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AMEPAs Innovation bei der Online-Oberflächenrauheitsmessung in Aluminiumwerken

Die AMEPA GmbH Deutschland bietet innovative Messsysteme mit einer umfassenden Servicepalette für Unternehmen in der Stahl-, Aluminium- und Automobilindustrie an. Mit über 400 installierten Systemen in 34 Ländern haben sich die Online-Messsysteme für Schlackedetektion und Rauheitsmessung von AMEPA zu einem weltweiten Standard entwickelt. Büros in den USA und China sowie ein globales Vertriebs- und Service-Netzwerk garantieren eine umfassende Unterstützung.

Die zunehmende Komplexität im Bereich der Metallumformung in Kombination mit immer dünneren Farbbeschichtungen und sogar fehlenden Fülllagen bewirkt, dass die Anforderungen der Kunden an die Oberflächengüte von Aluminiumbändern für die Automobilindustrie immer stärker steigen. Aber auch die Verpackungsindustrie wird immer anspruchsvoller. Diese hohen Kundenanforderungen und die Forderung nach steigender Produktivität sind einige der zahlreichen Gründe dafür, dass sich die Aluminiumhersteller vor die Herausforderung gestellt sehen, Bänder mit garantiert hoher Oberflächengüte liefern zu müssen.

Das Erscheinungsbild des fertigen, lackierten Erzeugnisses ist für den Endnutzer von hohem Wert, aber in Zukunft werden nicht nur die Anforderung an die Brillanz steigen. Aus Kosten- und Umweltschutzgründen werden die Lackschichten immer dünner. Dies führt dazu, dass die Struktur des Grundmaterials für das optische Erscheinungsbild des Endprodukts immer wichtiger wird. Daher wird der besseren Kontrolle der Topographie (d.h. der Rauheit von Aluminium und Stahlblech) eine verstärkte Bedeutung zukommen.

Bislang wird die Rauheit mithilfe eines mechanischen Taststiftes manuell an Proben direkt am Kopf und Ende des Coils gemessen. Diese Messung ist jedoch nicht repräsentativ für die Verteilung der Rauheitswerte über die Coillänge, da die Proben am Kopf oder Ende des Coils entnommen werden, wo die Produktionskennwerte wie Geschwindigkeit, Walzkraft usw. nicht durchgängig gleich sind.

Für eine einheitliche Kontrolle und einer sich daraus ergebenden Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit wurde der Oberflächenrauheitssensor „SRM“ vom Centre for Research in Metallurgy (CRM), mit Sitz in Lüttich, Belgien, entwickelt und von der AMEPA GmbH für den industriellen Einsatz bei der Online-Messung von Rauheitskennwerten bei der Bandblechproduktion verwertet. Die Messung erfolgt entlang der gesamten Bandlänge. Hierbei kann der Sensor über die ganze Breite des Coils positioniert werden. So erhält man wertvolle Informationen zur Rauheitsverteilung über die Länge und Breite der Bänder. Das gewählte Messverfahren beruht auf dem Prinzip der Triangulation: Es wird eine sehr dünne Linie auf die Oberflächen projiziert, deren Relief dann durch die Analyse der Linienverformung ermittelt wird. Dieses Messprinzip kommt der Referenzmessung mit dem mechanischen Messtaster näher als alle anderen optischen Messgeräte und führt zu einer Korrelation zwischen SRM und Messtaster, welche im Bereich von +/-10 % liegt.

Die sofortige Verfügbarkeit der Rauheitsdaten erlaubt direkte Korrekturen der Prozesskennwerte, wenn die Qualität der Oberflächenrauheit außerhalb des Toleranzbereiches liegt. Dies spart Kosten und vermeidet zeitaufwändige zweite Walzdurchgänge des Produkts.

Die optische Online-Rauheitsmessung gibt Aufschluss über Prozessverbesserungen bei einem erheblichen Anteil eines jeden Coils und erlaubt eine detailliertere oder vollständigere Dokumentation besonders bei dieser wichtigen Produkteigenschaft. Die Online-Messung kann nicht nur als hochselektive Produktionstoleranz genutzt werden, sondern auch als Tool für eine sehr viel präzisere Darstellung von Veränderungen der Texturierwalzen.

Beim Prinzip der Lichtlinienprojektion wird auf die Oberfläche eine Laserlinie projiziert, welche dann durch die Oberflächentopografie verzerrt wird. Nun erfolgt eine Mikroskopaufnahme, anhand welcher das Oberflächenprofil berechnet wird. Der Anwender erhält nicht nur die Rauheitskennwerte. Er sieht zudem direkt eine Online-Darstellung des Mikrogefüges seines Produkts. Dies hilft bei der Kontrolle des Walzprozesses und bei der Optimierung der Oberflächentopografie.

Die beispielhaften Darstellungen in Bild 1 zeigen unterschiedliche Oberflächen mit verschiedenen Texturen, die unterschiedliche Rauheitswerte ergeben, jedoch auch zu Unterschieden beim Ölrückhalt für die Schmierung während des Transports und beim Tiefziehen führen. Auch das tribologische Verhalten und die Lackierbarkeit verändern sich. Die Linie in der Mitte der Darstellungen ist die projizierte Laserlinie, mit deren Hilfe das System die Rauheitskennwerte wie bei einem Messtastersystem berechnen kann. Im Hintergrund der Darstellung sieht man die Verteilung, Dichte und Form der Texturierungen, die zur Erzielung des gewünschten technischen Verhaltens der Oberflächen genutzt werden. Das im EDT-Verfahren texturierte Aluminiumblech in a) besteht aus weit offenen Strukturen mit niedriger Rauheit, wenigen Rauheitsspitzen und einem nur begrenzten Ölrückhalt; b) zeigt eine EDT-Textur mit hoher Rauheit und hohen Rauheitsspitzen und zudem geschlossene Strukturen, durch die die Oberfläche dann auch während des Tiefziehens mehr Schmiermittel aufnehmen und in Position halten kann; c) zeigt als weiteres Beispiel die typische pressblanke Struktur für das Verpacken.

a)

b)

c)

Bild 1: Beispieldarstellung verschiedener Oberflächen

a) Aluminium EDT (Ra=0,75 µm, RPc=47 cm-1)
b) Aluminium EDT (Ra=1,10 µm, RPc=75 cm-1)
c) Aluminium pressblank (Ra=0,41 µm)

Der SRM-Sensor (vgl. Bild 2) wird in verschiedenen Fertigungslinien eingebaut, die die gesamte Palette der heutigen hergestellten Aluminium- und Stahlblechprodukte abdecken: Durchlaufglühstraßen, Galvanisierstraßen (hoch reflektierende Oberfläche), aber auch bei niedrig reflektierenden, absorbierenden Oberflächen wie elektrolytisch oder galvanisch verzinkten Oberflächen, die mit anderen optischen Systemen nur schwer vermessen werden können. Ebenso beschichtete, unbeschichtete, Random (z.B. EDT) und deterministische (z.B. EBT, lasertexturierte) Oberflächen werden in Betracht gezogen.

Bild 2: SRM-Installation in der Fertigungslinie

Als Ergänzung der Kundenanforderungen in Bezug auf die Eigenschaften von Stahlblech und Prozesssteuerung bietet die AMEPA GmbH zudem eine Vorrichtung zur online durchgeführten Ölfilmmessung an. Das Funktionsprinzip der OFM Messvorrichtung beruht auf der diffusen Reflexionsspektroskopie. Bei der Messung wird die Oberfläche mit speziellen Lampen angestrahlt. Das Licht durchdringt die Ölschicht auf dem Blech, wird von Blechgrund reflektiert und passiert die Ölschicht ein zweites Mal. Ein Teil des reflektierten Lichts wird vom AMEPA-OFM Sensor erfasst und untersucht.

Bei Einsatz dieser Methode ist kein weiteres Hilfsmittel notwendig. Die Messung kann unabhängig vom Anlagenbetrieb am Installationsort erfolgen. Der Messbereich des Systems umfasst Ölschichten von 0,1 bis 5 g/m² Oberflächengewicht. Mineralöle werden normalerweise in der Metallblechindustrie oder in Presswerken als Korrosionsschutz- oder Vorformöl eingesetzt. Diese Schmierstoffe weisen ein enges Spektrum auf, in welchem UV-Licht stark absorbiert wird. Diese Lichtreduzierung wird vom OFM System, das als an der Fertigungsstraße installiertes System, als tragbares OFIS-Handgerät oder als online-Variante erhältlich ist, erfasst und bestimmt.

Neben dem Einsatz in Fertigungslinien führen deutsche Automobilhersteller mit dem Amepa Rauheits- und Ölfilmmesssystem auch Messungen an Aluminium- und Stahlrohlingen durch, um ihre Effizienz und Qualität zu verbessern und Fehlerdiagnosen durchzuführen. Zudem sind derzeit in Europa eine Vielzahl von Sensorarten von AMEPA bei allen wichtigen Qualitätsstahlherstellern im täglichen Produktionseinsatz (so z.B. bei ArcelorMittal SA, thyssenkrupp Steel Europe AG, Salzgitter Flachstahl GmbH, voestalpine AG und in anderen Fertigungsstraßen). Einige Systeme sind in China im Einsatz, z.B. bei Shougang Cold Rolling Co., Ltd. und der Shagang Group in deren kontinuierlichen Feuerverzinkungsstraßen und Durchlaufglühstraßen sowie in einem Dressierwalzwerk.

Wir danken unseren Kunden für das in unsere Technologie gesetzte Vertrauen und laden alle Interessierten ein, mehr über AMEPA GmbH und seine Produkte zu erfahren. Bitte besuchen Sie uns auf der „Aluminium 2018“, 09.-11. Oktober 2018, Stand Halle 9, Stand I35.