranzgrenzen, in Form von Zahlen oder Histogrammen. „Wir waren bei der Entwicklung besonders auf Anwenderfreundlichkeit bedacht, denn je nach Material und Bearbeitung ist die optimale Darstellungsart eine andere. Wird etwa ein Coil ausgemessen, lässt sich der Prozess als Histogramm materialspezifisch nachvollziehen“, so Ruzovic. Die praktische Handhabung stellte beim Aufbau des Messsystems ein Kernkriterium dar. 3R Technics liefert dem Anwender je nach Anforderungen eine Software, die auf die jeweiligen Gegebenheiten abgestimmt werden kann. Da diese zusammen mit den Werkstoffdaten zusätzlich Werte von Kraft- und Temperatursensoren aus dem Werkzeug verarbeiten kann, liefert das System überdies zuverlässige Informationen über die Prozessqualität. Somit lässt sich neben der Qualitätssicherung eine optimale Wartung realisieren.

Die Software erstellt zudem Sicherungsbackups, wobei der Kunde vorgeben kann, in welchem Format die Speicherung erfolgt. „Die Messergebnisse werden im Falle eines Stromausfalls oder einer Leitungsunterbrechung lokal im Messsystem hinterlegt und im Buffer gehalten. Anschließend werden sie auf dem Server des Kunden gespeichert“, fasst Ruzovic zusammen. Die Ergebnisse werden in einem Protokoll zusammengefasst. Das ermöglicht eine Diagnose der Werkstückeigenschaften, des Umformprozesses und der Datenerfassung. Durch die lückenlose Datensicherung und Protokollierung lassen sich zudem Tendenzen erkennen und in Folge dessen auch Werkstoffoptimierungen durchführen, was auf längere Zeit eine höhere Prozesseffizienz ermöglicht.

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