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Fraunhofer-IZFP Hybride Materialcharakterisierung von Stahlblech in Echtzeit

| Autor / Redakteur: Klaus Szielasko, Ines Veile, Sargon Youssef / M.A. Frauke Finus

Die stetig wachsende Relevanz von Nachhaltigkeitsaspekten äußert sich zum Beispiel in der Automobilindustrie unter anderem durch den Einsatz von hochfesten Stählen, die eine immer strengere Einhaltung der Prozessparameter erfordern. Gepaart mit dem Wunsch nach kundenspezifischen Lösungen resultieren daraus höhere Ansprüche an die prozessbegleitende zerstörungsfreie Prüfung von Stahlblechen. Während in den Walzwerken früher Stichproben ausreichend waren, wird zunehmend eine Prüfung verlangt, die die Materialeigenschaften entlang der gesamten Blechbreite und Blechlänge dokumentiert.

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Magnus-Prüfsystem mit zwei hybriden Prüfköpfen zur mikromagnetischen und US-basierten Werkstoffcharakterisierung.
Magnus-Prüfsystem mit zwei hybriden Prüfköpfen zur mikromagnetischen und US-basierten Werkstoffcharakterisierung.
(Bild: Fraunhofer-IZFP )

Um die entscheidenden Materialeigenschaften von hochfesten Stählen wie Zugfestigkeit, Härte und Eigenspannungen möglichst schnell, zuverlässig und zerstörungsfrei zu bestimmen, wurde im Rahmen eines vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens am Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) in Zusammenarbeit mit dem Centre Technique des Industries Mécaniques (CETIM) in Senlis, Frankreich, das Magnus-Prüfsystem entwickelt.

Die entscheidende Idee dieser Neuentwicklung liegt in der sensorseitigen Kombination zweier am IZFP entwickelter Prüfverfahren, die industriell bereits fest etabliert sind: Die mikromagnetische Bestimmung mechanisch-technologischer Materialeigenschaften wie Zugfestigkeit, Streckgrenze, Härte, Restaustenitgehalt, Bruchdehnung und Eigenspannungen wird seit Jahren erfolgreich im industriellen Umfeld (beispielsweise in der Blechprüfung, aber auch generell in der fertigungsnahen Komponenten- und Bauteilprüfung) eingesetzt. Analoges gilt für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Ausbreitungsrichtungen mit Hilfe der elektromagnetisch angeregten Ultraschallprüfung, kurz EMUS. Diese auch unter dem englischen Akronym EMAT (Electro Magnetic Acoustic Transducer) bekannte Art der Ultraschallanregung findet seit Jahren industriellen Einsatz bei der Bestimmung von Werkstofftextur, die beispielsweise das Verformungsverhalten beim Tiefziehen und die Stabilität, Verformbarkeit und Schweißbarkeit von Stahlblechen beeinflusst. Beide Verfahren arbeiten zudem berührungslos und schnell, weshalb sich im Hinblick auf die Blechprüfung eine Kombination der Messinformation beider Prüfverfahren anbietet.

Kombination zweier unabhängiger Prüfverfahren

Das Akronym „Magnus" steht für die Kombination mikromagnetischer Messungen und elektromagnetisch angeregter Ultraschallprüfung zur Materialcharakterisierung von Stahlblech. Im Forschungsvorhaben Magnus wurde erstmals eine gerätetechnische Lösung erarbeitet, welche den kombinierten Einsatz mikromagnetischer und ultraschallbasierter Materialcharakterisierung ermöglicht. Durch sensor- und gerätetechnische Synergien der beiden Verfahren ergibt sich ein kostensparendes Prüfkonzept, das relativ günstige flächendeckende Prüfungen mittels so genannter Sensorarrays beziehungsweise Sensorzeilen ermöglicht. Aufgrund der bereits genannten Synergien konnten die Komponenten der mikromagnetischen Sensorik in einem kompakten Gehäuse mit denjenigen der Ultraschallsensorik zu einem Hybridprüfkopf kombiniert werden.

Die Vorteile von Magnus liegen klar auf der Hand und äußern sich einerseits in der Kombination zweier voneinander unabhängiger Prüfverfahren mit unterschiedlichen Wirkmechanismen. Andererseits wurde eine tragfähige technische Lösung erarbeitet, wie man die seit langem im Kontext der Bandstahlprüfung als vorteilhaft bekannte Kombination mikromagnetischer Werkstoffcharakterisierung (zur indirekten Bestimmung mechanisch-technologischer Kenngrößen) mit elektromagnetisch angeregter Ultraschall-Laufzeitmessung (zur Bestimmung von Eigenspannungen und der Textur des Werkstoffs, das heißt des Verhaltens beim Tiefziehen) kostengünstig umsetzen kann. Weitere Vorteile liegen sowohl in der Vereinfachung der Prüftechnik im Hinblick auf Einrichtung und Reproduzierbarkeit, als auch in der vereinfachten Messwertermittlung, welche die Interpretation der Ergebnisse und Bedienbarkeit der Geräte erheblich erleichtert. Auf diese Weise wurden die Anforderungen von Kunden adressiert. Niedrige Hardwarekosten und vereinfachte Einrichtprozeduren ermöglichen beispielsweise die Erfassung der Bandeigenschaften mit mehreren Sensoren über die gesamte Blechbreite oder die in mehreren Etappen des Herstellungsprozesses.

Das Projekt wurde von acht Industrieexperten, das heißt Mitarbeitern von Unternehmen aus der Stahl verarbeitenden Industrie mit Interesse am Entwicklungsergebnis, begleitet. Diese steuerten aufgrund ihrer Praxiserfahrungen wichtige Informationen zur Spezifikation der Entwicklungsziele bei. Beispielsweise wurde eine praxistaugliche Lösung zur berührungslosen Prüfung gefordert, wofür auf Luftkissen gebettete Sensorsohlen entwickelt wurden. Darüber hinaus wurde die Gerätetechnik für eine hohe Messgeschwindigkeit von mehr als zehn Messungen pro Sekunde optimiert und ermöglicht somit eine Echtzeit-Materialcharakterisierung in Walzstraßen.

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