DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

Start > Beiträge > Vorträge > Elektromagnetische Verfahren: Print

MECAPROBE - ein neues Wirbelstrom-Sondenkonzept zur Prüfung komplexer Bauteilgeometrien

J. Nehring, N. Mack, J. Sand (Institut Dr. Förster, Dortmund)
W. Rodschies (Rodschies Prüftechnik, Schwarmstedt)
Kontakt: Nehring Jürgen Dr.-Ing.

Zusammenfassung

Im Bereich der Fehlerprüfung rotationssymmetrischer Bauteile hat sich die Wirbelstromprüfung weltweit etabliert und alternative Prüfverfahren wie die Magnetpulverprüfung sowie die Farbeindringprüfung aufgrund der hohen Prüfempfindlichkeit, des hohen Automatisierungsgrades sowie der Möglichkeit einer aussagekräftigen Dokumentation der Messergebnisse nahezu vollkommen ersetzt.

Im Gegensatz hierzu erfolgt der Einsatz der Wirbelstromtechnik an komplexen Bauteilgeometrien nur sehr vereinzelt in der industriellen Serienprüfung. Wesentlicher Grund hierfür ist der dem Messsignal überlagerte Störeinfluss der Bauteilgeometrie, welcher eine eindeutige Fehlerfindung deutlich erschwert.

Das neu erarbeitete Sondenkonzept MECAPROBE eröffnet erstmalig durch eine gezielte Kombination von sondenintegrierten, mechanischen Komponenten sowie einer gezielt ausgelegten Sensorik eine einfache und kostenoptimierte Prüfung auch komplexer Bauteilgeometrien. Anhand der Prüfung von Nockenwellen mit "spitzer" Nockengeometrie wird das Grundprinzip der erarbeiteten Konzeptlösung vorgestellt und bezüglich seines industriellen Anwendungspotentials bewertet.

Einleitung

Das Wirbelstromverfahren wird weltweit zur Oberflächenfehlerprüfung (oberflächenoffene Risse und Poren) eingesetzt. Es erlaubt dabei hohe Prüfgeschwindigkeiten und damit verbunden hohe Durchsatzleistungen. Hiermit eignet es sich insbesondere für den Einsatz in der produktionsbegleitenden 100% Prüfung. Darüber hinaus sind zudem keine Verbrauchsmaterialien oder Koppelmedien erforderlich. Ein direkter Vergleich mit den bisherigen (verbrauchs- 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.

Während zylindrische Prüfteile optimale Voraussetzungen hinsichtlich der zu erzielenden Prüfempfindlichkeit sowie der mechanischen Bauteilhandhabung bieten, wird der Einsatz der Wirbelstromprüfung an Bauteilen komplexerer Geometrie aufgrund der überlagerten Störeffekte der Prüfteilgeometrie begrenzt. Ansätze, auch diese Aufgabenstellungen der Wirbelstromtechnik zugänglich zu machen, führten entweder zu aufwendigen und zeitintensiven Signalauswertungen bzw. zu Prüflösungen mit NC-gesteuerter Sondennachführung, welche jedoch in vielen Anwendungsfällen den vorgegebenen Kostenrahmen aufgrund der aufwendigen Handhabung sprengen. Somit blieb die Wirbelstromprüfung diesen Anwendungen trotz ihres hohen Prüfpotentiales und ihrer objektiven Messsignalbewertung bisher verschlossen.

Wirkprinzip der Wirbelstrom-Fehlerprüfung

Die hochfrequente Anwendung des Wirbelstromprüfverfahrens mit sog. DifferenzTastsonden, Abbildung 2, ermöglicht die Detektion von Oberflächenfehlern. Hierdurch können sehr kleine, lokale Inhomogenitäten (Risse, Poren, Lunker, etc.) auf der Bauteiloberfläche sehr empfindlich nachgewiesen werden.


Abb 2: Wirkprinzip einer Wirbelstromtastsonde zur Oberflächenfehlerprüfung.

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.


Abb 3: Einige typische Wirbelstromtastsonden zur Oberflächenfehlerprüfung.

Einfluss der Prüfteilgeometrie auf die Rissdetektion


Abb 4:
Störeinfluss bei unterschiedlichen Prüfteilgeometrien.

Bei der Wirbelstromprüfung wird die höchste Prüfempfindlichkeit nur dann erzielt, wenn die Prüfsonde während der Messung senkrecht zur Werkstückoberfläche geführt wird. Sofern lediglich ein sog. Höhen- bzw. Hubausgleich (und keine Winkelanpassung) vorgenommen wird, führt jede Abweichung der Prüfteilgeometrie von einer rotationssymmetrischen Bauform zu einem signifikanten Störeinfluss.
Das Beispiel der Detektion eines 0.3 mm tiefen künstlichen Risses an unterschiedlichen Prüfteilgeometrien dokumentiert den zunehmenden Störeinfluss, Abbildung 4. Während der Riss an der "idealen Geometrie" (Kugellagerring;

  1. mit einem sehr hohen Signal-/Rauschverhältnis erkannt wird, verdeutlicht die Prüfung der "flachen Nockengeometrie"
  2. die Reduzierung der Prüfempfindlichkeit durch die geometrischen Störeinflüsse. Lediglich der Einsatz der geräteinternen Abstandskompensation (siehe Abstandskurve im unteren Bildbereich) ermöglicht es noch, den künstlichen Riss (links) nachzuweisen. Bei einer weiteren "Verschärfung" der Prüfteilgeometrie ("spitze" Nocke,
  3. sind die Geometrieeffekte bereits (trotz Abstandskompensation) so signifikant, dass sie den in der Mitte befindlichen Riss in ihrer Signalanzeige überdecken.

Somit muss eine "spitze" Nockengeometrie zum derzeitigen "Status quo" der Wirbelstromprüfung (beim einfache Hubausgleich) als nicht prüfbar angesehen werden.

Lösungsansätze zur Prüfung komplexer Prüfteilgeometrien

Für die Prüfung komplexerer Bauteilgeometrien muss somit neben dem Hubausgleich immer auch ein gezielter Winkelausgleich erfolgen, um die auftretenden Geometriestöreinflüsse zu kompensieren. Dies bedeutet für die Anwendung der Wirbelstromtechnik, dass mittels einer gezielten Prüfsondenhandhabung immer sichergestellt sein muss, dass die Prüfsonde senkrecht zur zu prüfenden Bauteiloberfläche bewegt wird. Als Lösungsansätze wurden hierzu im Hause FOERSTER zwei prinzipielle Grundkonzepte intensiv untersucht:

  • Hub- und Winkelausgleich durch eine NC-gesteuerte Prüfsondenhandhabung mittels automatischer Übernahme der CAD-Nockenprofile
  • Aufbau eines neuen Prüfsondenkonzeptes mit integrierter mechanischer Nachführung

Der Aufbau einer NC-gesteuerten Prüfsondenhandhabung verdeutlichte nachhaltig die Grenzen sowohl einer universellen mechanischen Handhabung als auch der derzeit verfügbaren Steuerungskonzepte. So konnte zwar ein Handhabungskonzept realisiert werden, das eine exakte Nachführung der Sonde senkrecht zur Bauteiloberfläche erlaubte, jedoch dokumentierten Messungen, dass aufgrund der hohen Umlenkbeschleunigungen und der begrenzten Verarbeitungsgeschwindigkeiten der Steuerungen nur eine maximale Prüfgeschwindigkeit von ca. 60 U/min erzielt werden konnten. Diese Prüfgeschwindigkeit ist jedoch (unter dem Gesichtspunkt der Prüfung einer Nockenoberfläche in mehreren Spuren) als unzureichend für den industriellen Einsatz zu bewerten. Gleichzeitig zeigten die Analysen, dass mit diesem Konzept zwar eine flexible berührungslose Prüfung realisiert werden kann, jedoch die Kosten für die Umsetzung sowie die zwangsweise erforderliche Vorjustierung der Nockenwelle für den industriellen Einsatz nicht tragbar sind.


Abb 6:
Reduzierung des Geometrieeffektes durch die FOERSTER MECAPROBE.

Daher wurde der Lösungsansatz einer integrierten mechanischen Nachführung direkt im Sondenkopf gezielt aufgegriffen und im Detail optimiert. Abbildung 5 veranschaulicht das in mehreren Entwicklungsstufen optimierte neue FOERSTER Sondenkonzept MECAPROBE. Basierend auf einer rechneroptimierten, rollengeführten Nachführung wird das Prüfsondenelement selbst bei Drehzahlen von 180 U/min gezielt senkrecht zur Bauteiloberfläche geführt. Durch den Einsatz gewichtsoptimierter Einzelmodule sowie optimierter Sondenkonzepte (federgelagerte berührende Führung für geschliffene Bauteiloberflächen; berührungslose "Ankopplung" mittels Abstandskompensation für unbearbeitete Bauteiloberflächen) entstand ein hochdynamisches Sondenkonzept, welches einen empfindlichen Fehlernachweis an komplexeren Bauteilgeometrien ermöglicht. Abbildung 6 dokumentiert das realisierte Prüfpotential am Nachweis des 0.3 mm tiefen Risses an einer "spitzen" Nockengeometrie. Da sich die Sonde beim Aufsetzen auf das Prüfteil zudem selbst justiert, kann die bei der NCgesteuerten Handhabung erforderliche Vorjustierung der Nockenwelle für den Prüfzyklus entfallen. Somit minimiert sich der zusätzlich erforderliche Handhabungsaufwand auf eine einfache Rotation der Nockenwelle sowie ein definiertes Aufsetzen bzw. Abheben der Prüfsensoren beim Messvorgang für alle zur Prüfung anstehenden Nockenwellentypen. Interne Kalkulationen dokumentieren, dass sich hiermit der Gesamtkostenaufwand der mechanischen Komponenten auf ca. 30%, bezogen auf die Kosten der NC-gesteuerten Lösung, reduziert.


Abb 5: FOERSTER MECAPROBE.
a) Ausrichtung Nockenflanke b) Ausrichtung Nockenspitze.

Erste industrielle Anwendungen bei der Prüfung von PKW- / LKW-Nockenwellen

Erste Anwendungen der FOERSTER MECAPROBE dokumentieren eindrucksvoll das erweiterte Leistungspotential anhand aktueller industrieller Aufgabenstellungen, welche zum Stand der Technik als nicht prüfbar mit der Wirbelstromprüfung galten.


Abb 7:
Detektion von Härterissen an PKW-Nockenwellen.

Abb 8:
Detektion von Schleifbrandrissen an LKW-Wellen.

Exemplarisch dokumentiert Abbildung 7 den eindeutigen Nachweis eines Härterisses (Signal-/Rauschverhältnis > 3) anhand der Prüfergebnisse einer geschmiedeten PKW-Nockenwelle.

Der Vergleich der Messanzeigen der fehlerfreien Nocke ("Rauschen") sowie der Messanzeige des natürlichen Härterisses an der Nockenspitze mit der Anzeige des künstlichen 0.3 mm tiefen Musterrisse (Abbildung 6) verdeutlicht, dass es sich bei dem natürlichen Fehler um eine kleine Fehlertiefe handeln muss.

Metallographische Untersuchungen zur Verifizierung der vorliegenden aktuellen Fehlertiefe werden derzeit durchgeführt.

Neben der Erkennung von Härterissen an PKW-Nockenwellen stellt das Auffinden von Schleifbrand bzw. Schleifbrandrissen einen weiteren Schwerpunkt der erweiterten Einsatzmöglichkeiten der MECAPROBE dar.

Abbildung 8 dokumentiert erste Ergebnisse an einer LKW-Musternockenwelle. Hierbei wurden gezielt über Veränderung des Schleifprozesses verschiedenen Stadien einer Schleifbrandschädigung auf der Nockenlauffläche erzeugt.

Eingeleitete Untersuchungen mit einem konventionellen Wirbelstromlösungsansatz führten zu keiner Anzeige der Schädigungen.

Im Gegensatz hierzu ermöglicht die hohe Prüfempfindlichkeit der FOERSTER MECAPROBE beim "Abfahren" der Nockenlauffläche sowohl den problemlosen Nachweis des Einzelrisses als auch die Erkennung des flächig ausgebreiteten feinen Rissnetzwerkes bei hohem Signal-Rauschverhältnis bei einer Bauteilrotation von 180 U/min. Inwieweit bereits erste Vorstadien einer Schleifbrandschädigung mittels der FOERSTER MECAPROBE ermittelt werden können, ist Gegenstand derzeit laufender Untersuchungen mit verschiedenen Herstellern von LKW-Nockenwellen.

FOERSTER Nockenwellen-Prüfstationen

Basierend auf den sehr vielversprechenden Ergebnissen in Anwendungen der FOERSTER MECAPROBE wurde im Hause FOERSTER ein standardisiertes, modulares Konzept sowohl für die Prüfung von kompletten Nockenwellen als auch für Einzelnocken erstellt.


Abb 9:
FOERSTER Nockenwellen-Prüfstation.

In Zusammenarbeit mit der Handhabungsfirma WINKHAUS Automation, Everswinkel, welche sich auf die Handhabung von Nockenwellen seit Jahren spezialisiert hat, wurde dabei eine Komplett-Prüfstation konzipiert, welche alle Elemente einer modernen Nockenwellenprüfung beinhaltet. Hierzu zählen sowohl die gesamten mechanischen Elemente (Zuführung, Prüfung, inetgrierter Master-Test, Sortierung, Ablage/ Speicherung), die Wirbelstromprüftechnik (max. 16-kanalige Wirbelstromprüfung) als auch alle zusätzlichen Komponeten einer modernen Prüfstation (wie z.B. Dimensionskontrolle, REMOTE -CONTROL, Datendokumentation etc.).

Abbildung 9 veranschaulicht ein Standardkonzept für die nachträgliche Integration dieser Prüfstation in eine bestehenden Fertigungslinie für Nockenwellen.

Zusammenfassend offerieren diese Gesamtprüfkonzepte basierend auf der FOERSTER MECAPROBE für den Endanwender folgende Vorteile:

  • kostengünstige Komplettlösung
  • hohe Prüfgeschwindigkeit / Durchsatz
  • hohe Prüfempfindlichkeit
  • optimierter Handhabungsaufwand
  • integrierter automatischer Master-Test
  • optional: Dimensionskontrolle & REMOTE-Service

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net