Beispiel für das Schweißen per Infrarot-Technik: In diesem Fall erwärmt ein mittelwelliger Metallfolienstrahler das Bauteil vor dem Fügeprozess. (Bild: Bielomatik)
Berührungslose Verfahren wie das Infrarotschweißen, Heißgas- oder Gaskonvektionsschweißen sind im Kommen: Bewährt haben sie sich zum Beispiel zum sauberen Fügen von Sicherheitsbauteilen – also etwa von Schusskanälen für Airbags. Doch diese Technologien haben einen entscheidenden Nachteil: Die Qualität der Schweißung lässt sich nicht so leicht wie bei anderen Verfahren kontrollieren. Doch viele dieser Sicherheitsbauteile unterliegen der sogenannten Dokumentationspflicht, kurz D-Pflicht genannt: Der Hersteller muss den Fertigungsprozess jedes einzelnen Sicherheitsbauteils prüfen, beurteilen und das Ergebnis akribisch dokumentieren. „Der Hersteller muss damit nachweisen, dass die Schweißung einwandfrei abgelaufen ist“, betont Dr. Tobias Beiß, Leiter des Innovationsmanagements bei Bielomatik Leuze, Neuffen. „Die von den Schweißmaschinen standardmäßig überwachten Parameter reichen jedoch beim berührungslosen Erwärmen für eine ausreichend detaillierte Qualitätsaussage zum Schweißprozess häufig nicht aus.“
Als Gegenmaßnahme entstand ein Infrarotkamera-System, das die Temperaturverteilung in bestimmten Bereichen erfasst. Beiß erläutert: „Der Maschinenbediener überprüft mit einer Thermokamera nach dem Erwärmen und kurz vor dem Fügen, ob die Wärmeverteilung den Werten eines gut geschweißten und geprüften Referenzbauteils entspricht.“ Wenn das Bauteil dokumentationspflichtig ist, kann ein Qualitätsmanagement-System die Kennwerte jedes einzelnen Bauteils zusammen mit dem Kamerabild, den Maschinenparametern, dem exakten Produktionsdatum und -zeitstempel oder dem Barcode speichern. Beiß erklärt: „Wir haben die Software selbst entwickelt, die wir entsprechend an den jeweiligen Einsatzfall individuell anpassen und modifizieren können. Daher haben wir die Art der Überwachung und Datenauswertung unter Kontrolle.“ Das System unterscheide sich daher von der sonst üblichen Standard-Software mit Spezialisierungsmodulen.
Beispiel für das Schweißen per Infrarot-Technik: In diesem Fall erwärmt ein kurzwelliger Glasröhrenstrahler das Bauteil vor dem Fügeprozess.(Bildquelle: Bielomatik)
Es handelt sich allerdings nicht um ein selbstlernendes Überwachungssystem: Der Hersteller unterstützt den Kunden daher bei der Inbetriebnahme und Bedienerschulung. „Der Anwender muss seine Teile sehr gut kennen und wissen, wie er seine Messbereiche einteilt und auswertet“, sagt Beiß. „Es empfiehlt sich daher, das System bereits im frühen Prototypen-Stadium mitlaufen zu lassen, um die Wärmeverteilung durch die bis zu 40 einzeln regelbaren IR-Strahler pro Werkzeugseite zu optimieren.“
Damit lassen sich bei Bedarf auch Gesamtflächen überwachen. Hier gelte es zu entscheiden, ob eher das Unter- oder Überschreiten von Mittel- oder Maximalwerten überprüft werden soll. „Es ist allerdings sinnvoll, auch hier die Messfelder aufzuteilen“, empfiehlt Beiß. „Bei unseren Metallfolien- oder Glasröhren-Anlagen bietet sich beispielsweise unter jedem einzelnen Strahler ein Messfeld an, das dem Strahlerverlauf entspricht.“ In jedem einzelnen kann der Anwender dann unterschiedliche Auswertestrategien anwenden.
Schnelle Inbetriebnahme und präzise Fehlererkennung
Das Infrarotkamera-System überprüft die Wärmeverteilung eines Airbagschusskanals anhand zahlreicher Messpunkte. Das Bauteil wurde gerade erwärmt und gelangt nach dem OK des Kamerasystems zum eigentlichen Fügeprozess.(Bildquelle: Bielomatik)
Da die spätere Qualität des Fügeprozesses mit diesen Strategien steht und fällt, sollte der Anwender zusammen mit dem Hersteller in Vorversuchen die spezifischen Schwachstellen der Schweißung ermitteln. Dr. Beiß: „Die Punkte lassen sich nahezu beliebig einteilen und festlegen, um das Optimum aus der Schweißung herauszuholen.“ Durch den Einsatz der Wärmebildkamera lässt sich auch die Zeit für die Inbetriebnahme eines IR-Strahlers verkürzen. Indem die Kamera die Wärmeverteilung vom ersten Bauteil an ermittelt, findet das System rasch Hotspots oder kalte Stellen, die der Anwender dann eliminieren kann. Hierbei entsteht ein deutlicher Zeitvorteil gegenüber der herkömmlichen Methode, bei der das sogenannte Anwärmbild des Bauteils visuell beurteilt wird.
Beim Auswerten verteilt der Anwender in der Regel eine bestimmte Anzahl von rechteckigen Feldern um den Anschweißbereich. Diese Felder vergleicht das System mit einem Solltemperaturfeld: Wenn eines der Felder aus den Grenzen läuft, handelt es sich um eine fehlerhafte Schweißung. Beim IR-Schweißen von Spritzgießbauteilen werden häufig Felder über jeden einzelnen Punkt gelegt. Hier ist es dann möglich, abhängig von den Bauteileigenschaften eine bestimmte Anzahl von Punkten mit Temperaturober- und -untergrenzen festzulegen. Zusätzlich zu den Temperaturgrenzen kann der Anwender entscheiden, ob hier eine bestimmte Anzahl der Punkte je Strahler i.O. sein muss, um eine Schweißung beziehungsweise einen Bereich insgesamt mit i.O. zu bewerten.
Der Anwender kann statt mit Punkten aber auch mit Rechtecken und deren Grenzwerten arbeiten. „Wegen des häufig ungünstigen Betrachtungswinkels der Kamera zum Bauteil empfiehlt es sich aber, die Einteilung der Rechtecke nicht über komplette Strahlerlängen hinweg zu ziehen“, erklärt Beiß. Dabei könne es nämlich passieren, dass sich ein Bereich des Strahlers näher an der Kamera befindet als ein anderer. Allein wegen des Entfernungsunterschieds würden sich schon deutliche Abweichungen in den gemessenen Temperaturen ergeben.
„Unsere Software zeichnet aus, dass sie sehr variabel und für alles offen ist“, betont der Ingenieur. „Im Extremfall könnten wir sogar jeden Pixel einzeln auswerten.“ Doch das sei nicht sehr sinnvoll, da ein einzelner Pixel nicht für eine ausreichend genaue Messung sorge. Normalerweise empfehlen die Kamerahersteller daher ein Feld von 3 x 3 Pixeln als Mindestgröße für reproduzierbare und ausreichend genaue Temperaturmessung.
Bewährt haben sich – auch wegen des besten Preis-Leistung-Verhältnisses – Kameras mit 382 x 288 Pixeln. Diese geringe Auflösung hat einen wichtigen Vorteil der IR-Kamerasysteme: Sie erzeugen nicht wie andere Bildverarbeitungssysteme enorme Datenmengen, die über eine spezielle Gigabit-Ethernet-Schnittstelle (GigE) in Echtzeit auf einen Hochleistungsrechner überspielt werden müssen. „Wir arbeiten bei unseren meist für vier Kameras ausgelegten Systemen mit einem üblichen USB-Anschluss mit Netzwerk-Übersetzung“, betont Beiß. An die USB-Schnittstelle wird ein Industrie-PC mit eigenem Monitor angeschlossen, der dem Anwender das separate Überwachen der Kameras ermöglicht.
Die Lösung ist vor allem in der Automobilindustrie gefragt. „Das Kamera-System kommt mittlerweile serienmäßig bei mehreren namhaften Automobilzulieferern zum Einsatz“, berichtet Beiß. „Bewährt hat es sich beispielsweise beim automatisierten, prozesssicheren Fügen von SCR-Tanks (Selective Catalytic Reduction; ein Harnstoff-Vorratsbehälter für die Abgasnachbehandlung). Hier besteht die Option, das System stoppen zu lassen, wenn die Grenzwerte überschritten werden. Teure Einbauten aus dem Pumpenmodul könnten so ohne größere Nacharbeiten wieder verwendet werden. “
Für den Einsatz des Kamerasystems beim Schweißen von größeren, blasgeformten Teilen aus Polyethylen spricht aber auch noch ein anderer Aspekt. So komme es bei manchen Tanks darauf an, Schweißteile von außen an sehr dickwandigen Stutzen mit Fügeflächen von 5 bis 10 mm anzubringen. „Es kann passieren, dass es nicht in der vom Maschinentakt vorgegebenen Zeit gelingt, das anzuschweißende Teil vollständig anzugleichen und damit eine homogene Erwärmung für das Schweißen zu erzielen“, sagt Dr. Beiß. „Auch hier kommt unsere neue Wärmebildkamera ins Spiel, die einzelne Felder erfasst und auswertet.“
