Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Die automatisierte Prüfung zylindrischer Sicherheitskomponenten stellt ein Hauptanwendungsgebiet der Wirbelstromtechnik in der industriellen Qualitätskontrolle dar. Die realisierten Prüfkonzepte unterscheiden sich jedoch signifikant bezüglich der Bauteilhandhabung sowie der Sensorik, da die geforderte Durchsatzleistung, die zu prüfenden Bauteilzonen als auch die vom Endkunden geforderten Fehlerspezifikationen den zu wählenden Lösungsansatz maßgeblich prägen.
Der Beitrag dokumentiert anhand exemplarisch ausgewählter Prüfaufgaben die Bandbreite sowie den "Status Quo" der bereits realisierten und industriell erprobten Standard-Prüfstationen für den Themenkreis der Riss- und/oder Porendetektion an zylindrischen Bauteilen. Dabei wird an unterschiedlichen Bauformen zylindrischer Teile der jeweils gewählte Konzeptansatz dargestellt und bezüglich seines Prüfpotentials für den Serieneinsatz bewertet.
Das Wirbelstromverfahren wird weltweit zur Oberflächenfehlerprüfung (oberflächenoffene Risse und Poren) eingesetzt. Insbesondere an zylindrischen Bauteilen hat es - aufgrund seines hohen Automatisierungspotentials - die Farbeindring- und die Magnetpulverprüfung nahezu vollkommen verdrängt.
Das Wirbelstromverfahren erlaubt hohe Prüfgeschwindigkeiten und damit verbunden hohe Durchsatzleistungen. Hiermit eignet es sich insbesondere für den Einsatz in der produktionsbegleitenden 100%-Prüfung. Darüber hinaus entsteht aufgrund der berührungslosen Arbeitsweise keinerlei Verschleiß an Prüfteil oder Sensor und zudem sind keine Verbrauchsmaterialien oder Koppelmedien erforderlich.
Ein direkter Vergleich mit den bisherigen (verbrauchsmaterial- und personalintensiven) Prüfverfahren verdeutlicht, daß die höheren Investitionskosten einer automatisierten Wirbelstromlösung durch signifikant geringere Betriebskosten mehr als kompensiert werden. Hieraus resultieren in der Serienprüfung deutlich niedrigere Betriebskosten für die Prüfung pro Bauteil. (Abbildung 1).
Abb 1: Kostenvergleich für den Einsatz des Wirbelstromverfahrens in Relation zum Magnetpulver- und Farbeindringverfahren.
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Neben dem hohen Automatisierungsgrad ergeben sich zudem erweiterte Möglichkeiten zur Visualisierung und Dokumentation der Prüfergebnisse. Insbesondere die Möglichkeit der objektiven Bewertung der auftretenden Fehler durch Auswertung der Wirbelstromkennwerte Amplitude und Phase erfüllt dabei die Anforderungen moderner Qualitätsrichtlinien (z.B. QS 9000).
Obwohl gerade zylindrische Prüfteile optimale Voraussetzungen für die mechanische Bauteilhandhabung bieten, haben sich aufgrund der Vielfalt geometrischer Abmessungen und anderer kundenspezifischer Anforderungen sehr unterschiedliche Konzeptlösungen in der industriellen Prüfpraxis etabliert.
Hierbei bestimmen - unter Berücksichtigung der geforderten Durchsatzleistung - die zu prüfenden Bauteilzonen, die zu detektierenden Grenzfehler sowie das Durchmesser- zu Längenverhältnis der Prüfteile wesentlich das zu wählende Gesamtkonzept.
Abb 2: Wirkprinzip einer Wirbelstromtastsonde zur Oberflächenfehlerprüfung.
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Abb 3: Einige typische Wirbelstromtastsonden zur Oberflächenfehlerprüfung.
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Abb 4: Wirbelstrom-Rotiersonde zur Oberflächenfehlerprüfung. Die Sondenköpfe sind steckbar ausgeführt, um eine schnelle und einfache Umrüstung auf verschiedene Prüfteiltypen zu ermöglichen.
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Neben der magnet-induktiven Materialprüfung, die im niederfrequenten Bereich Absolutspulen globale Eigenschaften (wie z.B. Härte, Festigkeit, Materialzusammensetzung, Wärmebehandlung, etc.) der Prüfteile erfasst, ermöglicht die hochfrequente Anwendung des Wirbelstromprüfverfahrens mit Differenz-Tastsonden (Abbildung 2) die Detektion von Oberflächenfehlern. Hierdurch können sehr kleine, lokale Inhomogenitäten (Risse, Poren, Lunker, etc.) auf der Bauteiloberfläche sehr empfindlich nachgewiesen werden.
Die Variationsbreite der Tastsondengestaltung (Abbildung 3) ist sehr vielfältig bezüglich Baugröße und Spulenkennwerten (z.B. effektive Wirkbreite der Sonden), so daß optimale Voraussetzungen zur Anpassung an die angetragene Kundenaufgabe gegeben sind. In der Regel erfolgt die Prüfung der festgelegten Bauteilzonen durch Abfahren (sog. "Scannen") unter Rotation des Bauteiles. Zu beachten ist, daß die eingesetzten Tastsonden in der Regel als Differenzsystem aufgebaut sind und somit eine Vorzugsrichtung bezüglich der Rissdetektion (longitudinal bzw. transversal) aufweisen. Somit muß im Falle der Prüfung auf Risse sämtlicher möglicher Orientierungen u.U. ein weiteres Abfahren bzw. paralleles Abfahren mit geänderter Sondenorientierung berücksichtigt werden.
Neben den Tastsondensystemen besteht zudem die Alternative sog. Rotationssonden (Abbildung 4) bzw. Rotierköpfe (Abbildung 5) für die anstehende Prüfaufgabe einzusetzen. Prinzipiell können diese mit der gesamten Bandbreite der zur Verfügung stehenden Sondenelemente ausgerüstet werden offerieren jedoch die Möglichkeit, bei der Gesamtsystemlösung auf eine Rotation des Bauteiles zu verzichten. Um die Anpassung an die jeweilige Prüfaufgabe kostengünstig und einfach zu gestalten, sind die eigentlichen Prüfsondenelemente steckbar ausgeführt, so daß im Rahmen der Serienprüfung einer schneller Austausch gewährleistet ist.
Abb 5: Wirkprinzip eines Rotierkopfes. Bei dieser Bauform rotieren die Prüfsonden um das Prüfteil bei gleichzeitigem Transport des Prüfmaterials in Längsrichtung.
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Im folgenden werden für den Themenkreis der "automatisierten Rißprüfung an zylindrischen Bauteilen" (exemplarisches Bauteilspektrum siehe Abbildung 6) grundlegende Systemlösungen, welche sich bereits im industriellen Serieneinsatz bewährt haben, vorgestellt. Allen Systemlösungen ist gemeinsam, daß sie unter Erfüllung des Anforderungsprofils des Kunden (zu prüfende Bauteilbereiche, Fehlerspezifikationen, Prüfdurchsatz, Prüfteilspektrum sowie geforderte Rüstzeiten) eine abgeschlossene und leicht in den Fertigungsprozeß zu integrierende Komplettlösung, bestehend aus Mechanik und Messtechnik, darstellen. Ausgehend von der Vereinzelung der Bauteile über die Beladung und Prüfung bis hin zur Entladung und Sortierung sind dabei alle Funktionen einer vollautomatischen Prüfstation implementiert.
Zudem verfügen alle Konzepte über einen sog. Mastertest, der durch das periodische Einführen eines definiert geschädigten Musterteiles (z.B. mit künstlich erzeugtem Referenzfehler) eine automatische Selbstkontrolle der Prüfqualität der Gesamtstation jederzeit sicherstellt. Unter gleichzeitiger konsequenter Visualisierung und Dokumentation der Meßergebnisse werden zudem alle Anforderungen moderner Qualitätsrichtlinien erfüllt.
Abb 6: Typische rotationssymmetrische Prüfteile.
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Das Anforderungsprofil der Qualitätskontrolle von Lagerringen und Bremskolben wird bestimmt durch das breite Spektrum der zur Prüfung anstehenden Bauteiltypen, was eine hohe Flexibilität und kurze Rüstzeiten der automatisierten Prüfung erfordert.Gleichzeitig muß der mechanische Transport sowie die Positionierung der Bauteile während des Prüfablaufes aufgrund der geforderten hohen Oberflächengüte sehr schonend erfolgen, um mögliche mechanische Beschädigungen vollständig auszuschließen.
Als Prüfzonen stehen in beiden Anwendungsfällen die kompletten Außen- und Innenflächen zu Prüfung an. Aufgrund der Oberflächenkonturen muß zudem eine gezielte axiale und radiale Nachführung der Tastsensoren mittels programmierbarer NC-Achsen durchgeführt werden, um eine Fehlererkennung mit höchster Empfindlichkeit zu gewährleisten.
Für beide Prüfaufgaben wurde das ROTOSCAN Prüfsystem gewählt, da es zum einen eine flächendeckende Innen- und Außenmantelprüfung erlaubt und zum anderen auf Durchmesser-/Längenverhältnisse (D/L) bis ca. D/L=3 mechanisch ausgelegt ist. Das Transport- und Positionierprinzip beruht auf dem Einsatz von gegeneinander laufenden Transportbändern, welche mit unterschiedlichen Drehzahlen gezielt angesteuert werden. Hierdurch kann sowohl eine definierte Rotation als auch eine gesteuerte Zu- und Abführung des Prüfteils realisiert werden.
Die Transportbänder sind zum einfachen Austausch (z.B. im Rahmen von Wartungs- und Reparaturarbeiten) in Bandkassetten montiert. Sie lassen sich in ihren Beschichtungen in einem weiten Bereich variieren und somit optimal auf eine sehr schonende Bauteilhandhabung auslegen.
Infolge der rechnerkontrollierten Ansteuerung sowohl der Bandantriebe als auch der Verfahrachsen für die Innen- und Außensonde können für max. 126 Bauteildimensionen die Kenndaten separat gespeichert und über die Angabe des Bauteiltyps jederzeit abgerufen werden. Hierdurch ist ein vollautomatischer Dimensionswechsel ohne Wechselteile realisierbar. Durch Integration eines in einer Warteposition parkenden Meisterteils kann zudem jederzeit das Gesamtsystem auf die Erfüllung der festgelegten Prüfvorschrift (Detektion der spezifizierten kritischen Fehlertypen auf dem Innen- und Außenmantel) überprüft werden.
Die Systemlösung offeriert aufgrund ihrer kompakten Baugröße sowohl die problemlose Integration in die Serienfertigung als auch eine Nutzung als "stand alone" Prüfstation.
Die Abbildung 7 dokumentiert den Einsatz als "stand alone" Version für die Kugellagerringprüfung. Aufgrund der geringeren Bauteilgewichte wurde dabei eine vertikale Auslegung des Gesamtsystems gewählt, welche einen hohen Bedienungskomfort bei der manuellen Beladung erlaubt. Die dargestellte Prüfstation deckt in der Standardversion (KLR 70) den Durchmesserbereich von 15 mm bis 70 mm bei einem maximalen axialen Verfahrweg von 100 mm ab. Als Prüfdurchsatz kann z.B. bei einem Kugellagerring des Durchmessers 30mm eine Größenordnung von ca. 1.200 Bauteilen/Stunde bei gleichzeitiger Prüfung der Innen- und Außenflächen erzielt werden.
Abb 7: Wirbelstromprüfstation für Kugellagerringe.
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Der weitgehend standardisierte und modulare Aufbau des ROTOSCAN Konzeptes ermöglicht jedoch auch die Anpassung an sehr extreme kundenseitige Forderungen. Dies verdeutlicht eindrucksvoll die "in process" Installation einer Bremskolben-Prüfstation basierend auf dem ROTOSCAN Konzept. In diesem Anwendungsfall erfolgt die Prüfung der Außen- und Innenmantelflächen von 122 Bremskolbentypen, wobei eine Taktzeit von 1.5 Sekunden pro Bremskolben prozessbedingt gefordert ist (Abbildung 8).
Abb 8: Wirbelstromprüfstation für Bremskolben.
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Um diese Anforderungen zu erfüllen wurde eine Dual-Ausführung des ROTOSCAN Konzeptes gewählt, welche aufgrund der vorgegebenen Beladungssituation sowie in Anbetracht der höheren Bauteilgewichte horizontal ausgelegt wurde. Die Anbindung der Prüfstation erfolgte direkt im Anschluß an den Schleifprozess unter zusätzlicher Integration einer automatischen Längenkontrolle. Trotz der sehr unterschiedlichen Bremskolbendurchmesser und -längen kann - aufgrund der realisierten Auslegung der Zuführmechanik - eine automatische Dimensionsumstellung erfolgen. Die im Dreischichtbetrieb ermittelten Erfahrungswerte dokumentieren eindrucksvoll das Prüfpotential dieser ROTOSCAN Systemlösung bei der Prüfung von gegossenen und blechumgeformten Bremskolben.
Da seitens der realisierbaren Bauteilrotation eindeutige Grenzen in Bezug auf die Standfestigkeit der Mechanik gegeben sind, muß zur Prüfung von zylindrischen Komponenten mit hoher Bauteillänge D/L<<3 ein anderer Verfahrensansatz gewählt werden, um eine hohe Durchsatzleistung im Serieneinsatz zu ermöglichen.
Sofern sich dabei die Prüfanforderungen auf eine reine Oberflächenprüfung der Mantelfläche konzentrieren, kann über den Einsatz von Rotierkopfsystemen (Abbildung 5) ein sehr leistungsfähiges Prüfkonzept angeboten werden.
Hierbei wird ausgenutzt, dass die Rotierkopfsysteme aufgrund ihres Potentials problemlos Rotationsdrehzahlen von bis zu 18.000 U/min dauerstandfest erlauben. Dieses - aus der Halbzeugprüfung bekannte - Prüfpotential kann daher durch angepaßte Mechanikkonzepte sehr effektiv zur Längs- und Querfehlerprüfung von langen, zylindrischen Bauteilen genutzt werden.
Basierend auf diesem Grundgedanken wurde das ROTOPUSH Konzept (siehe Abbildung 9) entwickelt und für die Serienprüfung von Kolbenstangen und Ventilführungen ertüchtigt. Ausgehend von einer "Stoß an Stoß" Zuführung der Prüfteile zum Rotierkopf, wobei durch angepaßte Sensorik jeweils den Bauteilbeginn sowie das Bauteilende ermittelt wird, kann eine gezielte Fehlerprüfung und -bewertung ausgewählter Prüfzonen durchgeführt werden. Durch die Auslegung des mechanischen Konzeptes wird dabei immer sichergestellt, daß die Prüfteile mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit den Rotierkopf passieren und bauteilrichtig bezüglich Längs- und Querfehleranzeigen aussortiert werden. Dabei stellt im Falle des Losendes ein sog. "Pusher" das Leerfahren des Prüfkopfes sicher. Gleichzeitig wird dieser Pusher als sog. Mastercheck zur gezielten Einführung eines bekannten Musterfehlers genutzt, wodurch eine periodische, zeitunkritische Überprüfung der Gesamtanlage durchgeführt werden kann.
Abb 9: Wirbelstromprüfstation für Kolbenstangen.
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Das oben beschriebene ROTOPUSH Konzept konnte bereits erfolgreich bei der Prüfung von gesinterten Ventilführungen und Kolbenstangen eingesetzt werden. Selbst unter Anwendung sehr kleiner Sondenwirkbreiten (1.0 mm bzw. 1.5 mm), welche für die Fehlerfindung von kleinsten Poren und Rissen an Gasdruckkolbenstangen erforderlich sind, erlaubt die hohe Drehzahl des Rotierkopfes sowie die gewählte mechanische Konfiguration einen hohen Bauteildurchsatz (Prüfgeschwindigkeit bis zu 250mm/s). Hierdurch ist die direkte Integration in den Fertigungsprozeß gegeben.
Die derzeit verfügbaren Standardlösungen auf ROTOPUSH Basis (RO20 / RO35) decken einen Bauteildurchmesserbereich bis zu 35 mm bei Längen von 30 mm bis 500 mm problemlos ab. Insbesondere die standardmäßig eingesetzte Abstandskompensation garantiert dabei höchste Fehlerempfindlichkeit bei minimalem Pseudoausschuß. Derzeit laufende Entwicklungen beschäftigen sich zudem mit der Einbindung einer Online-Materialbewertung zur Gewinnung weiterer Qualitätsmerkmale im Rahmen einer prozessintegrierten Prüflösung.
Der dem ROTOPUSH zugrunde gelegte Ansatz des Einsatzes rotierender Sonden wurde auch bei der Systemlösung ROTOCHECK aufgegriffen.
Diese Systemlösung findet immer dann ihren Einsatz, wenn zylindrische Bauteile mit geringen Längen (D/L)>1 auf Risse (innen und außen) in ihren Mantelflächen geprüft werden müssen. Der Konzeptansatz beruht dabei auf der Anwendung des klassischen Rundschalttischkonzeptes in Kombination mit einer Rotiersonde (ein- bzw. mehrkanalig, siehe Abbildung 4), wodurch auch hierbei auf eine zusätzliche mechanische Rotation des Prüfteils vollkommen verzichtet werden kann.
Am Beispiel der Rißprüfung an gehärteten Unterlegscheiben (D/L>>1) soll der Aufbau einer ROTOCHECK Systemlösung (Abbildung 10) exemplarisch vorgestellt werden.
Abb 10: Wirbelstromprüfstation für Unterlegscheiben.
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Basierend auf dem Lastenheft des Kunden erfolgt die Rissprüfung einer Unterlegscheibenoberfläche am Innen- und Außenrand (Zweikanalanwendung) mittels einer Spezialrotiersonde im Rundschalttisch. Hierbei übernimmt der Rundschalttisch lediglich die Aufgabe den jeweiligen Bauteiltyp definiert unter der Rotiersonde zu positionieren und fehlerhafte Teile in der nächsten Schalttischposition auszusortieren. Im Falle eines Bauteilwechsels muß daher nur das typenspezifische Sondenelement montiert und der abgespeicherte Prüfparametersatz am Meßsystem (STATOGRAPH ECM) aktiviert werden. Unter Integration standardmäßiger Förderkomponenten (Schwing - und Linearförderer) erlaubt diese Systemlösung im Falle der Unterlegscheibenprüfung einen Bauteildurchsatz von ca. 70 Teilen/min.
Vergleichbare ROTOCHECK Systemlösungen für die Prüfung von Messing- und Stahltöpfen dokumentieren das hohe Anwendungspotential und die erzielbaren geringen Prüfkosten pro Bauteil bei dieser Systemlösung.
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