Elektromagnetik

Intelligentes robotergestütztes Sensorsystem zur Qualitätssicherung in der Produktion

Elektromagnetik

Elektromagnetische Verfahren haben in den letzten zwei Jahrzehnten eine erhebliche Weiterentwicklung durchlaufen und müssen im Bereich zerstörungsfreier Prüftechnologie mittlerweile zu den Kerntechnologien gezählt werden. Im Rahmen der anstehenden Umgestaltung der Hochtechnologiebereiche internationaler Industrien hin zu Industrie 4.0-Konzepten eröffnet die Einbettung elektromagnetischer Sensorik zukunftsweisendes Entwicklungspotential für eine umfassende Digitalisierung und Prozesskontrolle industrieller Produktions- und Verarbeitungssysteme.

Nicht zu vergessen sind auch die Entwicklungen im Automobilbau weg von Verbrennungsmotoren hin zur Elektromobilität. Die Werkstoffprüfung ferromagnetischer Materialien ist schon seit langem eine prüftechnische Selbstverständlichkeit; zukünftig wird neben der Entwicklung auch die Prüfung und Steuerung technischer magnetischer Systeme eine erhebliche wirtschaftliche Bedeutung erlangen.

3D-SmartInspect: Intelligente Prüfüberwachung und -dokumentation durch optisches Trackingsystem für Ultraschall- und Wirbelstromprüfung

Mit 3D-SmartInspect in die digitale ZfP-Welt: Augmented Reality-System zur manuellen Prüfung von Bauteilen oder großen Oberflächen
© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser
Mit 3D-SmartInspect in die digitale ZfP-Welt: Augmented Reality-System zur manuellen Prüfung von Bauteilen oder großen Oberflächen

Bei der im großen Umfang verwendeten Handprüfung hängt die Qualität der Prüfung stark vom Personal und den Umgebungsbedingungen ab; dieser Umstand betrifft die Prüfung kleiner Komponenten in der Produktion genauso wie die Instandhaltungsprüfungen großer industrieller Strukturen. Die korrekte Interpretation der Messwerte und die vollständige Erfassung des Prüfbereichs verlangen ein großes Maß an persönlicher Expertise. Zudem ergeben sich hinsichtlich Dokumentation für die ­Unternehmen erhebliche Herausforderungen. In vielen Fällen werden Prüfprotokolle handschriftlich erstellt und erkannte Auffälligkeiten auf den Bauteilen selbst markiert. Ein digitaler Zusammenhang zwischen dem Prüfobjekt und der Dokumentation wird dabei nicht hergestellt. Wenn Prüfungen ­mehrere Stunden oder Tage in Anspruch nehmen, können Fehler und eine lückenhafte Dokumen­tation kaum ausgeschlossen werden, mit allen negativen Konsequenzen für Folgeprozesse.

Zur Lösung dieser Thematik hat das Fraunhofer IZFP das optische Tracking-System »3D-SmartInspect« entwickelt, ein Assistenzsystem für Handprüfungen auf Grundlage kognitiver Signalauswertung.

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Sensorsystem zum Nachweis von Rissen und Einschnürungen in Umformblechen

Prüfung von Tailored Blanks mit EMUS-Sensor des Fraunhofer IZFP
© Fraunhofer IZFP
Prüfung von Tailored Blanks mit EMUS-Sensor des Fraunhofer IZFP

In Unternehmen aus dem Bereich Blechumformung, insbesondere in der Automobilindustrie als größtem Hersteller und Abnehmer von umgeformten Blechteilen, werden zunehmend höhere Ansprüche an Bauteile und Prozesse gestellt. Aufgrund von Leichtbaukonzepten werden viele Umformprozesse zunehmend an ihre Grenzen geführt. Wegen steigender Verarbeitungskomplexität, hohen Umformgraden bei immer kleineren Blechdicken, Chargenschwankungen der Werkstoffe sowie Unsicherheiten im System Werkzeug/Maschine ist es unvermeidbar, dass diese Prozessgrenzen auch sporadisch überschritten werden.

Als Folge derartiger Einflussfaktoren sind umformbedingte, schwer identifizierbare Bauteilfehler nicht auszuschließen. Dazu gehören aufgerissene Bereiche (Risse) im Blech, aber auch lokale Ausdünnungen (Einschnürungen) der Blechdicke. Während klaffende Risse ab einer bestimmten Größe mit optischen Verfahren zuverlässig erkannt werden, fehlte bisher ein Verfahren, mit dem geschlossene bzw. kleine Risse und insbesondere Einschnürungen prozesssicher nachgewiesen werden können.

In einer vergleichenden Studie wurde gezeigt, dass sich die sogenannte EMUS-Prüftechnik (elektromagnetisch erzeugter Ultraschall) am besten für den fertigungsintegrierten Nachweis von Rissen und Einschnürungen in Blechbauteilen eignet. Ultraschallprüfköpfe auf Basis von EMUS können trocken,  d. h. koppelmittelfrei und im Allgemeinen auch berührungslos eingesetzt werden.

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inspECT-PRO: Breitband-Wirbelstromprüfelektronik für Mehrkanal- und Mehrfrequenzanwendungen

inspECT-PRO mit OPC UA Interface
© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser
inspECT-PRO Breitband-Wirbelstromelektronik mit OPC UA Interface

Prüfung elektrisch schwach leitfähiger Materialien wie Kohlestofffasern (CFK), Detektion von Oberflächen- und oberflächennahen Fehlern, Schichtdickenbestimmung, Verwechslungsprüfung, Materialcharakterisierung, OPC UA Interface

 

  • 2 parallele analoge Hardwarekanäle mit der Möglichkeit verschiedenene Signale wie Sinus, Rechteck oder beliebige Signalformen zu erzeugen
  • Einfrequenz- oder Mehrfrequenzbetrieb mit bis zu 32 Prüffrequenzen von 10 Hz bis 112,5 MHz pro Hardwarekanal
  • Mehrsondenbetrieb mit bis zu 32 Sonden pro Hardwarekanal, umgesetzt mit externem Multiplexer, der auch eine flexible Positionierung der sensornahen Elektronik zulässt und weite Prüfstrecken ermöglicht
  • Aufbau von Vielkanalsystemen durch Kaskadieren mehrerer inspECT-PRO-Elektroniken durch das modulare Konzept, angepasst an die Bedürfnisse des Kunden
  • Hohe Abtastrate pro Kanal: 125 000 Samples/s (Einfrequenzbetrieb), bis zu 1200 Samples/s (Multiplexbetrieb) bei 32 Frequenzen und/oder 32 Sonden; applikationsabhängige Anpassungen möglich
  • Integriertes 3-Achs-Koordinaten- und CTP-Interface (Cycle Trigger Pulse)
  • Echtzeit-Ein- und Ausgänge sowie OPC UA-fähige Schnittstelle (Daten- und Prozesssteuerung)
  • Signalverarbeitung und Datenauswertung in Echtzeit bereits auf der inspECT-PRO-Elektronik
  • Leistungsstarke Software für unterschiedliche Prüfaufgaben mit integrierter Regressionsanalyse und Klassifizierungsalgorithmus

 

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inspECT – DeepFlawDetector

© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser

Schnelle, großflächige Prüfung auf tiefliegende Ungänzen wie Risse oder Korrosion mit metallischer oder nichtmetallischer Überdeckung unter Zuhilfenahme von GMR-Linienarrays

  • Prüfung ohne Notwendigkeit für den Einsatz von Koppelmitteln
  • Gleichbleibende frequenzunabhängige Prüfempfindlichkeit mit hoher Ortsauflösung
  • Schnelle Anpassung an unterschiedliche Prüfgegebenheiten (durch die Überführung der GMR-Sensorik in die vorhandene Hardwaretechnik)
  • Sensorsysteme mit 8 oder 16 GMR-Sensoren verfügbar bzw. individuell konfigurierbar
  • Echtzeit-Prüfdatendarstellung im C-Scan z.Zt. verfügbar mit vereinfachter Anzeigeninterpretation
  • Robustes, mobiles Indutrielaptopsystem, bei dem auch konventionelle Wirbelstromsensoren angeschlossen werden können

 

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BetoFlux: Mobiles Streufluss-Prüfsystem zur schnellen Detektion von Korrosionsschäden an Spannbetonmasten

© BauConsulting Dr. Walther

Magnetische Streuflussprüfung

Intuitive Darstellung der Anordnung und des Zustandes ferromagnetischer Spannstähle

Speziell für den mobilen Einsatz konzipiert

Einfache Anpassung an unterschiedliche Betonmastdurchmesser

Geringer Aufwand verglichen mit alternativen Prüfverfahren (z. B. Röntgen)

Keine Gefahr der zusätzlichen Schädigung des Mastes

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3MA-X8: Schnelle Charakterisierung mikromagnetischer Materialien

© Fraunhofer IZFP
3MA-X8: Setup mit drei aktiven Kanälen, Sensorauswahl und Steuer-/Auswerte-PC

Bestimmung von Härte, Härtetiefe, Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung, Eigen- und Lastspannungen

Verwechslungsprüfung

Nachweis von Dross in Gusswerkstoffen

Abscannen von Flächen mit bis zu 8 Sensoren gleichzeitig zur Detektion lokaler Abweichungen der Werkstoffeigenschaften

Prüfung von Bauteilen und Komponenten, auch an mehreren Positionen gleichzeitig

Echtzeit-Messung in Produktionsprozessen

Terahertzwellen: Zerstörungsfreie, ortsaufgelöste Bestimmung des Wassergehaltes von Kunststoffen

© Fraunhofer IZFP
Prinzip Terahertz-Messverfahren

Polyamide werden in großem Umfang für Bauteile der Fahrzeug- und Motorentechnik eingesetzt. Hierfür sind ihre mechanischen Eigenschaften (Festigkeit und Zähigkeit) sowie die chemische Beständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln von Vorteil. Faserverstärkte Ausführungen erweitern das Einsatzgebiet zusätzlich.

Das sehr verbreitete Polyamid 6.6 (Nylon) kann ca. 8 Gewichts-Prozent an Wasser aufnehmen, wobei sich seine mechanischen Eigenschaften signifikant ändern. Dies ist u. a. für  wasserdurchflossene Bauteile im Kühlsystem der Motoren oder für Strukturbauteile relevant, die wiederkehrender Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Der Prozess der Wasseraufnahme und -abgabe findet dabei als Diffusion über viele hundert Stunden statt, wobei sich ausgehend von der Oberfläche ein Gradient in die Werkstofftiefe ausbildet. Es besteht Interesse an der Lokalisierung der von Wasseraufnahme betroffenen Bauteilbereiche im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen lokaler Feuchte und mechanischen Eigenschaften.

Am Fraunhofer IZFP ist eine Terahertz-Messeinrichtung vorhanden, welche Wellen im Frequenzbereich von 0,1 THz bis ca. 3 THz aussendet. Sobald die ausgesendeten Wellen die Probe durchlaufen, treten quasioptische Effekte wie Absorption, Polarisation, Streuung, Brechung und Reflexion auf, die das am Empfänger gemessene Signal in Bezug auf Frequenz-, Amplituden- und Phasenlage in Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften der Probe verändern und somit Aussagen zu ihrer Beschaffenheit zulassen. Zwischen der Sender- und Empfangseinheit wird die Probe im Prüfaufbau durch einen mechanischen X-Y-Scanner verfahren und dadurch eine Positionszuordnung der aufgenommenen Signale ermöglicht.

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inspECT: Mehrkanal-Mehrfrequenz-Wirbelstromprüfelektronik

© Fraunhofer IZFP

Mobiles Wirbelstromprüfsystem als robuste Industrienotebook-Variante mit IP65 Schutzklasse

OEM-Kit: inspECT-Prüfelektronik, Backplane, Spannungsversorgung, Koordinaten­interface und Multiplexer – zur Integration in Kundensysteme

Kompaktes Wirbelstromsystem mit externem Eingabegerät für die industrielle Nutzung mit IP65 Schutzklasse

Konfiguration der Prüfelektronik nach Kundenvorgaben und Integration in Kundensysteme

Einfrequenz- oder Mehrfrequenzbetrieb mit bis zu 16 Prüffrequenzen von 100 Hz bis 10 MHz

Leistungsstarke Hardware: Signalverarbeitung in Echtzeit bereits auf der inspECT-Prüfelektronik

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MAGNUS: Hybrides Mikromagnetik- und Ultraschall-Prüfsystem

© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser
MAGNUS mit Halter

Methodenentwicklung zur smarten Kombination von mikromagnetischer Werkstoffcharakterisierung und elektromagnetischer Ultraschallwandlung

Demonstratoraufbau und industrielle, praxisnahe Erprobung

Bei »MAGNUS« handelt es sich um ein im Rahmen des Fraunhofer-Carnot-Programms, die »L'Agence Nationale de la Recherche« ANR und das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördertes Projekt, das in Zusammenarbeit mit dem »Centre Technique des Industries Mécaniques« CETIM in Senlis, Frankreich, durchgeführt wird.

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GMR-Sensoren: Optimierung der Schichteigenschaften

© Fraunhofer IZFP

Wirbelstrom-Impedanzanalyse

Wirbelstrom-Scans bis hin zur Mikroskopie

Leitfähigkeit, Permeabilität, Permittivität

Schichtdicke, Material und Zustand

Sensorsysteme: Automatische Konfiguration und Aufnahmeplanung

Maschine-Material-Interaktion: In die Produktionslinie integriertes 3MA-System zur Überwachung mechanisch-technologischer Materialeigenschaften von Bandstahl während der Herstellung

Robotergestütztes Inline-Überwachungssystem (Monitoringsystem) für vergüteten Bandstahl

Kontinuierlich selbstregelnde Positionierung des Sensors durch den Roboter auf Basis der
sensoreigenen Signalerzeugung und -verarbeitung

Kontinuierliche Ermittlung von Härte und Eigenspannungen im Band

Permanente Nachregulierung des Prozesses mittels selbständiger Extraktion relevanter Informationen durch das »kognitive Sensorsystem«

Weitere Informationen

Härte, Härtetiefe, Eigenspannungen, Streckgrenze, Zugfestigkeit

Zerstörungsfreie Prüfung pressgehärteter Karosserieteile mit 3MA

Zerstörungsfreie Prüfung von Härte- und Eigenspannungs-Tiefenprofilen mit 3MA am Beispiel von Ventilfedern

Clinchen: Off- und Online Bestimmung der Bodendicke im Clinchpunkt

© Fraunhofer IZFP
Prototyp zur Offline-Bestimmung der Bodendicke im Clinchpunkt

Qualitätsüberwachung der Clinchpunkte mittels Wirbelstrom-Mehrfrequenzverfahren

Kombination mehrerer Wirbelstromfrequenzen

Unterscheidung von Störgrößen wie Sensorabhebung von der Oberfläche, Leitfähigkeits- und Permeabilitätsänderungen

Kalibrierung notwendig

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Autarke Monitoringplattform zur permanenten Zustandsüberwachung von Infrastrukturbauten

© Katharina Wieland Müller- Pixelio

Modulare, energieautarke Elektronik, die in der Lage ist, bei äußerst niedrigem Energiebedarf u. a. Wirbelstromprüfung, Streuflussprüfung, Neigungsmessung und Ultraschallprüfung langzeitig durchzuführen und die gesammelten Daten zu speichern

Autarke und umweltfreundliche Energieversorgung mittels integrierter Solarzelle

Wartungsfreier Langzeit-Betrieb

Hochempfindliche Fehlerdetektion

Telemetrische Datenauslesung per funkgesteuertem Interface

Niedrige Stückkosten

Einzigartige Kombination bewährter zerstörungsfreier Sensortechnik des Fraunhofer IZFP

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Ventilfedern: Zerstörungsfreie Prüfung von Härte- und Eigenspannungs-Tiefenprofilen mit 3MA

© Fraunhofer IZFP / Uwe Bellhäuser
Ventilfederscanner

Gleichzeitige Bestimmung von mehreren relevanten Qualitätsmerkmalen des Werkstoffs (Härte, Eigenspannungen etc.)

Keine Zerstörung des Prüfteils

Integration in vollautomatisierte Prüfsysteme

Kalibrierung notwendig

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