Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer zerstörungsfreien Umwandlungs-Sensortechnik zur Charakterisierung gradiert

eingestellter Gefüge und Randzoneneigenschaften während der Werkstoffumwandlung

im Abkühlpfad

 

Das Forschungsziel ist die Entwicklung einer zerstörungsfreien online Prüftechnik zur Charakterisierung der Gefügeausbildung in der Rand- und Kernzone von Hochleistungsbauteilen mit gradierter Gefügestruktur während der Werkstoffumwandlung aus der Wärmebehandlung oder der Schmiedewärme, ausgerichtet auf die Qualifizierung neuer, moderner Fertigungstechnologien beim Einsatzhärten und in der Warmformgebung für Bauteile mit hohen spezifischen Beanspruchungen in Leichtbauweise.

Vorgesehen ist die Entwicklung eines auf der Harmonischen Analyse von Wirbelstromsignalen basierenden Multiparameter-Prüf- und Analysesystems, das eine differenzierte in situ Erfassung und Charakterisierung der transienten Gefügeausbildung in unterschiedlichen Tiefenlagen ermöglicht. Nach der Auswertung, Bewertung und Kalibrierung charakteristischer Messwertverläufe anhand zerstörend ermittelter Gefügestrukturen und mechanischer Kennwerte erfolgt dann in Demonstrator-Anwendungen über tolerierte Messsignalverläufe in klassifizierten Feldern eine Steuerung der Abkühlparameter zur gezielten Einstellung von angestrebten Gefügestrukturen in den relevanten Bauteilbereichen.

Im Trend der Industrie 4.0 bildet die zeitliche und lokale Charakterisierung von Gefügestrukturen neue Möglichkeiten, um Fertigungsprozesse mit einer hohen Prozesssicherheit zu automatisieren und die Bauteileigenschaften im Rahmen der Qualitätssicherung und Produkthaftung lückenlos zu dokumentieren. Entsprechend moderne Fertigungstechnologien in einer verkürzten Prozesskette ermöglichen zudem eine schnelle Prozessoptimierung und die Fertigung von qualitativ hochwertigen Bauteilen unter Einsparung von Energie, Ressourcen, Prozesszeit und damit Fertigungskosten.

Wie im Antrag beschrieben und im PA dokumentiert, ist diese Entwicklung ausgerichtet auf den Bereich der Massivumformung und Wärmebehandlung, in dem KMU einen Marktanteil von mehr als 60% haben, und damit von Bedeutung und insbesondere im wirtschaftlichen Interesse der KMU.

Ergebniszusammenfassung:

Anhand der erzielten Forschungsergebnisse im Labor und in den industriellen Anwendungen konnte gezeigt werden, dass die Entwicklung einer zerstörungsfreien Umwandlungs-Sensortechnik zur Charakterisierung gradiert eingestellter Gefüge und Randzoneneigenschaften während der Werkstoffumwandlung im Abkühlpfad erfolgreich realisiert wurde. Eine Online-Qualitätssicherung bzw. die Werkstoffumwandlung in unterschiedlichen Randabständen konnte mithilfe der integrierten Wirbelstromsensorik im Ölbad, im Warmbad, unter freier Konvektion sowie im Wasser-Luft-Sprayfeld erfolgen.

Innerhalb der experimentellen Untersuchungen im Ölbad und im Wasser-Luft-Sprayfeld konnte der Kohlenstoffpegel und die Einhärtetiefe differenziert sowie das Umwandlungsende bestimmt werden. Darüber hinaus ist es möglich, Prozessstörungen mit zu viel oder zu wenig Kohlenstoff im Randbereich eindeutig zerstörungsfrei zu detektieren.

Chargen- und prozessbedingte Sicherheitsaufschläge, welche zur Berechnung der bainitschen Umwandlungszeit bei klassischer Prozessauslegung notwendig sind können durch die vorgestellte Technik potentiell bauteilbasiert entfallen, wodurch sich erhebliches Einsparpotential hinsichtlich Prozesszeit und -kosten ergibt.

Somit ergibt sich mithilfe des Wirbelstromprüfsystems die Möglichkeit zur zerstörungsfreien, frühzeitigen Erkennung von Fehlentwicklungen bei einem bekannten Umwandlungsverhalten der Bauteile in der Abkühlstrecke. Gleichbedeutend ist eine Qualitätssicherung der gewünschten Bauteileigenschaften während der Abkühlphase aus dem Austenitgebiet reproduzierbar möglich.