Quelle: BTU Cottbus-Senftenberg; Fachgebiete Hybride Fertigung und Elektronische Systeme und Sensorik
Beim Warmschmieden wirken gewaltige Kräfte: Mehrere Meganewton pressen glühende Metallrohlinge in die Gesenke. Dabei verformt sich nicht nur das Bauteil, sondern auch die Maschine selbst. Das führt zu schiefen Werkzeuglagen, ungleichmäßigem Grat und erhöhtem Verschleiß – Probleme, die in der Praxis oft erst am fertigen Teil sichtbar werden. Ein Forschungsteam der BTU Cottbus-Senftenberg hat deshalb Radarsensoren an einer Schraubspindelpresse eingesetzt. Die Sensoren messen Stößelverkippung und Gestelldehnung berührungslos – sogar unter Hitze, Zunder und Vibrationen.
Wenn die Presse selbst nachgibt
In der Umformtechnik steigt der Automatisierungsgrad stetig – gleichzeitig werden Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Schmiedestücke immer wichtiger. Trotzdem wird ein entscheidender Faktor in der Praxis oft unterschätzt: die elastische Verformung der Presse.
Bei energiegebundenen Umformmaschinen wie Schraubspindelpressen fließt ein Teil der Schlagenergie zunächst in das Gestell, den Stößel und die Führungen. Die Wirkflächen von Ober- und Untergesenk verschieben sich gegeneinander, kippen leicht oder verdrehen sich. Hinzu kommen Temperaturunterschiede und Schwingungen im Prozess. Das Ergebnis: Maßabweichungen, Unterfüllungen, ungleichmäßiger Grat – und eine geringere Standzeit der Werkzeuge.
Bislang wurden Pressensteifigkeit und Verformungen vor allem über aufwändige Versuchsreihen, Finite-Elemente-Simulationen oder optische Messsysteme untersucht. Diese sind jedoch im rauen Schmiedebetrieb schwer dauerhaft einsetzbar. Genau hier setzt die Radartechnik an.
Radar als „Hochgeschwindigkeits-Maßband“
Radarsensoren senden elektromagnetische Wellen aus und analysieren das reflektierte Echo. Aus Phasenverschiebung und Laufzeit lassen sich Abstände und ihre Änderungen mit sehr hoher Auflösung berechnen – bis hinunter in den Mikrometerbereich. Ursprünglich aus der Automobiltechnik getrieben, stehen heute kompakte, kostengünstige Radar-Systems-on-Chip zur Verfügung, die sich direkt in Maschinen integrieren lassen.
Quelle: BTU Cottbus-Senftenberg; Fachgebiete Hybride Fertigung und Elektronische Systeme und Sensorik
Im Vergleich zu taktilen oder optischen Systemen haben sie entscheidende Vorteile:
- berührungslos und verschleißfrei,
- robust gegenüber Hitze, Staub und Vibration,
- kompakt und vollständig einkapselbar.
Für die untersuchte Schraubspindelpresse kamen fünf 122-GHz-Radarsensoren zum Einsatz. Diese wurden so angeordnet, dass die Sensoren die räumliche Position des Stößels sowie die Dehnung des Gestells während des Schmiedens messen konnten. Eine eingebettete, intelligente Datenerfassungs- und Verarbeitungsplattform pro Radarsensor erfasste die Rohsignale, die anschließend ausgewertet, mit den Signalen der anderen Sensoren fusioniert und mit einem elastischen Feder-Modell der Presse verknüpft wurden.
Vom Rohling zum Schmiedeteil – der Versuchsaufbau
Als Demonstrator diente ein „Oil-Feed“-Bauteil aus der Aluminiumlegierung EN AW-6060. Damit das Teil im Labor-Schmiedebetrieb sicher herstellbar ist, wurde das ursprüngliche Labormuster leicht modifiziert, etwa durch verstärkte Flanschbereiche und angepasste Übergänge. Bild 1 zeigt Labormuster, Schmiedeteil und Gesenkgeometrie.
Die Versuche wurden auf einer Schraubspindelpresse mit 6,3 MN Nennkraft und bis zu 14 kJ Schlagenergie durchgeführt. Jeder Rohling wurde dreifach geschlagen, mit einer Sekunde Pause zwischen den Schlägen.
Der Clou der Studie: Die Forschenden variierten systematisch die Lage des erhitzten Rohlings um bis zu ±20 mm quer zur Gesenksymmetrie. So ließen sich Unterfüllungen, Gratbildung und die daraus resultierenden Kippmomente auf die Werkzeuge gezielt provozieren und mit der Pressenverformung verknüpfen.
Was die Messungen zeigen
Zunächst die gute Nachricht für Praktiker: Die gemessenen Schmiedekräfte hängen kaum von der exakten Rohlingslage ab. Im Versuch lagen die Kräfte im ersten Schlag bei etwa 1,1 MN, im zweiten bei rund 3,9 MN und im dritten bei etwa 6,3 MN
Entscheidend anders sieht es beim Kippmoment aus. Schon ein Versatz des Rohlings um ±10 mm erzeugt Momente von rund 50 kNm, bei ±20 mm steigt der Wert auf bis zu 100 kNm. Bei ideal zentrierter Lage liegt das Kippmoment dagegen nur bei wenigen kNm und fällt gegen Ende des Hubs nahezu auf Null – dann ist der Gravurbereich gleichmäßig gefüllt und der Grat symmetrisch.
Die Radarsensoren machen diese Effekte direkt sichtbar:
- Das Gestell schwingt nach jedem Schlag mit Amplituden von 0,1 bis 0,18 mm.
- Die vordere und hintere Stößelseite erreichen im unteren Totpunkt nicht dieselbe Position – die Differenz wächst von 0,38 mm im ersten Schlag auf 0,67 mm im dritten Schlag.
Mit einem einfachen Feder-Modell lässt sich daraus die effektive Steifigkeit des Gestells bestimmen. Praktisch bedeutet das: Bereits kleine Fehlpositionierungen des Rohlings führen zu messbaren Verformungen der Presse. Diese schlagen sich in Unterfüllungen, unsymmetrischer Gratbildung und erhöhtem Verschleiß der Führungen nieder – lange bevor ein Totalausfall auftritt.
Auf dem Weg zum datengetriebenen Schmiedeprozess
Die Studie zeigt, dass Radarsensoren nicht nur für Laboraufbauten taugen, sondern direkt an Produktionspressen eingesetzt werden können. Sie liefern hochaufgelöste Daten zur Presskinematik auch unter den extremen Bedingungen des Gesenkschmiedens.
Im DFG-Projekt „DatProForge“ wird dieser Ansatz weitergeführt: Ziel ist es, aus Mustern in den Messdaten Rückschlüsse auf Werkzeuggeometrie, Prozesszustände und Produktqualität zu ziehen – und damit adaptiv gestaltete Werkzeuge und Prozessfenster zu entwickeln. Langfristig könnten Pressen so „lernen“, sich selbst zu überwachen: Abweichende Schwingungsmuster würden frühzeitig auf Fehlstellungen, Verschleiß oder falsche Rohlingslage hinweisen, bevor Schlechtteile entstehen.
Fazit / Ausblick
Radarsensoren eröffnen neue Möglichkeiten für die Zustandsüberwachung von Schmiedepressen. Sie messen Stößelverkippung und Gestelldehnung berührungslos und mit hoher Auflösung – selbst bei Hitze, Zunder und Vibrationen. In Verbindung mit FEM-Simulationen und datengetriebenen Auswertealgorithmen entsteht so die Grundlage für adaptive, hochproduktive Gesenkschmiedeprozesse, bei denen Maschine, Werkzeug und Prozess erstmals als Gesamtsystem betrachtet werden.
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Über den Autor
Bildquelle: BTU Cottbus-Senftenberg; Fachgebiete Hybride Fertigung und Elektronische Systeme und Sensorik
Prof. Dr. Sebastian Härtel steht für moderne Fertigungstechnik mit Schwerpunkt auf numerischer Prozesssimulation. Von 2014 bis 2021 verantwortete er an der TU Chemnitz den Forschungsbereich für alternative Fertigungstechnologien im Umfeld der Professur Virtuelle Fertigungstechnik. Darüber hinaus leitet er seit 2017 das Steinbeis-Forschungszentrum für Fertigungs- und Werkstofftechnologie sowie das Steinbeis-Innovationszentrum für Fertigungsprozesse und Werkstoffanwendungen. Im Jahr 2021 übernahm Prof. Härtel das Fachgebiet Hybride Fertigung am Institut für Verfahrenstechnik und Werkstoffe der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg.