Akustische Emissionsanalyse zur Online-Prozessüberwachung in der Blechumformung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Forschungsprojekts war die Entwicklung bzw. Implementierung eines onlinefähigen Prozessüberwachungssystems auf der Basis der Schallemissionsmesstechnik zur Sicherung der Bauteilqualität bei Blechumformprozessen. Innerhalb des Projektes wurden prozesstypisch auftretende Fehler (veränderte Reibungszustände, Risse usw.) und Parameter berücksichtigt. Als Blechwerkstoffe wurden, wie vom Anwendungspartner gewünscht, ein duktiler DC06 und ein hochfester Dualphasenstahl HCT600X eingesetzt. Zunächst wurden die in reibungsfreien Zugversuchen charakteristisch auftretenden akustischen Emissionen aufgenommen, wobei die Piezosensoren direkt auf den Zugproben montiert wurden. Im Anschluss wurden charakteristische Risssignalmuster identifiziert und ein Indikator (Riss-Indikator) in Verbindung mit weiteren Merkmalen für eine Klassifikation entwickelt. Der Klassifikationsalgorithmus konnte dabei alle Risssignale erkennen und von allen weiteren im Prozess auftretenden Signalen unterscheiden. Nach der erfolgreichen Entwicklung der Erkennungsalgorithmen sind die Ergebnisse auf einen industrienahen Tiefziehprozess übertragen und verifiziert worden. Erschwerend kam bei diesen Versuchen der Reibungseinfluss hinzu. Durch die Anpassung der Grenzwerte der Merkmale konnten auch beim Tiefziehprozess alle auftretenden Risssignale erkannt werden. Ferner konnte die SE-Messtechnik abweichende Prozessparameter, wie z. B. unterschiedliche Schmierungszustände, unterschiedliche Werkstoffe, erkennen. Es sollte allerdings beachtet werden, dass die akustischen Emissionen im Falle von kleinen Rissen beim duktilen Werkstoff DC06 eine zu geringe Energie für eine Detektion aufwiesen. In diesen Fällen kann auch der entwickelte Klassifikationsalgorithmus kein typisches Risssignal erkennen. Im weiteren Verlauf wurde ein onlinefähiger Algorithmus für eine automatisierte Bauteilklassifikation auf Basis einer Detektion von Risssignalen entwickelt, welcher anhand verschiedener Blechumformprozesse validiert worden ist. In letzten Versuchsreihen wurde die Schallemissionsanalyse als Prozessüberwachungsmethode eines industriellen Lochaufweitungs- bzw. Kragenziehprozesses eingesetzt. Auch innerhalb des industriellen Umformprozesses konnten Prozessfehler erkannt und folglich der entwickelte Algorithmus zur Rissdetektion erfolgreich eingesetzt werden. Im Gegensatz zum Tiefziehen konnten bei diesem Prozess sämtliche Risse im Werkstoff DC06 identifiziert werden. Die Untersuchungen der entstehenden Schallemissionen in Zugversuchen mit unterschiedlichen Prozessparametern haben demonstriert, dass eine Veränderung der Versuchsparameter zu einer andersartig resultierenden Schallemissionsaktivität führt. Das entwickelte Vorgehen bzw. der Algorithmus zur Identifikationen von Risssignalen kann auf andere Versuchsaufbauten übertragen werden. Jedoch müssen hierfür die Grenzwerte/ Filterkriterien angepasst werden. Die Eignung des Algorithmus zur Detektion von Risssignalen konnte anhand der Übertragung von Zugversuchen auf einen industrienahen Tiefziehprozess sowie eine Lochaufweitungs- bzw. Kragenziehprozess validiert werden. In den zu untersuchenden Anwendungsfällen konnte der Algorithmus bei jeder Umformoperation das Risssignal eindeutig aus der Gesamtheit aller auftretenden Schallemissionen identifizieren. Weiterhin haben die Untersuchungen beim Tiefziehen ergeben, dass für eine Bewertung der Fähigkeit der SE-Technik als Prozessüberwachungsmethode für Blechumformprozesse eine Einzelfallüberprüfung notwendig ist. Bei duktilen Materialien kann die Energie der Schallemissionen kleiner Risse zu gering sein, um von den Sensoren aufgezeichnet zu werden. Eine Risserkennung ist folglich erschwert bzw. nicht möglich. Aufgrund der Einfachheit der auszuwertenden Signalparameter, d. h. es sind keine aufwendigen Transformationen in den Frequenzbereich oder Ähnliches notwendig, ist die Fähigkeit für eine onlinefähige Prozessüberwachung gegeben und erwiesen worden. Das Forschungsziel, die Entwicklung eines onlinefähigen Prozessüberwachungssystems basierend auf der SEA für Blechumformprozesse, wurde erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2019) Acoustic emissions during tensile test of DC06 and HCT600X. Materialwiss. Werkstofftech. (Materialwissenschaft und Werkstofftechnik) 50 (7) 796–809
Behrens, B. A.; Hübner, S.; Wölki, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.201800092) - Acoustic emission – A promising and challenging technique for process monitoring in sheet metal forming. In: Journal of Manufacturing Processes (2017), Vol. 29, S. 281–288
Behrens, B.-A.; Hübner, S.; Wölki, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2017.08.002) - Schallemissionsanalyse zur Online-Prozessüberwachung in der Blechumformung, 22. Umformtechnisches Kolloquium Hannover, 15.-16.03.2017
Behrens, B.-A.; Wölki, K
- Improving Hole Expansion Ratio by Parameter Adjustment in Abrasive Water Jet Operations. In: SAE International Journal of Materials and Manufacturing (2018), Vol. 11 (3)
Behrens, B.-A.; Diaz-Infante, D.; Altan, T.; Yilkiran, D.; Wölki, K.; Hübner, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4271/05-11-03-0023)
