Ziel der Entwicklung
Viele moderne Fertigungsprozesse wie z.B. Beschichtungsverfahren, Schweißprozesse oder Umform- und Stanzprozesse sind auf geringen Restmagnetismus angewiesen. Direkt wirkt sich Restmagnetismus auf Schweißverfahren aus, da durch magnetische Ablenkung geladener Teilchen Schweißnähte unsauber und inexakt werden können. Aber Restmagnetismus verhindert außerdem, anspruchsvolle Restschmutzkriterien zu erfüllen, da sich anheftende magnetische Partikel mit gängigen industriellen Reinigungsverfahren nicht prozesssicher entfernen lassen. Angesichts des Trends zu immer geringeren mechanischen Toleranzen besteht jedoch die Notwendigkeit, immer strengere Restschmutzkriterien zu erfüllen. Dies gilt auch für Beschichtungsverfahren. Sowohl galvanische als auch Chemical und Physical Vapor Deposition (CVD /PVD) -Verfahren reagieren sensibel auf Verschmutzungen und teilweise auch direkt auf Restmagnetismus – etwa Nickelbeschichtungen. Die Anhaftung magnetischer Feinpartikel führt zu Rauheit und schlechter Haftung der Beschichtung auf dem Werkstück.
Eine zuverlässige Kontrolle der magnetischen Sauberkeit ist daher ein wichtiger Bestandteil der Qualitätssicherung vieler moderner Produktionsprozesse. Die Motivation für das Projekt entstand somit aus einem konkreten Bedarf der industriellen Fertigung nach schnellen und reproduzierbaren Verfahren zur Kontrolle von Restmagnetismus an Bauteilen.
In der industriellen Praxis erfolgt die Messung von Restmagnetismus bislang überwiegend manuell mit handgeführten Magnetometern. Dabei wird eine Messsonde über die Oberfläche des Werkstücks geführt und der maximale Feldwert bestimmt. Dieses Vorgehen ist zeitaufwendig, stark vom Bedienpersonal abhängig und nur eingeschränkt reproduzierbar. Vor allem ist es nicht geeignet, große Stückzahlen effizient zu prüfen. In der Serienfertigung können deshalb nur Stichproben kontrolliert werden, wodurch das Risiko besteht, dass fehlerhafte Bauteile unentdeckt in nachfolgende Prozessschritte gelangen.
Vor diesem Hintergrund zielte das Projekt darauf ab, ein inline-fähiges Restmagnetismus-Prüfsystem zu entwickeln, das eine automatisierte und reproduzierbare flächendeckende Kontrolle auf Restmagnetismus direkt im Produktionsprozess ermöglicht.
Vorteile und Lösungen
Der entwickelte Lösungsansatz basiert auf der automatisierten Messung von Magnetfeldern in unmittelbarer Nähe der Werkstückoberfläche und deren anschließender KI-gestützter Auswertung.
Um äußere Störeinflüsse zu reduzieren, wird das vorhandene Hintergrundmagnetfeld zunächst aktiv kompensiert. Dazu misst ein dreiachsiger Sensor das Umgebungsfeld, aufgrund dessen eine dreidimensionale Spulenanordnung ein Gegenfeld erzeugt. Dadurch entstehen stabile und reproduzierbare Messbedingungen, unabhängig von der jeweiligen Umgebung.
Kern des Systems ist eine Anordnung aus 23 dreiachsigen Magnetfeldsensoren, die um das zu prüfende Werkstück positioniert werden. Nachdem das Werkstück in die Messposition eingelegt wurde, erfassen die Sensoren gleichzeitig das lokale Magnetfeld an allen Punkten. Auf diese Weise entsteht ein charakteristisches Magnetfeldmuster des Bauteils. Da die durch Restmagnetismus verursachten Magnetfelder in der Regel schnell abfallen, erfolgt die Messung möglichst nahe an der Oberfläche des Werkstücks.
Die eigentliche Bewertung der Messdaten erfolgt anschließend durch eine KI-basierte Klassifikation. Dazu werden zunächst mehrere Referenzbauteile vermessen, deren Zustand bereits bekannt ist. An diesen Messdaten wird ein Gauß-Prozess trainiert, der typische Magnetfeldmuster erkennt. Bei späteren Messungen vergleicht die Software die aktuell gemessenen Feldwerte mit diesen Mustern und entscheidet automatisch, ob ein Bauteil den Anforderungen entspricht oder nicht.
Da die Sensoranordnung die einzige werkstückspezifische Kom-ponente des Restmagnetismus-Prüfgerätes darstellt, wird sie als austauschbar vorgesehen. Während der Rest des Prüfgerä-tes in Serie produziert werden kann, wird die Sensoranordnung werkstückspezifisch in einem standardisierten Prozess erstellt. Dazu werden zunächst die Oberflächen von Musterbauteilen detailliert in einem magnetischen Feldmapper vermessen. Auf Basis dieser Daten werden die Sensorpositionen bezüglich des Anteils an korrekten Klassifizierungen optimiert. Für diese Posi-tionen wird anschließend eine passende Halterung mittels 3D-Druck hergestellt. Diese Sensoranordnung wird dann in das Prüfgerät eingebaut. Auf diese Weise lässt sich das Messsystem relativ einfach an unterschiedliche Bauteilgeometrien anpassen.
Der entwickelte Prototyp kombiniert diese Elemente zu einem kompakten Prüfsystem aus Sensoranordnung in der 3D-Kompensationsspule, Elektronik und Steuerrechner. Da alle Sensoren gleichzeitig messen, kann die Prüfung innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgen. In den durchgeführten Tests lag die Mess-zeit bei nur 0,65 Sekunden pro Werkstück, während gleichzeitig eine sehr hohe Erkennungsrate von 99,94% erreicht wurde. Durch die Verwendung von mehr Sensoren oder mehr Mustern ließe sich dieser Wert voraussichtlich auch noch weiter erhöhen.
Anwender profitieren vor allem von der Möglichkeit einer automatisierten und reproduzierbaren Inline-Prüfung. Während bisherige Messungen meist manuell durchgeführt werden und daher nur stichprobenartig erfolgen können, erlaubt das entwickelte System eine schnelle und flächendeckende Prüfung direkt im Produktionsprozess. Dadurch können große Stückzahlen effizient kontrolliert und fehlerhafte Bauteile frühzeitig erkannt werden, wodurch sich Ausschuss, Nacharbeit und Folgeschäden in Produktionsprozessen reduzieren lassen. Für Unternehmen bedeutet dies eine höhere Prozesssicherheit, geringeren Ausschuss sowie eine verbesserte Produktqualität. Gleichzeitig reduziert sich der personelle Aufwand für Prüfaufgaben, da die Messung automatisiert erfolgt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die entwickelte Prüftechnologie richtet sich an Unternehmen, die ferromagnetische Bauteile in großen Stückzahlen herstellen oder weiterverarbeiten und dabei hohe Anforderungen an die magnetische Sauberkeit und Prozessqualität stellen. Zielgruppen sind insbesondere Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Automobilindustrie, der Stahl- und Metallverarbeitung sowie der Medizintechnik. In diesen Branchen können magnetisierte Bauteile zu Funktionsstörungen, Verschleiß oder zur Anlagerung von ferromagnetischen Partikeln führen. Eine zuverlässige Kontrolle des Restmagnetismus ist daher für diese Zielgruppen ein wichtiger Bestandteil der Qualitätssicherung.
Ein Anwendungsbeispiel stellen Lagerringe dar, die durch ein Tiefziehverfahren aus Stahlblech hergestellt werden. Bei dieser Kaltverformung kann an stark verformten Stellen im Gefüge Verformungsmartensit entstehen. Dieser ist spröde und könnte im Einsatz zum Bruch des Bauteils führen. Um das zu verhindern, werden die Ringe nach dem Tiefziehen entspannungsgeglüht und das Gefüge wird dadurch wieder elastischer und es kann nicht mehr so schnell zum Bruch kommen. Die kaltverformten Teile weisen nach dem Tiefziehen Restmagnetismus auf, der durch das Entspannungsglühen wieder nahezu vollständig verschwindet. Durch eine Restmagnetismusprüfung kann man somit verifizieren, dass die Ringe tatsächlich entspannungsgeglüht wurden. Dies kann insbesondere für Betriebe wichtig sein, die diese Teile von Zulieferern beziehen.
Der potenzielle Zielmarkt umfasst sowohl nationale als auch internationale Produktionsstandorte, insbesondere in Industrienationen mit stark ausgeprägter Fertigungsindustrie. Dazu zählen neben Deutschland auch weitere europäische Länder sowie industrielle Zentren in Nordamerika und Asien. Da Restmagnetismus in vielen Produktionsprozessen eine Rolle spielt, kann die entwickelte Technologie grundsätzlich in unterschiedlichen Branchen eingesetzt werden, sofern magnetische Eigenschaften der Bauteile relevant sind.
Der Transfer der FuE-Ergebnisse in die industrielle Anwendung erfolgt über Kooperationen mit Technologieunternehmen, die Mess- und Prüfsysteme entwickeln und vertreiben. Da INNOVENT selbst keine Serienprodukte produziert, können die Projektergebnisse im Rahmen von Lizenzierungen, Entwicklungskooperationen oder FuE-Aufträgen in marktfähige Produkte überführt werden. Zusätzlich können werkstückspezifische Sensoranordnungen und Anpassungen gemeinsam mit Anwenderunternehmen entwickelt werden, um das Messsystem optimal in bestehende Produktionsprozesse zu integrieren.
