Flugzeugturbinen mit einer Wärmebildkamera untersuchen

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Kamera nimmt 800 Bilder in einer Sekunde auf

Für Thermografie-Aufnahme in diesem Hochgeschwindigkeitsprozess muss eine entsprechende Kamera in einer Sekunde bis zu 800 Bilder aufnehmen, um den Moment der Zerspanung zu erwischen. Hinzu kommt, dass man ein Makro-Objektiv verwenden muss, da der Span nur wenige Mikrometer dick ist. Alle Parameter flossen bei der Wahl der Wärmebildkamera ein.

Beim WZL entschied man sich im Jahr 2010 für die FLIR SC7600. Die Kamera bietet einen gekühlten Photoquantendetektor mit einer Auflösung von 640 x 512 Pixeln und verfügt über die nötige Geschwindigkeit, die hohe Auflösung garantiert Ein optionales Makroobjektiv ist ebenfalls enthalten. Eine hohe Genauigkeit wird nur mit einer gekühlten Wärmebildkamera und ihrem Indium-Antimonid-Detektor (InSb) erreicht.

Im 1/4-Frame-Teilbild-Modus erreicht die Kamera eine Bildwiederholfrequenz von bis zu 800 Hz, also 800 Einzelbilder in einer Sekunde. Die Forscher interessieren sich für die Frage, wohin die Wärmeenergie geht, die bei der Zerspanung freigesetzt wird. Geht sie in den Span, in das Werkstück oder in das Werkzeug? Dafür können Auflösung und Bildfrequenz nie hoch genug sein. Für die Analyse der Rohdaten setzen die Forscher die FLIR-Software Altair ein.

Um die Kamera optimal zu kalibrieren, kommt ein speziell entwickeltes 2-Farben-Pyrometer zum Einsatz, das trotz des Namens nicht mit den industriellen Punkt-Pyrometern vergleichbar ist. Dabei handelt es sich um optische Lichtleiter, die zwei ganz bestimmte, eng definierte Wellenlängenbereiche messen. Mit den Daten lässt sich die Wärmebildkamera kalibrieren. Mit dem besonderen Versuchsaufbau gelang es dem Team weltweit zum ersten Mal die exakte Temperaturverteilung beim Zerspanen in hoher Qualität zu visualisieren.

Die Theorie an die Praxis anpassen

Und dem Team von WZL und IPT gelang sogar noch mehr als nur die Visualisierung eines Standardmodells. Aufgrund ihrer Untersuchungen konnte die Theorie an die Praxis angepasst werden. Das Standardmodell ließ die höchsten Temperaturen etwas oberhalb der Stelle erwarten, an der sich Werkzeug und Werkstück berühren. Das konnten die Forscher experimentell so nicht bestätigen.

Profitieren werden Millionen von Flugpassagieren, wenn Turbinenräder in Zukunft unter Beachtung dieser Erkenntnisse gefertigt werden. Denn es lassen sich exakte Prozessbedingungen definieren. Bei genauer Kenntnis der auftretenden Kräfte, der Material- und Werkzeugeigenschaften sowie den Bedingungen beim Zerspanprozess lässt sich ein realistisches Modell der Temperaturverteilung erstellen, welches die bekannten mechanischen Prozesse als Eingangsgrößen verwendet. Wichtig ist bei solchen Projekten auch die enge Zusammenarbeit mit den Herstellern der verwendeten Messgeräte. In diesem Fall mit dem Kamerahersteller FLIR. Denn die Wissenschaftler wissen, was vor der Kamera passiert und der Kamerahersteller weiß, was in seiner Wärmebildkamera mit den Daten geschieht.

Ein Beispiel: Die Wissenschaftler stellten sich die Frage, ob es eine Fehlerkorrektur für nicht gemessene Pixel in der Kamera gibt. Falls das so ist, hätte das die Messungen verfälscht. In diesem Fall müssten die gewonnenen Rohdaten unbearbeitet aus der Kamera verarbeitet werden. Auch ein Hersteller wie FLIR profitiert von der Nähe zur Forschung, da von dort Anregungen für Weiterentwicklungen kommen und die Nachfrage nach neuen hohen Leistungsanforderungen, die am Anfang nur relativ aufwendig zu erreichen und leider dementsprechend teuer sind.

Materialschwächen im Produktionsprozess ausschließen

In der nahen Zukunft geht es den Teams von WZL und IPT um die Definition standardisierter Prozessbedingungen, die eventuelle Materialschwächen im Produktionsprozess erst gar nicht erst entstehen lassen. Aber auch andere Anwendungen hat das Team schon im Auge: Die Hochgeschwindigkeitszerspanung oder Englisch High Speed Cutting. Bei diesem Zerspanungsverfahren sind die Schnittgeschwindigkeit durch sehr hohe Werkzeugdrehzahlen und die Vorschubgeschwindigkeit wesentlich höher: Trifft man die richtigen Parameter, geht hier ein Großteil der thermischen Energie in den Span und beeinflusst das Werkstück dadurch nicht negativ.

* Christiaan Maras ist Marketing Director bei FLIR Commercial Systems BV in den Niederlanden. Frank Liebelt arbeitet als freier Journalist in Frankfurt.

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