Ziel der Entwicklung
Das erfolgreich abgeschlossene Forschungsprojekt MOPP hatte die Zielstellung der Entwicklung eines magnetooptischen Prüfgerätes für die fertigungsnahe Charakterisierung von magnetischen Materialien, wie beispielsweise kornorientierte Elektrobleche. Dabei sollten größere Probengeometrien untersucht werden können, die bereits im Qualitätsmanagement durch weitere Prüfverfahren untersucht werden. Dadurch ist eine Korrelation und Erweiterung bestehender Qualitätsmerkmale möglich, die zur notwendigen Verbesserung der Produktqualität führt.
Kornorientiertes (GO) Elektroband ist ein industrielles Massenprodukt, welches von allen Stahlherstellern weltweit hergestellt wird. Die technischen Anwendungsgebiete liegen in allen Bereichen, in denen elektrischer Strom erzeugt, umgewandelt und wieder verbraucht wird. Die ausgezeichnete hohe Permeabilität und die geringen magnetischen Verluste machen modernes Elektroband zum dominierenden Werkstoff für den Einsatz in Generatoren, Transformatoren und Elektromotoren. Diese Märkte werden in den nächsten Jahrzehnten ein verstärktes Wachstum erfahren, da die weltweiten Anstrengungen zur Reduktion der CO₂-Emission zwangsläufig zu einer Erhöhung der Stromerzeugungs- und Netzkapazität führen werden.
Damit steigt der Bedarf an hocheffizienten Transformatoren, um die Energieverluste beim Stromtransport weiter zu minimieren. Durch immer striktere nationale Regularien steigen die spezifischen Anforderungen an GO-Bleche hinsichtlich deren Dicke und Effizienz. Die immer weiter steigenden Qualitätsanforderungen an moderne Elektroband-Werkstoffe schlagen sich unweigerlich auf die im Qualitätsmanagement eingesetzten Prüfmethoden nieder. Die magnetischen Domänen von GO-Blechen werden durch Laserstrukturierung verfeinert, was sich positiv auf die Verlusteigenschaften auswirkt. Diese Verlusteigenschaften des Elektrobands werden heute im Wesentlichen mit dem Epsteinrahmen-Verfahren nach DIN EN 60404-2 und dem Single-Sheet-Test nach DIN EN IEC 60404-3 bestimmt.
Mittels des Epsteinrahmen-Verfahrens können zuverlässig gestapelte und laminierte Elektrobleche (i.d.R. 30 x 300 mm) charakterisiert werden, jedoch ist eine Rückführung erhöhter magnetischer Verlusteigenschaften auf einzelne Bleche oder konkrete fehlerhafte Bereiche auf einem Blech nicht möglich. Wegen der Fixierung der normgerechten Prüfmethoden auf die integralen Verlusteigenschaften wird die magnetische Mikrostruktur durch weitere Verfahren charakterisiert und benötigt hierzu eine großflächige Prüfung. Dabei spielt die Charakterisierung der Domäneneigenschaften des Elektroblechs eine immer stärkere Rolle.
Durch die deutlich lokalere Untersuchung der Elektrobleche können zudem Fehler entdeckt werden, die durch bisherige Methoden, wie die Epsteinrahmen-Prüfung nicht aufgelöst werden können und im schlimmsten Falle zum Ausfall einer später montierten gesamten Baugruppe führen können.
Aus den Einschränkungen der verfügbaren Messmethoden und den steigenden Qualitätsanforderungen an moderne Elektrobleche leitet sich der Marktbedarf an einer neuen Prüftechnik ab. Im Zuge des Projekts MOPP sollte hierzu ein hochauflösendes magnetooptisches Scanverfahren basierend auf einem Verfahren gemäß IEC TS 62607-9-2:2024 für die Prüfung der Domänenstruktur realisiert werden.
Vorteile und Lösungen
Der Fokus des Projekts MOPP lag in der Realisierung eines magnetooptischen Scansystems zum definierten Abrastern großer, planer Oberflächen. Hierbei war die Entwicklung und Herstellung geeigneter magnetooptischer Sensorschichten hoher magnetooptischer Empfindlichkeit für die Integration in den magnetooptischen Sensorkopf erforderlich.
Für die Steuerung und Bedienung des Scanners für Elektrobleche wurde ein Softwareprogramm für Bildaufnahme, Scanroutine, Joch-Ansteuerung und Datenarchivierung im Hinblick auf ein Bildstichting zielgerichtet erarbeitet. Magnetooptische Bilder ermöglichen eine effiziente Nutzung der Bildverarbeitung. Hierbei helfen besonders die Bildmittlung zur Minimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses und die Differenzbildtechnik, die das Nullfeld in der Mitte des Graustufenhistogramms setzt und Nord- und Südpolstrukturen als helle und dunkle Graustufen ermöglicht. Diese Ausbalancierung hat für die Bildverarbeitung viele Vorteile, da das Bildmaterial dabei nicht verfälscht wird.
Für die spätere Anwendung waren zudem konkrete Messprozeduren für die Streufeldprüfung kornorientierter Elektrobleche erforderlich, was nun durch das Projekt MOPP zur Verfügung steht. Für kornorientierte Elektrobleche ergeben sich die spontane Streufeldprüfung der Domänenstruktur ohne induziertem Fluss und die Domänenobservation mit gleichzeitig induziertem Fluss via Spulen-Joch pro Einzelbild. Letztlich war das Ziel, strukturelle Merkmale kornorientierter Elektrobleche zu erkennen. Hierzu zählen die Geometrie der Laserzonen, künstliche Korngrenzen, Korngrößen / -verteilung, Fluxspots, Domänenperioden, Domänenlage zur Walzrichtung, kornspezifische Clouddichten, Flusspfade und Winkelabweichungen.
Die aktive MO-Sensorfläche hat eine Größe von 45 x 30 mm mit einer Pixelauflösung von 22,3 µm. Die maximale Scanfläche beträgt 1200 x 210 mm, wobei über eine Rastermatrix von 32 x 9 Einzelbildern Gesamtbildgrößen von 53.800 x 9.400 Pixeln entstehen. Die Scangeschwindigkeit beträgt 100 mm / min bei einer 50-fachen Bildmittlung. Hohe Auflösung und hohe Bildmittlung sind erforderlich, um die feinstrukturierten und magnetisch schwachen Streufeldverteilungen sauber zu visualisieren.
Durch die großflächige Prüfung ist ein hohes Maß an statistischer Sicherheit vorhanden und kann in Zukunft zu verbesserten Analysemöglichkeiten im Rahmen der magnetooptischen Domänenobservation von kornorientierten Blechen führen. Es ist nun erstmalig möglich, Elektrobleche spontan und unter definiertem DC-Fluss magnetooptisch großflächig in hoher Bildqualität zu prüfen und lokal Indizien für hohe Kernverluste zu identifizieren. Aufgrund der erreichten zuverlässigen Bildaufnahme über ein definiertes Abfahren der großen Prüflingsoberfläche können Algorithmen zur Bildverarbeitung direkt genutzt werden und erlauben objektive Charakterisierungen des Materials über das Streufeld. Die ganzheitliche Domänenobservation anhand verschiedener Messmodi ermöglicht künftig zahlenmäßige Gütefaktoren und statistische Verteilungen. Die Grundlagen für Merkmalsextraktionen sind nun durch das abgeschlossene Projekt erarbeitet worden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der entwickelte magnetooptische Scanner basierend auf einem MO-Verfahren gemäß IEC TS 62607-9-2:2024 schließt im Rahmen der Prüfung von Elektroblechen die technische Lücke in der Charakterisierung von integralen Messgrößen an großen Proben und der mikroskopischen Betrachtung von magnetischen Feinstrukturen. Die MO-Prüfung von Einzelblechen im Hinblick auf die Wirksamkeit von materialverbessernden Prozessen, insbesondere der Zustand der Domänenstruktur durch verfeinernde Laserstrukturierung, kann nun neue und konkrete Erkenntnisse über den Materialzustand liefern. Der MOPP-Scanner ergänzt gezielt die integralen Messverfahren hinsichtlich der Verlusteigenschaften von Elektroblech.
Die Zielmärkte sind im Bereich Forschung und Entwicklung sowie in der industriellen Fertigung zu finden. Die großflächige Domänenobservation im Rahmen der Qualitätskontrolle ist ein Nischenmarkt.
Relevante Märkte sind primär direkt bei den großen Stahlherstellern und Firmen im Bereich Blechveredlung (Laserfeinung) zu sehen, da diese das Basismaterial anhand der Streufelddaten weiter verbessern können. Perspektivisch kann ein Absatzmarkt in der Verarbeitung von Elektroblech (Stanzbetriebe, Laserzuschnitt, Transformatorenbau) entstehen, beispielsweise zur fertigungsbegleitenden Wareneingangs- und Zwischenkontrolle.
Es wird also davon ausgegangen, dass auch der Sektor der Zulieferbetriebe bzw. Halbzeughersteller ein Markt sein kann, wenn sich der Absatz bei den Stahlherstellern als positiv herausstellen sollte. Qualitätssteigerung durch gezielte Qualitätskontrolle sollte gerade in diesem Sektor ein hohes Interesse an MO-Prüfverfahren generieren.
