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Infrarotkameras im Einsatz in der Gießereitechnik – Die Temperatur der Schmelze im Griff

Das Gießen von Metallen ist eines der wichtigsten Urformverfahren in der metallverarbeitenden Industrie. Mit rund 75 % ist Gusseisen der wichtigste Werkstoff, der in Gießereien verwendet wird. Bei der vollautomatischen Pfannengießmaschine Puma Pro von Induga setzt der Hersteller auf Infrarot-Temperaturmesstechnik von Optris, um die Temperatur der Schmelze während des Abgusses zu überwachen.

 

Logo der Firma Induga
Unser Partner steht für wegweisende und technologieübergreifende System- und Verfahrenslösungen

Wie in den meisten Verfahren in der Serienproduktion kommen heute auch in der Gießereitechnik immer häufiger automatisierte Lösungen zum Einsatz. Die Induga GmbH & Co. KG hat mit der Puma Pro eine automatisierte Lösung für den Gießprozess entwickelt, mit der eine effiziente Serienproduktion möglich ist. Das Unternehmen gehört zur mittelständischen Otto Junker GmbH, die am Standort Simmerath rund 450 Mitarbeiter beschäftigt. Der bereits 1924 gegründete Innovations- und Technologieführer ist globaler Technologie- und Systempartner für die gesamte Gießerei-Industrie und bei Thermoprozessen, allen voran  in der Aluminium-, Kupfer- und Halbzeug-Industrie. Außerdem ist das Unternehmen ein europäischer Spezialanbieter für Edelstahl-Gussprodukte.

 

Automatisierte Pfannengießmaschine

Die automatisierte Puma Pro lässt sich dank eines iterativ lernenden Gießreglers auch bei kleinen Losgrößen sehr gut einsetzen. Ein integriertes hochgenaues Waagesystem ermittelt die abgegossene Gießmenge direkt während des Abgusses und diese ist eine wichtige Voraussetzung für die prädektiv arbeitende Gießgewichtsabstellung, um genaue Gewichtsabstellung zu realisieren, was am Ende der entscheidende wirtschaftliche Faktor für den Kunden ist. Zusätzlicher Vorteil einer Pfannengießmaschine ist, dass mit jedem Pfannenwechsel auch der zu vergießende Werkstoffsorte gewechselt werden kann. Die Puma Pro kann bei unterschiedlichen Pfannengrößen 0,5 bis 3,2 Tonnen (Eisen-)Guss-Stücke von 10 bis 500 kg wirtschaftlich vergießen. Um flexibel auf verschiedene Situationen der Formanlage reagieren zu können, kann die Gießmaschine auf einem Schienen-System entlang der Gießstrecke verfahren und an verschiedenen Orten in die Form präzises flüssiges Metall vergießen. Das Hub- und Kippsystem, das aus Hubsäule und Hubschlitten besteht, lässt die Gießpfanne um die Gießschauze rotieren, was eine wichtige mechanische Voraussetzung für einen präzisen wiederholt genauen Gießvorgang ist. Die Form der Gießpfanne sowie die Konstruktion des Pfannendeckels wurden im Hinblick auf einen geringen Temperaturverlust optimiert – dieser beträgt dadurch weniger als 3 Kelvin pro Minute.

 

Vollautomatisierte Gießmaschine Puma Pro

Die vollautomatsierte Pfannen-Gießmaschine Puma Pro beim Gießprozess.
Quelle: Induga

 

Garantierte Qualität dank integrierter Temperaturmessung

Die Qualität des Gießprozesses ist unter anderem stark von der Temperatur der Schmelze abhängig. Diese wird im Induktionsschmelzofen vor dem Einfüllen in die Gießpfanne bestimmt. Trotz des schnellen Pfannenwechsels und dem geringen Temperaturverlust in der Pfanne während des Transports, wird die Temperatur beim Abgussvorgang selbst nochmals bestimmt. „Eine zu geringe Temperatur der Schmelze würde unweigerlich zu Qualitätsproblemen beim Werkstück führen“, erläutert Thomas Voss, der als Produktmanager bei Induga für die Puma Pro zuständig ist. Bei der Temperaturmessung während des Abgusses setzen die Entwickler bei Induga auf Infrarotkameras des Typs PI 05M von Optris. Deren hochdynamischer CMOS-Detektor hat eine optische Auflösung von 764 x 480 Pixel und ermöglicht eine Bildwiederholfrequenz bis zu 1 kHz. Der Einsatz einer IR-Kamera hat im Vergleich zu Pyrometern, die eine Temperatur jeweils nur an einem Messpunkt erfassen, entscheidende Vorteile, wie Thomas Voss weiß: „Beim Pyrometer kommt es sehr auf die exakte Ausrichtung aus. Und das ist bei einem dynamischen Messobjekt, wie der fließenden Schmelze schwierig.“ Auch die verschiedenen Abgusspositionen, die sich je nach Gussform verändern, sind mit einem fest installierten Pyrometer nur schwer zu erfassen. Im Gegensatz dazu erfasst eine Infrarotkamera die Temperatur immer in einem größeren Bereich. Die PI 05M hat für diese Anwendung eine sehr nützliche Funktionalität: Die höchste Temperatur innerhalb des Bildes – das ist hier die Temperatur der Schmelze – kann separat ausgegeben werden. Dabei kommt es nicht darauf an, wo genau die Schmelze innerhalb des Bildausschnitts liegt, den die Kamera erfasst. Auch während des Abgusses entstehender Rauch oder Dampf, der die Infrarotstrahlung absorbiert, stört die Kamera nicht. Durch die vielen Messpunkte und die integrierte Peak-Hold-Funktion funktioniert die Temperaturmessung auch unter so schwierigen Umgebungs-Bedingungen einwandfrei.

 

Vergleichsmessungen im Technikum

Um das optimale System für die Temperaturmessung auszuwählen, hat Thomas Voss im betriebseigenen Technikum Vergleichsmessungen durchgeführt. In seinem Technologiezentrum betreibt das Unternehmen verschiedene Gießerei- und Wärmebehandlungsanlagen im Industriemaßstab, die für die Erprobung von Prototypen, die Validierung von Modellen oder auch im Kundenauftrag zur Beantwortung spezieller Fragestellungen zur Verfügung stehen. Bei den Vergleichsmessungen wurden unter anderem die beiden Modelle PI 1M und PI 05M von Optris getestet. Entschieden hat man sich letztlich für die PI 05M, die einen großen Vorteil bietet: Die Temperatur wird im Spektralbereich von 500 nm bis 540 nm bestimmt. Bei so kurzen Wellenlängen ist die Abhängigkeit der Temperaturmessung vom Emissionsgrad des Materials vergleichsweise gering. Gerade wenn verschiedene Schmelzen verwendet werden, die unterschiedliche Emissionsgrade haben können, ist dies wichtig. Die Infrarotkamera bestimmt die Temperatur der Schmelze im Bereich von 900 °C bis 2.000 °C mit einer Genauigkeit von 2 Kelvin. Auch die einwandfreie Funktion der Temperaturmessung bei schwierigen Umgebungsbedingungen wurde im Technikum getestet.

„So haben wir während der Vergleichsmessungen Additive in die Schmelze gegeben, die für eine starke Rauchbildung gesorgt haben.
Die Messung mit der PI 05M war trotzdem sehr präzise“,

sagt Thomas Voss.

 

Einfache Integration in die Anlagensteuerung

Screenshot der Bedienoberfläche

Screenshot der Bedienoberfläche auf dem Touchpanel.
Quelle: Induga

Für einen Maschinen- und Anlagenbauer wie Induga ist es besonders wichtig, dass sich die verwendeten Komponenten und Sensoren einfach in das Maschinenkonzept integrieren lassen. „Das digitale Ausgangssignal der IR-Kamera lesen wir direkt in die Soft-SPS ein, die die komplette Puma Pro steuert“, erklärt Thomas Voss: „Sollte die gemessene Temperatur beim Abguss zu niedrig sein, wird der Vorgang sofort gestoppt und der Maschinebediener wird alarmiert.“ Auf diese Weise kann die Qualität der Gussteile bei jedem einzelnen Abguss sichergestellt werden. Der Einsatz der PI 05M hat nach Meinung von Thomas Voss aber noch einen weiteren Vorteil: „Das Kamerabild können wir zusätzlich auf dem Touchpanel der Maschinen-Steuerung anzeigen. Der Maschinenbediener hat dadurch stets die Kontrolle, dass der Sensor richtig ausgerichtet ist und die Optik nicht verdeckt oder verunreinigt ist.“ Das Bild wird hierfür einfach über die integrierte USB-Schnittstelle der Kamera an die Steuerung übertragen. Diese zusätzliche Kontrolle macht die Bedienung der Maschine noch anwenderfreundlicher.

Die erste Puma Pro, die mit einer Infrarotkamera optris PI 05M ausgestattet ist, hat Induga in einer Gießerei in der Nähe von Florenz, Italien, installiert und in Betrieb genommen. Die Erfahrungen sind nach Aussage von Thomas Voss durchweg positiv:

„Der Kunde ist sehr zufrieden mit der Lösung.
Die Maschinenbediener führen lediglich einmal
pro Woche eine Referenzmessung durch –

ansonsten läuft das System absolut wartungsfrei.“

Bei Induga plant man bereits weitere Anlagen, die ebenfalls mit Geräten von Optris ausgestattet werden. Dabei wird die Kommunikation zwischen Kamera und Steuerung über den Miniatur-PC PI NetBox erfolgen. Dieser PC ermöglicht die Nutzung der Kameras im Stand-Alone-Betrieb und dient als Umsetzer von USB auf Ethernet, wodurch größere Distanzen zwischen Sensor und Steuerung möglich sind.

 

Autoren

 

Thomas Voss, Induga
Produktmanager

Dipl.-Ing. Torsten Czech, Optris
Head of Product Management

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Maik Lippe

Dipl.-Ing. Maik Lippe

Tel.: 030 / 500 197-0
Fax: 030 / 500 197-10
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