Werkzeugintegrierte Temperaturmessung für das Presshärten

Motivation:

Werden Abweichungen vom ausgelegten Formhärteprozess nicht prozesssicher nachgewiesen, kann es zum Fügen von fehlerhaften Bauteilen in der weiteren Prozesskette kommen. Hierdurch können erhebliche Folgekosten entstehen. In Umformwerkzeuge integrierte Sensoren ermöglichen es auftretende Temperatur- Unregelmäßigkeiten zu erkennen und frühzeitig Gegenmaßnahmen einzuleiten. Weiterhin können im Produktionszyklus variierende Abkühlgeschwindigkeiten, hervorgerufen durch Schwankungen der Werkzeugtemperatur, als Eingangssignal für eine aktive Regelung der Haltezeit genutzt werden. Sensoren auf Basis der Dünnschichttechnik bieten dabei den Vorteil im direkten Kontakt mit dem Halbzeug zu stehen, ohne dabei die Bauteilqualität durch thermische Störeinflüsse zu verringern. Somit kann das Bauteil im Fertigungsprozess überwacht und fehlerfrei gefertigt werden. Aufgrund der zunehmenden Komplexität der Umformprozesse sowie der Fertigung nahe der Prozessgrenze bieten diese Sensoren ein großes Potential den produzierten Ausschuss zu reduzieren sowie die Taktzeit zu verringern. Dies ermöglicht es den Produktionsprozess wirtschaftlicher zu gestalten und trägt zu einem  ressourcenschonenden Umgang mit Rohstoffen bei.

Zielsetzung:

Ziel dieses Forschungsprojektes (IGF-Nr.: 18338 N) war die Entwicklung eines taktilen Dünnschichttemperatursensors für den direkten Einsatz in Umformwerkzeugen. Um eine wirtschaftliche Standzeit der Sensoren zu gewährleisten, wurden zunächst Untersuchungen zur Identifizierung einer geeigneten Verschleißschutzschicht durchgeführt, wobei eine Schicht aus Al₂O₃ die besten Ergebnisse zeigte. Parallel erfolgte die Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von thermoelektrischen und thermoresistiven Sensorschichten. Die Sensorkonzepte wurden unter Berücksichtigung unterschiedlicher Umformwerkzeugtemperatur kalibriert. Insbesondere der thermoresitive Sensor zeigte in Vergleichsmessungen eine gute Übereinstimmung im Temperaturbereich bis 400 °C. Eine vollständige Darstellung der  Ergebnisse kann dem Abschlussbericht entnommen werden.

Abbildung: Signalverlauf des thermoresistiven Sensors im Vergleich zu konventionellem Messsystemen (Mantelthermoelement, Pyrometer) während des Formhärtens

Förderung:

Das IGF-Vorhaben 18338 N der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde vom Institut für Mikroproduktionstechnik, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover durchgeführt