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Industrielle Automation 5/2015

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Industrielle Automation 5/2015

02 Das Turbinenrad

02 Das Turbinenrad besteht aus einer schweren, hochfesten Nickellegierung 03 Oben li.: Infrarotbild mit Span (Chip), Werkstück (Work Piece) und Schnittkante (Cutting Edge), oben re.: der Bereich, den das Standardmodell von Komanduri & Hou etwas anderes erwarten ließ, daraus ergab sich das modifizierte Model links unten der Bearbeitung Probleme in den Materialeigenschaften fest, kann die Weiterverarbeitung abgebrochen werden, was hohe Folgekosten verhindert. Komplexe Aufgabenstellung Was sich zunächst nach einem idealen Einsatzgebiet für die Thermografie anhören mag, entpuppte sich als hochkomplexe Aufgabe, bei der viele Herausforderungen gelöst werden mussten. „Vom Beginn der Versuche mit einer Thermografie-Kamera bis zum ersten auswertbaren Wärmebild vergingen vier Wochen“, erklärt Matthias Brockmann vom Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen, um die Schwierigkeiten zu verdeutlichen, die das Team lösen musste. Das war zum einen die exakte Kalibrierung der Kamera, die von den niedrigen Emissionsgraden der Nickel-Legierungen bestimmt war. Jedes Material strahlt oberhalb des absoluten Nullpunkts Wärmestrahlung aus. Der Emissionsgrad eines Körpers gibt an, wie viel Strahlung er im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler (einem so genannten schwarzen Strahler) abgibt. Verschiedene Materialien geben Wärmestrahlung unterschiedlich stark wieder ab. „Übliche“ Emissionsgrade liegen bei 0,81 (z. B. Kohle) oder 0,94 (zum Beispiel Buchenholz). Blanke oder gar polierte Metalloberflächen verfügen oft über besonders niedrige Emissionsgrade von zum Teil 0,3. Derart niedrige Emissionsgrade erschweren die Ermittlung der tatsächlichen Oberflächentemperatur trotz Einsatz einer leistungsfähigen Wärmebildkamera. „Außerdem haben wir es hier mit einem Hochgeschwindigkeitsprozess zu tun, d. h. die Thermografie-Kamera muss in der Lage sein, in einer Sekunde mehrere Hundert Bilder aufzunehmen (im konkreten Fall 800 Bilder), um den tatsächlichen Moment der Zerspanung überhaupt zu erwischen“, fügt sein Kollege Sascha Gierlings hinzu. „Da der Span bei den Versuchen oft nur wenige Mikrometer dick ist (im Beispiel etwa 15 µm), benötigt man außerdem ein Makro-Objektiv, das in der Lage ist, feinste Strukturen darzustellen.“ Geeignete Kamera für Forschung und Entwicklung Alle diese Faktoren waren für die Auswahl der Wärmebildkamera ausschlaggebend. Beim WZL entschied man sich 2010 für die Flir SC7600. Die Kamera ist ausgestattet mit einem gekühlten Photoquantendetektor mit 640 × 512 Pixel und verfügt über die nötige Geschwindigkeit, die hohe Auflösung und ein optionales Makroobjektiv. Die hohe Genauigkeit, wie sie nur eine gekühlte Wärmebildkamera mit ihrem Indium-Antimonid-Detektor (InSb) erreicht, ihre hohe Auflösung und die Fähigkeit zum Teilbild- Modus für hohe Bildwiederholgeschwindigkeiten waren dabei die ausschlaggebenden Auswahlkriterien. Im 1/4-Frame-Teilbild-Modus erreicht die Flir SC7600 eine Bildwiederholfrequenz von bis zu 800 Hz - das entspricht 800 Einzelbildern in einer Sekunde. Nur mit dieser hohen Geschwindigkeit können die Forscher ihre drängendsten Fragen experimentell klären. „Uns interessiert: Wohin geht die Wärmeenergie, die bei der Zerspanung freigesetzt wird? In den Span? Ins Werkstück, ins Werkzeug?“, erklärt Sascha Gierlings. Für die Analyse der Rohdaten setzen die Forscher die Flir-Software Altair ein. Der Lohn jahrelanger Forschungsarbeit Um die SC7600 optimal zu kalibrieren, verwendeten die Forscher des WZL ein speziell entwickeltes 2-Farben-Pyrometer. Mit einem besonderen Versuchsaufbau gelang es dem Team weltweit zum ersten Mal die exakte Temperaturverteilung beim Zerspanen in einer derart guten Qualität zu visualisieren. „Es ist schon ein besonderer Moment, wenn man zum ersten Mal ein Wärmebild sieht, das in jedem Physiklehrbuch steht, so aber bisher noch nie gemessen und überprüft werden konnte“, erläutert Sascha Gierlings hierzu. Und dem Team von WZL und IPT gelang sogar noch mehr als nur die Visualisierung eines postulierten Standardmodells. Aufgrund ihrer Untersuchungen konnte die Theorie an die Praxis angepasst werden. „Das Standardmodell ließ die höchsten Temperaturen etwas oberhalb der Stelle erwarten, an der sich Werkzeug und Werkstück berühren, das konnten wir in unserem Fall experimentell so nicht bestätigen.“ erklärt Matthias Brockmann. Für einen Forscher im Bereich der Zerspanung liegt in solchen Erkenntnissen der Lohn von oft jahrelanger Arbeit. Definierte Prozessbedingungen schaffen Sicherheit Für Millionen von Flugpassagieren dagegen ist es ein echter Sicherheitsgewinn, wenn Turbinenräder in Zukunft unter Beachtung dieser Erkenntnisse gefertigt werden. „Dafür können wir mittlerweile exakte Prozessbedingungen definieren“, erklärt Dipl.-Ing. Roland Müller, der am Fraunhofer IPT für High Performance Cutting (Hochleistungszerspanung) verantwortlich ist und eng mit dem WZL-Team um Gierlings und Brockmann zusammenarbeitet. „Bei genauer Kenntnis der auftretenden Kräfte, der Material- und Werkzeugeigenschaften sowie den Bedingungen beim Zerspanprozess lässt sich ein realistisches Modell der Temperaturverteilung erstellen, welches die bekannten mechanischen Prozesse als Eingangsgrößen verwendet.“ Und die US-Bundesluftfahrtbehörde FAA (deren Standards sich international durchgesetzt haben) hat offensichtlich starkes Interesse an der Definition solcher Produktionsbedingungen, die letztlich der Sicherheit aller Flugpassagiere zugutekommen. Foto: Aufmacher Fotolia, 02 MTU Aero Engines GmbH www.flir.com 04 Die ersten Wärmebilder waren von der Qualität dieses Thermografie-Bildes noch weit entfernt, zeigten aber bereits denselben Moment der Temperaturverteilung zwischen Werkstück (unten), Span und Werkzeug (direkt rechts neben dem Span) 68 INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2015

Smart Camera – visuell, intuitiv und schnell zur fertigen Anwendung Die Smart Camera mvBlueGemini ist sowohl für Einsteiger als auch für fortgeschrittene Bildverarbeiter die ideale Kamera. Grund hierfür ist die neue webbasierte Software „mvImpact Configuration Studio“ kurz ICS. Sie muss nicht installiert werden und kann von unterschiedlichen Geräten wie Tablet, Smartphone, PC auch simultan über Netzwerk oder bei vorhandenem Access Point über WLAN aufgerufen werden. Die intuitive Benutzerführung mittels Wizards und die Reduzierung auf wesentliche Parameter unterstützt den Anwender und beschleunigt die Applikationsentwicklung. Ferner können Aufgaben eintrainiert werden, wobei ICS hierbei die richtigen Algorithmen auswählt und die passenden Parameter setzt. Eine Applikation besteht aus leicht verständlichen Tools, die auf der Bildverarbeitungsbibliothek Halcon basieren. Sollte ein spezifisches Tool erforderlich sein, lässt sich ICS auch mit kundeneigenen Bibliotheken, erweitern. Die mvBlueGemini Hardware übernimmt die JPEG-Kompression für die Live-Bilddarstellung, das Debayering und sorgt für echtzeitfähige I/Os. Die kleine Baugröße der Kamera, der geringe Strombedarf von kleiner als 5 W, die Gigabit Ethernet Schnittstelle und das IP67 spritzwassergeschützte Gehäuse sorgen darüber hinaus dafür, dass die Kamera einfach in bestehende Infrastrukturen eingebunden werden kann. Mieten statt kaufen? Kein Problem mit Polytec www.matrix-vision.com Kamerasystem mit erweiterter Schärfentiefe Die 5 MP Kamera EV-L500C1 von Ricoh Imaging Europe mit erweiterter Schärfentiefe wartet mit der hohen Bildfrequenz von 53 fps auf. Die Kamera ist kompakt und leicht gebaut und kann somit auch problemlos in Fabrikationslinien, Inspektionsständen und andere Bereiche eingebaut werden, wo der Platzbedarf limitiert ist. Zusammen mit der Kamera gibt es die Objektive EL-BC2520-5M, EL-BC5090-5M und EL-BC751L-5M mit den Brennweiten 25, 50 und 75 mm. Wie alle Bildverarbeitung- Objektive des Anbieters ist auch diese Serie mit je drei Kreuzschlitzschrauben und je einer Rändelschraube zum Fixieren der Fokus- und Blendenringe ausgestattet. Dank der hohen Auflösung von bis zu 5 MP, können auch dicht bestückte Platinen, Automobilteile oder bedruckte Oberflächen (z. B. Lebensmittelverpackungen, PET-Flaschen, Dosen) geprüft werden. Das System ergänzt die bereits vorhandene Produktlinie mit 2 MP- und VGA-Auflösung. www.ricoh-imaging.eu GigE Vision-Kameras mit POE-Optionen Mit der Kamera "mvBlueCougar-X" des Herstellers Matrix Vision mit einer Power over Ethernet-Option (PoE) erweitert Vision & Control sein Kamera-Portfolio im Bereich der Mehrkamerasysteme. Mit dem erweiterten Angebot an GigE Vision-Kameras eröffnet sich die Möglichkeit, noch schneller auf die neusten Technologien im Bereich der Bildaufnehmer und Kameratechnik zurückzugreifen. Die PoE-Option der Kameras erleichtert dem Anwender zudem die Integration und Installation an den Mehrkamerasystemen der vicosys-Serie. Ein Kabel versorgt die Kamera mit Strom und realisiert gleichzeitig die Verbindung für die Datenkommunikation. Der interne Bildpuffer der Kamera sorgt dafür, dass gerade in Mehrkamerasystemen keine Bilder verloren gehen. www.vision-control.com Besuchen Sie uns: Measuring By Light Internationale Fachkonferenz 18. –19.11.2015, bei Shell Rijswijk und TNO Delft, Niederlande Sie haben kurzfristig oder gelegentlich anfallende Messaufgaben? Dann nutzen Sie einfach den Polytec- Service: Im hochmodernen Test-Center in Waldbronn steht Ihnen die weltweit leistungsfähigste Messanlage zur vollautomatischen Schwingungsmessung zur Verfügung. Oder Sie lassen direkt bei Ihnen vor Ort messen. Vom Einzelbaustein bis zum vollen Programm inklusive Ingenieurteam ist alles machbar. Mehr unter: www.polytec.de/service

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