Industrielle Automation 5/2015

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)
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