Al- und Mg-Druckguß


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Mobile Thermografie Steuer-/Meßeinrichtung für Druckgussanlagen (1...4 IR-Kameras)
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Ich freue mich, daß sich die Thermografie auch durch meine Dienstleistung in den Al-/Mg-Druckgießereien etabliert hat, möchte auf diesem Stand aber nicht verharren. Es gibt Neuigkeiten in Bezug auf live Bildkorrektur bei Messungen an blanken Werkzeugen. Mehr dazu im Ausblick am Ende der Seite und in PDF-Datei 4. Es ist im Druckguß wegen unterschiedlich blanker Oberflächen und ausgeprägter Konturen schwer, zu verwertbaren Temperaturaussagen zu kommen (PDF-Datei 3). Grund sind Effekte aus der Strahlungsphysik. Das Wärmebild der im IR meist blanken Formoberfläche zeigt fast immer größere Temperatursprünge, die sich zunächst nicht erklären lassen. Leider ist es, bis auf wenige Ausnahmen, nicht ausreichend, die Kamera einfach auf die Form zu richten und die angezeigten Temperaturen zu verwerten. Wegen der starken Winkelabhängigkeit ändern sich die scheinbaren Temperaturen bei geringer Veränderung des Kamerastandortes partiell ganz erheblich. Besonders bei Formen mit großen, glatten Flächen und Radien in der Kontur sind krasse Fehlmessungen die Regel. Je nach eingestelltem (globalem) Emissionsgrad reicht die angezeigte Temperaturspanne einer IR-Aufnahme nach Entnahme schlimmstenfalls von 200°C...600°C ?! Nachfolgend werden einige Effekte an Beispielen beschrieben und Lösungen aufgezeigt. Die Meßgenauigkeit liegt nach meiner Erfahrung unter optimalen Bedingungen bei +/- 15 K (Praxiswert). Absolute Genauigkeit und thermische Auflösung der Kamera sind dagegen eher von untergeordneter Bedeutung. Der Großteil der Fehler kommt aus der Physik. Es ist nahezu unmöglich die gerade gegossenen Teile zu messen (Emissionsgradsprünge und Reflexionen, die sich auch nicht mit IR-Polfilter eliminieren lassen) !

Oberflächeneffekte an DruckgusswerkzeugenPhysikalische Effekte an blanken Oberflächen
Zur Demonstration wurde der Einsatz einer Druckgußform auf ~200°C aufgeheizt (für größere Darstellung bitte Bild anklicken). Die Hälfte der Fläche ist schwarz lackiert, der Rest unterschiedlich blank. Auf der schwarzen Seite herrscht homogene Emissivität um 0,97, auf der anderen schwankt sie von 0,18 bis 0,98 ! Im Radius unten, mittig spiegelt sich rechts die geschwärzten linke Seite. Auf der blanken Seite fallen am Rand warme Zonen auf. Es handelt sich um Löcher im Werkzeug, die als Hohlraumstrahler (E~1) wirken. Die Temperatur ist nicht wirklich höher. Das sieht man an den Löchern auf der schwarzen Seite. Hier gibt es kaum Emissivitätsunterschiede, wodurch die Löcher gemäß der realen Temperatur etwa auf dem Niveau der Umgebung liegen. Vorsicht also beim Beurteilen der blanken Formoberfläche !
Oberflächeneffekte an DruckgusswerkzeugenIch schwärze die Form nach lg. Stillstand (Sichtbarmachung der Temperierung sowie Referenz für partiellen Emissionsgradabgleich) sowie unmittelbar nach Entnahme im lfd. Betrieb (ohne zu Sprühen). Nach der Schwärzung zeigt sich in etwa die wahre Temperaturverteilung. Allerdings kühlt die Kontur unterschiedlich ab, heiße oder hervorstehende Stellen sehr viel schneller. Hieraus resultiert natürlich ein Meßfehler, der je nach Wartezeit bis zur Aufnahme des Bildes 60°C im Werkzeug betragen kann. In Zukunft wird dies wahrscheinlich einfacher. Hierzu mehr im Ausblick am Ende dieser Seite.
Thermografie im Druckguss

Das links gezeigte Spray eignet sich gut zur
Werkzeugschwärzung im Druckguss, auch
wenn es nicht schwarz ist. Es wird in einigen
Gießereien als Trennmittel beim Einfahren
neuer Werkzeuge verwendet. Leider habe ich
keine Bezugsquelle (größerse Bild durch
Anklicken des Fotos).

Thermografie im Druckguss
Thermografie im Druckguss
Diagramme Optimierungsversuche Druckguss
Bildsubtraktion zur Visualisierung von Veränderungen

Ausblick
Pixelweise Korrektur der Emissivität im IR-Livebild mit der „Emissionskarte“
Patentiertes Verfahren zum partiellen EmissionsgradabgleichEinsatz eines DruckgußwerkzeugesFoto links: Typische Oberfläche einer Druckgußform, die zur Demonstration halbseitig schwarz lackiert ist. Auf der blanken Seite schwankt die Emissivität (ε) von 0,18…0,98 ! wodurch die im IR-Bild links gezeigte Temperatur ohne Korrektur fernab der Realität liegt. Ein Mittelwert für ε hilft nicht, da extreme Sprünge binnen weniger mm auftreten (siehe Kavität). Durch einmalige Schwärzung nahe der Prozeßtemperatur nach längerem Stillstand entsteht homogene Emissivität um 0,97. Jetzt zeigt sich die reale Temperatur. Aus dem Vergleich blank/schwarz wird mit der IR-Control Software der Automation Technology GmbH in Trittau die „Emissionskarte“ generiert. Die Temperatur soll sich während der Beschichtung möglichst nicht ändern (quasistationären Zustand abwarten). Im lfd. Betrieb brennt die Farbe, bzw. andere geeignete Materialien binnen 3...5 Schuß ab. Dann wird die Emissionskarte zugewiesen. Ergebnis: Anzeige der realen Temperaturen im Livebild ! (Fehler ≤ +/- 15 K, außer Reflexionen, die sich örtlich oder thermisch ändern). Das zum Patent angemeldete Verfahren wurde mehrfach erfolgreich erprobt, soll aber vor dem Industrieeinsatz noch weiter optimiert werden (Ziel: Schwärzung ggf. nicht zwingend im stat. Zustand erforderlich). Deshalb dies als Ausblick auf künftige Möglichkeiten der Thermografie im Druckguß.
Vorteil: Brauchbares live (!) Wärmebild und gravierende Erhöhung der Meßgenauigkeit bei Messungen im lfd. Betrieb

Emissionskarte (Druckguß)Die Emissionskarte
Ähnelt dem Wärmebild zeigt aber die Emissionswerte jedes Pixels und legt diese in einer Tabelle, der "Emissionskarte" ab. Die Methode ist nicht neu und unter dem Begriff Emissivity mapping bekannt. Dabei wird versucht, das kpl. Objekt sehr gleichmäßig, nahe der später erwartetenTemperatur zu erwärmen. Unter der Annahme, daß es überall gleich warm ist, sind Unterschiede im IR-Bild durch Schwankungen der Emissivität verursacht (Reflexionen unberücks.). Im Druckguß versagt die Methode, weil es nicht gelingt, mit vernünftigem Aufwand das eingebaute Werkzeug homogen zu temperieren. Die Nutzung der "Emissionskarte" erfordert deckungsleiche Bilder (Kamera auf stabilem Stativ). Demzufolge scheidet auch Ausbau des Werkzeuges aus. Der neue Ansatz ist, daß die Temperatur der Fläche nicht konstant, sondern durch temporäre Beschichtung mit hochemissiven Materialien überall bekannt ist. Daraus wird die Karte generiert und später die Emissivität jedem Pixel des Livebildes zugewiesen

 

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