Vergleich unterschiedlicher Konzepte zur sensorbasierten Überwachung von Sprühfeldern in der Warmmassivumformung

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1 Vergleich unterschiedlicher Konzepte zur sensorbasierten Überwachung von Sprühfeldern in der Warmmassivumformung Bernd-Arno Behrens, Insa Pfeiffer, Ingo Lüken* Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover *Korrespondenzautor: Dipl.-Ing. Ingo Lüken Abteilung Massivumformung Tel: , Fax: Innerhalb dieser Arbeit wurden unterschiedliche Konzepte zur Überwachung von Sprühnebelfeldern in der Warmmassivumformung erarbeitet und im Hinblick auf einen industriellen Einsatz untersucht. Es wurde ein Versuchsstand, an dem die verschiedenen Erfassungsmethoden getestet wurden, aufgebaut. Die Eignung der unterschiedlichen eingesetzten Sensoren wurde gegenübergestellt und ausgewertet. Neben einer kapazitiven Erfassung der Sprühfelder wurden Messungen auf der physikalischen Grundlage der Stromdurchflutung durchgeführt, wobei ein Stromfluss sowohl längs als auch quer zur Sprührichtung realisiert wurde. Unter Berücksichtigung der Messergebnisse und dem hohen Anforderungsprofil der Sensorik, das sich aus den extremen Umgebungsbedingungen im Pressenraum ergibt, wurde eine Möglichkeit für ein Überwachungssystem für Schmierstoffsprühfelder entwickelt. Schlüsselwörter: Massivumformung; Kühlschmierung; Sprühtechnologie; Prozessüberwachung; Sensorsystem Einleitung Der internationale Wettbewerb erfordert es, dass Unternehmen und Firmen immer neue Methoden und Verfahren entwickeln, um ihre Produktionsschritte und Fertigungsverfahren weiter zu optimieren. Mit zu den wichtigsten Faktoren für eine wirtschaftliche Produktion zählen die Standmenge der eingesetzten Werkzeuge sowie die damit eng einhergehende Prozesssicherheit. Lediglich eine hohe Verfügbarkeit der Anlagen in Verbindung mit einer konstant hohen und anforderungsgerechten Bauteilqualität garantiert einen stabilen und wirtschaftlich sinnvollen Produktionsprozess. Ein Instrument zur Einhaltung bzw. Sicherstellung dieser Anforderungen ist der Einsatz von Sensoren, die die technisch relevanten Größen I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.1/15

2 während des Produktionsprozesses erfassen und ggf. bei Abweichungen vom Sollwert in den Prozess eingreifen und nachgeregeln oder der gesamte Fertigungsprozess angehalten wird. In der Umformtechnik, insbesondere in der Warmmassivumformung, ist der Einsatz solcher Sensorsysteme für die prozessnahe Erfassung der Bauteileigenschaften mit einem hohen Aufwand verbunden, da die Summe der extremen Umgebungsbedingungen, wie z.b. die hohen Temperaturen, starke Vibrationen und der abgeschlossene Bereich des Pressenarbeitsraums ein hohes Anforderungsprofil an die Sensorelemente darstellt. Aus diesem Grund erfolgt die Überwachung der Produktqualität meist in einem nachgeschalteten Verfahren, bei dem die Bauteileigenschaften (Geometrie, Härte, etc.) erst nach dem Abkühlprozess ermittelt werden können. Dies hat jedoch zur Folge, dass sich die Reaktionszeit für Produktionskorrekturen verlängert und die Ausschusskosten steigen. Für die Umformtechnik ist es infolgedessen umso wichtiger, die messbaren Prozessparameter exakt zu erfassen, um möglichst konstante Prozessbedingungen zu gewährleisten. Im Bereich der Kühlmittelschmierung werden derzeit der Schmiermittelmengeneinsatz sowie Dauer und Druck der Blasluft vor dem Austreten aus dem Sprühkopf mit Hilfe von Sensoren überwacht. Da auf diese Weise mögliche Beeinträchtigungen der eingesetzten Düsen durch Verschmutzung oder falsche Einstellungen der Sprühparameter nicht erfasst werden können, kann eine gleichmäßige Benetzung der Werkzeugoberfläche mit Schmiermittel sowie eine homogene Werkzeugtemperatur nach dem Abkühlen über einen längeren Zeitraum nicht sichergestellt werden. Stand der Technik in der Sensorik Unter dem Begriff Sensor wird im Allgemeinen ein Mechanismus verstanden, der Veränderungen oder Zustände einer physikalischen Größe erfasst und ein im Regelfall elektrisches Signal abgibt, das gemessen, aufgezeichnet und weiterverarbeitet werden kann. Hierbei bilden die verschiedenen Formen der Energie die Schnittstelle zwischen Messobjekt und den angeschlossenen elektronischen Komponenten. Für die Produktionstechnik sind abgesehen von den Energieformen auf atomarer Ebene die Strahlung, die mechanische, thermische, elektrische und magnetische Energie von Bedeutung [Kar-01, Kir-02]. Zur Erfassung dieser Energieformen werden unterschiedliche Sensoren eingesetzt. In der Regel wird bei einer differenzierten Betrachtungsweise zwischen einem Sensorelement und einem Sensorsystem unterschieden [Ber-98, Sul-08]: Sensorelement: Unter dem Begriff Sensorelement wird der eigentliche Messfühler verstanden, der die Messgröße bzw. die Energieform in ein elektrisches Signal umsetzt. Es findet jedoch noch keine Aufbereitung für eine Weiterverwertung des Signals statt. Zusätzlich fehlen Gehäuse und Anschlüsse. I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.2/15

3 Sensorsystem: Ein Sensorsystem besteht aus einer Kombination von Messund Aufbereitungskomponenten. Sie enthalten neben dem Sensorelement mehrere elektronische Bauteile für den Betrieb und die Signalverarbeitung wie z.b. Verstärkung, Linearisierung, Digitalisierung oder Temperaturkompensation. Auch ist in den meisten Fällen ein umgebungsgerechtes Gehäuse im Sensorsystem integriert. Systeme mit mehreren gleichen oder verschiedenartigen Sensorsystemen, die unterschiedliche Messwerte in einem Gerät erfassen, werden als Multisensorsysteme bezeichnet (Abbildung 1) [Ebe-91]. Energieform 1 elektr. Signal Sensorelement Signalaufbereitung Messobjekt Auswerteeinheit Energieform 2 elektr. Signal Sensorelement Signalaufbereitung Sensorsystem Multisensorsystem Abbildung 1: Komponenten und Aufbau eines (Multi-)sensorsystems Im Bezug auf die Signalausgabe der Sensorsysteme wird unterschieden zwischen [Sch-93]: Analog: In einem definierten Messbereich wird jedem physikalischem Zustand ein bestimmter Signalwert zugeordnet. Bei Abstandssensoren beispielsweise gibt der Sensor für jede Entfernung einen bestimmten Spannungswert aus. Druck-, Füllstand- oder Durchflusssensoren funktionieren auf die gleiche Weise. Binär: Das Sensorsystem ordnet jedem physikalischem Zustand ein binäres Signal zu, d.h. der Ausgang kann lediglich nur die Zustände, Ein oder Aus bzw. Strom oder kein Strom annehmen. Grenztaster oder Näherungsschalter arbeiten nach diesem Prinzip, die beim Überschreiten eines bestimmten Abstands zum Messobjekt ein Signal auslösen. Für die Entwicklung eines Sprühfeldüberwachungssystems sollte das eingesetzte Sensorsystem in der Lage sein, die einzelnen Phasen der Nebelausbildung zu detektieren sowie den Graphitgehalt im Trägermedium (Wasser) zu bestimmen. Somit muss das Sensorelement ein analoges Signal messen bzw. nach der I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.3/15

4 Signalaufbereitung der Auswerteeinheit bereitstellen können. Im folgenden Abschnitt werden hierzu die wichtigsten analogen Sensorelemente der Produktionstechnik vorgestellt, wobei durch die Beschreibung der jeweiligen Funktionsprinzipien eine Vorauswahl für die Überwachungsmethode von Nebelfeldern getroffen werden kann. Sensorelemente und deren Funktionsprinzipien In der industriellen Praxis werden eine Reihe verschiedenartiger Sensorelemente eingesetzt, die sich je nach Anwendungsgebiet in ihrem Aufbau und ihren Eigenschaften unterscheiden. Hierbei erfolgt in der Literatur meist eine Unterteilung entweder nach der zu erfassenden physikalischen Zustandsgröße (Druck, Temperatur, Kraft) oder nach dem Wirkprinzip des Sensorelements. In Abbildung 2 ist eine Übersicht der sieben wichtigsten Wirkprinzipien, deren Funktionsweisen und Anwendungen im Folgenden genauer beschrieben werden, dargestellt. thermisch resistiv piezoelektrisch magnetisch Funktionsprinzipien der Sensorelemente kapazitiv chemisch optisch Abbildung 2: Wirkprinzipien der Sensorelemente [Kir-02, Www-12] Düsen- und Sprühnebelcharakterisierung in der Industrie Für die Messung der Tropfengröße und deren Verteilung im Sprühfeld werden derzeit unterschiedliche Methoden eingesetzt. Besitzt das zu untersuchende Sprühfeld verhältnismäßig große Tropfen mit einer geringen Geschwindigkeit, so lässt sich ein einfaches Bildanalyseverfahren verwenden. Hierzu werden Fotos eines bestimmten Sprühbereiches angefertigt und die abgebildeten Tropfen mit einer speziellen Software in ihrer Größe automatisch erfasst. Durch die Aufnahme mehrerer Bilder in einem definierten Zeitfenster lassen sich die resultierenden Geschwindigkeiten der betrachteten Tropfen berechnen. Dieses Verfahren stößt jedoch bei einer sehr hohen Tropfendichte an seine Grenzen, da sich die verfügbare Tiefenschärfe der Fotos auf einen sehr kleinen Bereich des Sprühnebels beschränkt. Auch fotospezifische Störeffekte wie auftretende Lichtreflexionen oder eine ungleichmäßige Ausleuchtung erschweren die Auswertung der Aufnahmen [Ric-04]. I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.4/15

5 Heutzutage wird in den meisten Fällen auf laserbasierte Verfahren zurückgegriffen, die sich die unterschiedlichen Eigenschaften des Lichts zu Nutze machen. Für die Erfassung der Tropfengröße findet das Verfahren der Laserbeugungsspektrometrie Anwendung. Hierzu erzeugt ein Emitter einen Laserstrahl, der von der einen Seite auf den Sprühnebel gerichtet wird. Bei der Durchquerung des Lasers durch den Nebel kommt es jeweils an den Phasengrenzen der Tropfen zu unterschiedlichen Wechselwirkungen, die die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls verändern können. Fotodetektoren erfassen an der Austrittsseite des Nebels die Intensität des Lichts und erstellen Beugungsbilder vom untersuchten Messvolumen. In Abhängigkeit der Durchmesser der betrachteten Sprühtropfen entstehen so charakteristische Bilder, die auf die jeweilige Tropfengröße schließen lassen [Ric-04]. Für die Ermittlung der Tropfengeschwindigkeit kommt ein ähnliches Verfahren zum Einsatz. Das Laser- Doppler-Velozimeter (LDV) beruht neben den bereits beschriebenen Wechselwirkungen des Lichts mit den Tropfen auf dem optischen Doppler-Effekt. Die Wasserteilchen fungieren dabei als bewegte Empfangs- und Ausstrahlungseinheiten, die die Frequenzeigenschaften des ausgestrahlten Lichts verändern. Diese Veränderungen führen zu einer Frequenzverschiebung im optischen Spektrum, die sich proportional zur entsprechenden Teilchengeschwindigkeit verhält. In Abbildung 3 sind die beschriebenen Wechselwirkungen des Lichts an einem Tropfen und der schematische Aufbau am Beispiel eines Kreuzstrahl-LDVs dargestellt. Wechselwirkung zwischen Licht und Tropfen Laserstrahlen Reflexion Wassertropfen Beugung Brechung Phasengrenze Funktionsprinzip des Kreuzstrahl-LDV Spiegel Messvolumen Laser Laseremitter Strahlteiler Tropfen Linse Fotozelle Abbildung 3: Optische Sprühfeldvermessung mittels Kreuzstrahl-LDV [Ric-04, Woz- I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.5/15

6 03Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.] Bei der optischen Sprühfeldvermessung mittels Kreuzstrahl-LDV wird ein Laserstrahl an einem halbdurchlässigen Spiegel (Strahlteiler) in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und anschließend über ein Spiegel-Linse-System im Brennpunkt zusammengeführt. Durchquert ein Tropfen den Strahlenkreuzpunkt (Messvolumen) so wird das Licht entsprechend seiner Größe und Geschwindigkeit gestreut. Von Fotodetektoren wird dieses Licht aufgefangen und im Bezug auf auftretende Frequenzverschiebungen analysiert [Sve-03, Woz-03]. Die beschriebenen Verfahren lassen sich nicht uneingeschränkt für ein Überwachungssystem in der Warmmassivumformung nutzen, da die hohen Temperaturen und die Schmutzentwicklung im Arbeitsbereich der Pressen den Einsatz von optischen Geräten erschweren bzw. teilweise ausschließen. Außerdem wäre für ein laserbasierendes Überwachungssystem ein hoher Aufwand an messtechnischem Equipment nötig, das zudem vor den starken Vibrationen und Schwingungen der Umformmaschine geschützt werden müsste. Mit diesem Verfahren lassen sich hauptsächlich sehr präzise Messungen des Sprühnebels unter Laborbedingungen vornehmen, um die spezifischen Eigenschaften von Düsensystemen zu ermitteln. Die Entwicklung eines optischen Sensorsystems für die Warmmassivumformung erscheint aufgrund der oben genannten Punkte als wenig aussichtsreich. Im folgenden Abschnitt wird eine weitere Methode zur Erfassung der Sprühnebel vorgestellt, die bereits erfolgreich an Schmiedeprozessen getestet wurde. Sprühfeldüberwachung in der Umformtechnik Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Verfahren wurde im Rahmen einer Promotionsarbeit [Wes-04] ein Schmierstofferfassungssystem aufgebaut, das auf der elektrischen Leitfähigkeit des Sprühnebels bzw. der darin enthaltenen Wasserionen und Graphitteilchen beruht. Hierzu wurden die Gesenke der Umformmaschine maschinenseitig elektrisch isoliert und über eine Spannungsquelle zwei unterschiedliche Potentiale zwischen dem Sprühkopf (0 V) und den Schmiedewerkzeugen (2000 V) aufgebaut. Ein jeweils in Reihe geschalteter hochohmiger Vorwiderstand (RV) begrenzte aus Sicherheitsgründen den maximal auftretenden Stromfluss im Fall eines Kurzschlusses. In Abbildung 4 ist der hier beschriebene Versuchsaufbau und das damit entstehende elektrische Netzwerk dargestellt. Mit dem Einsetzen der Sprühkühlung wird der Überbrückungswiderstand zwischen Sprühkopf und Ober- bzw. Unterwerkzeug herabgesetzt, so dass ein Strom durch den Stromkreis fließt. Über einen zusätzlichen Widerstand in der Stromversorgung wird hierbei ein Spannungssignal gemessen, das sich proportional zum Strom- Zeitverhalten des Sprühvorgangs verhält. Auf diese Weise lassen sich in Abhängigkeit der unterschiedlichen Prozessparameter (Volumenstrom, Schmierstoff- I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.6/15

7 konzentration, Abstand) charakteristische Signalverläufe erzeugen, die eine zuverlässige Kontrolle der Schmierstoffeinrichtung gewährleisten. Abbildung 4: Schematischer Aufbau der Sprühfeldüberwachung mittels Hochspannungskaskade [Wes-04] Derzeit erfolgt die Qualitätsüberwachung der Werkstücke in einem nachgeschalteten Prozess, bei dem mit Hilfe eines statistischen Verfahrens die Eigenschaften der Bauteile überprüft werden. Hierdurch lassen sich jedoch Störungen im Produktionsprozess relativ spät erkennen und eine schnelle Problemanalyse ist meist nicht möglich. Aus diesem Grund besteht in der Umformtechnik die Notwendigkeit, Prozessparameter möglichst genau zu überwachen, um optimale Randbedingungen für einen fehlerfreien Umformprozess zu gewährleisten. Im Bereich der Kühl- und Schmiermitteleinrichtung werden derzeit der Füllstand des Schmiermittelvorrats sowie der Druckaufbau der Blasluft während des Sprühvorgangs kontrolliert. Diese Art der Überwachung ist jedoch unzureichend, da auf diese Weise Beeinträchtigungen der Düsen (Verstopfungen, Verformungen) oder des Sprühfeldes (ungleichmäßige Ausbildung) nicht erfasst werden können. Aus diesem Grund soll ein Überwachungssystem konzipiert werden, mit dem ein Detektieren dieser Fehlerquellen möglich ist, um eine gleichmäßige und zuverlässige Benetzung der Werkzeugoberfläche mit Schmiermittel zu gewährleisten. Zudem soll das System in der Lage sein, unterschiedliche Schmiermittelkonzentrationen zu erkennen sowie bei Störungen des Sprühprozesses eine schnelle Fehleranalyse zu ermöglichen, um die Reaktionszeit für Prozesskorrekturen auf ein Minimum zu reduzieren. Des Weiteren müssen die Systemkomponenten, im Speziellen die Sensorik, in der Form ausgelegt werden, dass sie den gegebenen Umwelteinflüssen (hohe Temperaturen, starke Vibrationen, Stoßeinwirkungen, usw.) im Pressenraum über einen prozessrelevanten Zeitraum standhalten können. I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.7/15

8 Versuche mit Demonstratorsensoren Um die unterschiedlichen Erfassungsmethoden von Sprühfeldnebeln zu testen, werden Sensorelemente unterschiedlicher Konzepte und Varianten angefertigt. Hierbei ist es insbesondere wichtig, eine elektrisch isolierende Halterung für die einzelnen Komponenten zu konstruieren, um die jeweiligen Spannungspotentiale anzulegen. Als Werkstoff für die Rahmenkonstruktion wird Acrylglas verwendet, das sich durch eine hohe Durchschlagsfestigkeit sowie durch eine ausreichend hohe Festigkeit auszeichnet. Zudem muss auf eine einfache und flexible Bauweise der Komponenten geachtet werden, um eine hohe Anzahl an Versuchskonfigurationen (Abstand zwischen den Elektroden, Abstand zwischen Düse und Elektrode) ohne großen Zusatzaufwand einstellen zu können. Dies konnte durch einen stufenlos verstellbaren Klemmmechanismus mittels einer Stellschraube realisiert werden. Für die elektrisch leitenden Bauteile, wie beispielsweise die Stabelektroden und die Kondensatorplatten, wird Aluminium als Werkstoff gewählt, das im Gegensatz zu Stahl eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. In Abbildung 5 sind die Sensorelemente (Stabelektroden, Kondensatorplatten) dem zugehörigen Acrylglasrahmen gegenübergestellt. Stabelektrode Stellschraube Kabelbuchse Acrylglasrahmen Kondensatorplatte Abbildung 5: Rahmenkonstruktion aus Acrylglas mit zwei Stabelektroden (links) und vier Kondensatorplatten (rechts) Der schematische Aufbau der kapazitiven Sensoreinheit ist in Abbildung 6 dargestellt. Frontansicht Aluminiumhülse Kunststoffhülse Aluminiumstab Schrauben/ Elektroden Acrylglas Seitenansicht Abbildung 6: Schematischer Aufbau der kapazitiven Sensoreinheit I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.8/15

9 Versuchsaufbau Der Versuchsaufbau lässt sich anhand der jeweiligen Wirkungsweise in Abhängigkeit der jeweiligen Messeinrichtung in die Versuche mittels Stromdurchflutung und in die kapazitive Erfassung unterteilen, wobei die Schmierstoffanlage und das Haltegestell des Sprühbalkens mit der Sprühdüse für alle Erfassungsmethoden gleich bleiben. Wie bereits beschrieben, wird die nötige Spannung für die Längs- und Querdurchflutung von einer Gleichspannungsquelle bereitgestellt, die eine Potentialdifferenz zwischen den entsprechenden Bauteilen aufbaut. Für die Längsdurchflutung wird einer der Pole mit der leitenden Aluminiumplatte verbunden und das andere Potential an den Sprühbalken bzw. auf Masse gelegt. Dies ist möglich, da die Sprühdüse über den metallverstärkten Schlauch und über das im Schlauch befindliche Wasser elektrisch mit der Sprühanlage und damit mit der Umgebung (Masse) verbunden ist. Um einen direkten Kurzschluss zwischen der Gesenkplatte und dem Gestell des Sprühbalkens zu verhindern, wird eine Acrylglas- Halterung verwendet, wie sie in Abbildung 7 dargestellt ist. Sprühbalken Sprühdüse Verkabelung Acrylglashalterung Aluminiumplatte Abbildung 7: Versuchsanordnung für die Längsdurchflutung Mit dem Einsetzen des Sprühvorgangs kann der Stromkreis zwischen Masse und der Gesenkplatte geschlossen werden. Die Messwertaufnahme dieser charakteristischen Größe (Stromfluss) wird über den Spannungsabfall eines Widerstands im Stromkreis bestimmt. Die Datenaufnahme wird über eine Messkarte realisiert, die in den PC integriert ist. Für die Messungen der Querdurchflutung ergibt sich ein ähnlicher Aufbau. Die Potentiale der Spannungsquelle werden an die beiden Stabelektroden angelegt, so dass der Stromfluss über die Stabspitzen quer zur Sprührichtung des Schmierstoffnebels erfolgt. Das Messsystem zur Datenaufnahme ist hierbei mit dem der Längsdurchflutung identisch. I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.9/15

10 Gestell Sprühbalken Sprühdüse Verkabelung Stabelektrode Auffangbehälter Anschlussblock PC Schmiermittelanlage Spannungsquelle Acrylglasrahmen Abbildung 8: Versuchsaufbau für die Querdurchflutung In Abbildung 8 ist der komplette Versuchsaufbau für die Messungen mittels Stabelektroden dargestellt. Der zugehörige schematische Aufbau des Versuchstands und der Messeinrichtung ist in Abbildung 9 dargestellt. Pumpe M Spannungsquelle 9,5 V Widerstand R Sprühkegel Stabelektroden PC Schmierstoffanlage Auffangbehälter Abbildung 9: Übersichtsplan des Versuchsaufbaus für die Querdurchflutung I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.10/15

11 Anhand der Signalerfassung der Durchflutungsmessungen wurde festgestellt, dass eine weitere Möglichkeit zur Charakterisierung des Sprühfeldnebels besteht, die sich aus einer Kombination von Längs- und Querdurchflutung ergibt. Hierbei werden die Potentiale der Spannungsquelle an den Sprühbalken (Masse) und an eine Stabelektrode angelegt, so dass der Stromfluss von der Düse ausgehend schräg nach außen zur Elektrodenspitze erfolgen kann. Der zugehörige Messaufbau entspricht somit im Wesentlichen der Querdurchflutung, wobei eines der Potentiale anstatt an eine Elektrode auf Masse gelegt wird. Für die kapazitiven Messungen wird im Gegensatz zu den Durchflutungsmessungen keine separate Stromquelle benötigt, da diese bereits in dem Frequenzgenerator integriert ist. Der Frequenzgenerator wird für die Versuche nicht nur zum Erzeugen einer Wechselspannung sondern zusätzlich für die Aufnahme der Messdaten verwendet. Hierzu werden in Abhängigkeit der untersuchten Versuchsvarianten jeweils zwei Kondensatorplatten bestromt und gleichzeitig die Kapazität und der Blindwiderstand des Kondensators bestimmt. Diese Daten lassen sich anschließend auf einen mobilen PC überspielen, auf dem eine entsprechende Software zum Auslesen des Datenspeichers installiert ist. Abbildung 10: Versuchsaufbau für die kapazitive Erfassung I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.11/15

12 In der einfachsten Messvariante werden zwei Kondensatorplatten in einem möglichst kleinen Abstand gegenüberliegend um den Sprühstrahl angeordnet, so dass sich die Permitivität des Kondensators durch die unterschiedlichen dielektischen Eigenschaften der Luft und des Schmierstoffnebels verändert. Der hier beschriebene Versuchsaufbau und der dazugehörige Schaltplan sind im Abbildung 10 bzw. Abbildung 11 dargestellt. Da für die Versuche kein zweiter Frequenzgenerator zur Verfügung steht, kann eine Untersuchung mehrerer Kondensatorplatten mit separater Messwertaufnahme nicht erfolgen, so dass ein Funktionsnachweis für eine differenzierte Flächenerfassung noch nicht erbracht werden kann. Pumpe M Frequenzgenerator Sprühkegel Kondensatorplatte PC Schmierstoffanlage Auffangbehälter Abbildung 11: Übersichtsplan des Versuchsaufbaus für die kapazitive Erfassung Für die Messungen mit der kapazitiven Sensoreinheit wird ein ähnlicher Messaufbau gewählt. Hierzu wird das Sensorelement möglichst nah am Sprühnebelfeld positioniert. Es ist darauf zu achten, dass die eng beieinander liegenden Platten nicht direkt dem Sprühnebel ausgesetzt sind, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Zur Bestromung der Platten und zum Abgreifen der Messdaten werden zwei Messzangen eingesetzt, die mit dem Frequenzgenerator verbunden sind und so die benötigte Wechselspannung den Kondensatorplatten über die Schrauben bereitstellen können. In Abbildung 12 ist eine Nahaufnahme der Versuchsanordnung der kapazitiven Sensoreinheit dargestellt. Zangenelektroden Sprühbalken Sprühdüse kapazitive Sensoreinheit Abbildung 12: Versuchsanordnung für die kapazitive Sprühfelderfassung I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.12/15

13 Zusammenfassung Zur Auswahl der optimalen Überwachungsmethode von Sprühnebelfeldern wurden am Versuchsstand zwei unterschiedliche Konzepte (Stromdurchflutung, kapazitive Erfassung) gegenübergestellt. Hierbei lieferte die kapazitive Erfassungsmethode kein ausreichendes Auflösungsvermögen der Messverläufe, da sich die vom Sprühnebel hervorgerufenen Kapazitätsänderungen in einem sehr kleinen Bereich bewegten. Lediglich bei einer Positionierung der kapazitiven Sensorelemente in der Nähe der Düse wurden während des Sprühvorgangs leicht erhöhte Spannungswerte gemessen. Eine höhere Auflösung der Messverläufe lässt sich durch eine präzisere Messsensorik erzielen, wobei erst eine Funktionsprüfung am Versuchsstand erbracht werden muss. Aus diesem Grund und unter Berücksichtigung der hohen Anschaffungskosten für die Messtechnik erscheint die Konstruktion eines kapazitiven Überwachungssystems für Sprühnebelfelder in der Warmmassivumformung wenig Erfolg versprechend. Die Durchflutungsmessungen stellen dabei ein Prüfverfahren mit einer relativ einfachen und kostengünstigen Sensorik dar. Mittels der aufgenommenen Messverläufe ist eine genaue Analyse der Sprühfeldeigenschaften, bei der sich die unterschiedlichen Phasen der Nebelausbildung einem bestimmten Abschnitt im Messverlauf zuordnen lassen, möglich. Auftretende Störeffekte, wie Verstopfungen der Düse oder Veränderungen der Betriebsparameter der Schmierstoffanlage, lassen sich auf diese Weise bei allen drei Durchflutungsvarianten (Längs, Quer und Längs- Quer) zuverlässig detektieren. Bei der Längsdurchflutung erwies sich die geringe Spannungsquelle des Messkreislaufs als nachteilig, wodurch die Stärke des Messsignals mit zunehmendem Abstand zwischen Düse und Aluminiumplatte deutlich abnahm. Es muss berücksichtigt werden, dass sich die Signalstärke bei einem Einsatz in einer Presse zusätzlich reduziert, da die eingesetzten Gesenke aus Warmarbeitsstahl gefertigt sind, der im Vergleich zu Aluminium eine wesentlich niedrigere Leitfähigkeit besitzt. Auch eine zuverlässige Flächenerfassung des Sprühfeldes ist mittels der Längsdurchflutung nicht möglich. Im Gegensatz hierzu bietet die Querdurchflutung die Möglichkeit über eine größere Anzahl an Elektroden, die von der Seite ins Sprühfeld eingebracht werden, eine größere Anzahl an Messpunkten in einer Ebene des Sprühfeldes zu erfassen. Hierdurch lassen sich neben der Überwachung unterschiedlicher Bereiche ebenfalls die Signalstärken durch die Variation des Abstandes zwischen den Elektrodenpaaren individuell einstellen. Für die Überwachung von vier unterschiedlichen Messpunkten müssen jedoch acht Elektrodenspitzen im Sprühnebel positioniert werden, wodurch die Feldeigenschaften maßgeblich beeinflusst werden können. Die Längs-Quer- Durchflutung wiederum stellt eine Alternative für eine flächendifferenzierte Sprühfeldüberwachung dar, bei der für die gleiche Anzahl an Messpunkten nur die Hälfte an Stabelektroden ins Sprühfeld eingebracht werden müssen. Hier erfolgt der Stromfluss von der Düse schräg über die Seitenbereiche des Sprühkegels zu den I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.13/15

14 Elektrodenspitzen, so dass ähnlich wie bei der Längsdurchflutung die Signalstärke mit zunehmendem Abstand von der Düse abnahm. Messungen mit zwei aktiven Stabelektroden zeigten, dass in einem Abstand von mm eine differenzierte Flächenauflösung möglich ist. Für die Realisierung eines Sprühfeldüberwachungssystems, mit dem nicht nur die unterschiedlichen Sprühphasen überwacht werden sollen, sondern zusätzlich auch mehrere Messpunkte während eines Sprühzyklus aufgenommen werden können, erscheint somit die Längs-Quer-Durchflutung als vielversprechendste Variante. Auf diese Weise lassen sich Störungen bei der Schmierstoffaufbringung, wie eine Verstopfung der Düse oder eine inhomogene Ausbildung des Sprühkegels, zuverlässig detektieren. Zudem können bei ausreichend hoher Messfrequenz unterschiedliche Phasen während eines Sprühzyklus erfasst werden, so dass Veränderungen wie ein unplanmäßiger Druckabfall anhand der Signale ausgelesen werden können. Auf diese Weise können die wichtigsten Parameter der Schmiermittelanlage kontrolliert werden, so dass bei auftretenden Fehlfunktionen und bei einer entsprechenden Kopplung der Systemkomponenten mit der Maschinenanlage die Einstellungen der Schmierstoffanlage nachgeregelt werden können oder nötigenfalls der gesamte Produktionsprozess unterbrochen wird. Danksagung Die Ergebnisse dieser Publikation wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens Be Entwicklung eines sensorlosen Systems zur Überwachung der Kühlschmierung für die Massivumformung erzielt. Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Förderung dieses Projektes. Literatur [Ber-98] [Ebe-91] [Kar-01] [Kir-02] Bernstein, H.: Sensoren und Messelektronik, Praktische Anwendungen: Analoge und digitale Signalverarbeitung, elektronische Messtechnik, PC-Messtechnik. Berlin, Richard Pflaum Verlag, 1998 Ebel, F.; Nestel, S.: Sensoren für die Handhabungs- und Bearbeitungstechnik - Näherungsschalter. FESTO Didactic, Esslingen, 1991 Karpuschewski, B.: Sensoren zur Prozessüberwachung beim Spanen. Fortschritt-Berichte VDI: Reihe 2, Fertigungstechnik, Nr.581, Universität Hannover, 2001 Kirianaki, N. V.; Yurish, S. Y. ; Shpak, N. O. ; Deynega, V. P.: Data Acquisition and Signal Processing for Smart Sensors. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, Baffins Lane England, I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.14/15

15 [Ric-04] Richter, T.: Zerstäubung von Flüssigkeiten: Düsen und Zerstäuber in Theorie und Praxis. Expert Verlag, Band 660, 2004 [Sch-93] Schnell, G. ; Hesse, S.: Sensoren in der Automatisierungstechnik. Vieweg Verlag, 1993 [Sul-08] SULC, J.: Integration von sensorischen Komponenten in prototypische Bauteile. Universität Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau, Dissertation, 2008 [Sve-03] Svejda, P.: Moderne Lackiertechnik: Prozesse und Applikationsverfahren. Vincentz Verlag, 2003 [Wes-04] Wesnigk, T. C.: Sensorlose Prozessüberwachung beim Gesenkschmieden. Universität Hannover, Fakultät für Maschinenbau, Dissertation, 2004 [Woz-03] Wozniak, G.: Zerstäubungstechnik. Springer Verlag, 2003 [Www-12] Internet: (Stand: ) Autoren: Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens studierte Maschinenbau an der Universität Hannover und promovierte am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) in Hannover. Nach einer leitenden Tätigkeit bei der Salzgitter AG wurde er im Oktober 2003 als Leiter des IFUM an die Leibniz Universität Hannover berufen. Dipl.-Ing. Insa Pfeiffer studierte Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover. Seit 2004 ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung Massivumformung am IFUM. Dipl.-Ing. Ingo Lüken hat an der Leibniz Universität Hannover Maschinenbau studiert. Seit Mitte 2010 ist er stellvertretender Leiter der Abteilung Massivumformung am IFUM. I/2012 Behrens, Pfeiffer, Lüken : Titel (Sprühfeldüberwachung) S.15/15