Industrielle Hochtemperaturprozesse in Echtzeit erfassen und regeln

Integrierte Optik | 10.11.2017
Erstellt von BMBF-Verbundprojekt ProVIsIR

BMBF-Projekt Pro-VisIR entwickelt multispektrales Kamerasystem für eine emissionsgradunabhängige Temperaturmessung beim Schweißen oder Härten.

Infrarot-Bild einer Plasmalampe
Hochtemperatur IR-Bild einer Plasmalampe. Zu sehen sind neben dem sehr heißen Plasma auch die Elektroden und der Glaskörper der Lampe. © IRCAM GmbH

„Smart Production“ bildet in der der künftigen Produktionstechnologie einen wichtigen Schwerpunkt. Mit dem Begriff ist eine Benutzerfreundliche, flexible und dennoch weitgehend automatisierte Prozessführung gemeint. Bei gleichzeitiger Zunahme von Multimaterial Anwendungen gilt dies insbesondere für die fügetechnischen Produktionsprozesse. Hier sieht man sich mit der Herausforderung konfrontiert, Bauteile steigender Komplexität und aus verschiedenen Materialien prozesssicher zu fügen.

Unter den Schweißverfahren bilden die Strahlschweißverfahren, d.h. das Elektronenstrahl- und Laserstrahlschweißverfahren, die sogenannten Hochleistungsfügeverfahren. Durch die hohe und gleichzeitig einfach steuerbare Energiedichte im Strahl lassen sich hochpräzise Schweißverbindungen herstellen. Wie bei allen übrigen thermischen Materialbearbeitungsverfahren besteht allerdings auch bei den Strahlschweißprozessen das Problem der thermischen Beeinflussung der Bauteile. Durch eine ungeeignete Wärmeführung kann es zu thermischen Spannungen bis hin zum Bauteilversagen kommen.

Parallel können Inhomogenitäten im Werkstoff oder der Bauteilgeometrie zu Fertigungsstörungen und Ausfällen führen. Über die Kenngrößen Schmelzbadgeometrie und Temperaturverteilung im Bauteil lässt sich der transiente Prozess vollständig beschreiben. Allerdings besteht bisher keine zufriedenstellende Möglichkeit zur Messung der Prozessbeschreibenden Kenngrößen.

Die Verwendung kommerzieller kameraoptischer Systeme zur Prozessdatenerfassung scheitert häufig am begrenzten Dynamikumfang der bildgebenden Sensoren. Zum einen überstrahlt das Prozessleuchten alle weiteren geometrischen Informationen, zum anderen ist der Spektralbereich nicht geeignet zur Erfassung von Wärmestrahlung im Infrarot bzw. Nahinfrarotbereich.

Echtzeitregelung des Energieeintrages und der Prozessparameter

Anfang September 2017 ist der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbund „Pro-VisIR“ mit dem Ziel gestartet, ein multispektrales Kamerasystem für eine emissionsgradunabhängige Temperaturmessung beim Schweißen oder Härten zur entwickeln. Die Messdaten sollen „on the fly“ ausgewertet werden und zur Echtzeitregelung der Prozessparameter zurückgeführt werden.

Dazu gehört die Entwicklung eines kombinierten Kamerasystems für multispektrale Bilderfassung, welches visuelle Bilder und Infrarotbilder für eine emissionsgradunabhängige Temperaturmessung liefert. Das System soll in industriellen Strahlschweißprozessen zur Prozesserfassung, zur Echtzeit-Prozessregelung sowie zur Qualitätssicherung der bearbeiteten Teile eingesetzt werden. Das System liefert keine Strahlungsintensitäten, sondern Temperaturwerte, die eine präzise Temperaturführung ermöglichen. Die entwickelte Kamera erfasst gleichzeitig das gewöhnliche sichtoptische Bild, das für die Prozessregelung ebenfalls benötigt wird und hier ohne Mehraufwand bereit steht.

Das angestrebte Kamerasystem erlaubt in Evobeam-Maschinen eine weitgehend automatisierte Prozessführung und Bewertung der Fertigungsqualität, ohne aufwendige Schweißversuchsreihen zur Prozessqualifikation. Anhand der geregelten Wärmeführung wird eine erhebliche Steigerung der Prozesssicherheit erreicht. Die Qualität der Schweißverbindungen kann automatisch, hinsichtlich der mechanisch technologischen Eigenschaften und der Maßhaltigkeit, optimiert werden.

Die Projektpartner erwarten, dass die Echtzeit-Prozessregelung wesentlich einfacher, bzw. erstmalig möglich wird. Im Anschluss an das Projekt wird die entwickelte Technologie auf weitere Anlagentypen übertragen und damit der Nutzen vervielfacht.

Der Verbund

Das Pro-VisIR-Projekt läuft im Rahmen der Initiative „Digitale Optik“ und wird vom BMBF über drei Jahre bis Ende August 2020 mit rund 900.000 Euro gefördert. Der Verbundname Pro-VisIR steht für „Prozessregelung und Qualitätssicherung in Laser- und Elektronenstrahlanwendungen im visuellen und IR-Bereich“. Projektpartner sind die evobeam GmbH, die DELUPA Turbotechnik GmbH, die IRCAM GmbH und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.