Inline-Überwachung von Kaltumformprozessen mittels Vibrationssensoren

Den schweren Metallarbeiten lauschen

Wenn Sie eine Schraube an einem Fahrrad anziehen oder eine Brücke zusammengesetzt wird, wurden viele dieser robusten Metallteile in Sekundenbruchteilen von kräftigen Pressen geformt. Sicherzustellen, dass jedes dieser Teile präzise und sicher ist, ist entscheidend, aber eine ständige Überprüfung ist aufwändig und teuer. Diese Studie zeigt, wie das einfache „Zuhören“ der Vibrationen einer Schmiedepresse in Echtzeit verraten kann, ob die Maschine gesund ist und die hergestellten Teile innerhalb der Toleranzen liegen — ohne Löcher für neue Sensoren zu bohren oder teure Werkzeuge neu zu gestalten.

Wie Metallteile in Form gepresst werden

Kaltumformung ist ein Verfahren, bei dem Metall bei Raumtemperatur unter Einsatz gewaltiger Kräfte geformt wird. Es wird breit eingesetzt für kleine bis mittelgroße Teile, etwa Schrauben oder Bolzen, die in großer Stückzahl und hoher Geschwindigkeit gefertigt werden. In dem hier untersuchten Prozess werden glatte Metallzylinder in zwei Schritten in schraubenartige Teile verwandelt: Zuerst wird der Stab vorwärts verdrängt, dann wird sein Kopf aufgetrieben bzw. verdickt. Diese Vorgänge finden in hochbeanspruchten Matrizen statt, die extrem steif und präzise bleiben müssen. Traditionell bedeutet das Einbauen von Sensoren in solche Werkzeuge das Nachbearbeiten mit zusätzlichen Kavitäten oder Kanälen, was sie schwächen kann — etwas, das Hersteller angesichts der bereits enormen Innendrücke vermeiden möchten.

Eine einfache Methode, sich kluge Ohren anzubringen

Statt die Werkzeuge zu modifizieren, verfolgten die Forscher eine schlankere Idee: Vibrationssensoren an vorhandene, bereits für Handhabung und Transport vorhandene Gewindebohrungen der Presse und der Werkzeuge zu schrauben. Sie setzten kompakte mikroelektromechanische (MEMS) Vibrationssensoren ein, von denen jeder eine winzige aufgehängte Masse enthält, deren Bewegung in ein messbares elektrisches Signal übersetzt wird. Mit Hilfe eines schraubenförmigen Adapters wurden fünf Sensoren an verschiedenen Stellen von Ober- und Unterwerkzeug angebracht, jeweils horizontal und vertikal ausgerichtet. Das Team führte anschließend mehr als 1.200 Schmiedehübe bei variierenden Geschwindigkeiten und Stempelpositionen durch, während es gleichzeitig die Höhe jedes Teilkopfes und die Temperatur im Werkzeug maß.

Vibrationen offenbaren den Rhythmus der Presse

Indem sie einen einzelnen Hub detailliert betrachteten, konnten die Forscher Teile des Vibrationssignals mit Schlüsselmomenten der Pressenbewegung in Übereinstimmung bringen. Während der Kolben sich gleichmäßig nach unten bewegte, bevor er Kontakt hatte, blieben die Vibrationen gering. Sobald das Metallstück in den beiden Formstufen zusammengedrückt wurde, stieg das Signal scharf an und beruhigte sich wieder, als der Kolben seinen tiefsten Punkt erreichte. Als der Pressenrahmen zurücksprang und der Kolben nach oben beschleunigte, trat ein weiteres deutliches Vibrationsmuster auf. Sensoren an der Vorderseite des Oberwerkzeugs, insbesondere solche, die vertikale Bewegungen maßen, zeigten die größten und klarsten Signale. Dies demonstrierte, dass einfache aufgeschraubte Sensoren nicht nur das allgemeine Verhalten der Presse erfassen können, sondern auch die Details dessen, was Werkzeug und Werkstück im Inneren erleben.

Vibrationen, Form und Wärme miteinander verknüpfen

Über den gesamten Produktionslauf veränderten sich die Vibrationsmesswerte entsprechend der Hubfrequenz: höhere Geschwindigkeiten führten zu stärkeren Vibrationen. Innerhalb jedes Geschwindigkeitsbereichs stimmten kleinere Schwankungen in den Signalen mit gezielten Änderungen der Stempelposition überein, die die Höhe der Teilköpfe beeinflussten. Das Team verwendete ein unüberwachtes Clustering-Verfahren, um kombinierte Vibrations- und Qualitätsdaten zu gruppieren, und zeigte, dass sich unterschiedliche Bänder von Vibrationswerten ohne vorherige Beschriftung verschiedenen Qualitätsstufen und Geschwindigkeiten zuordnen ließen. An einigen Sensorpositionen war der Zusammenhang zwischen Vibrationsstärke und Teilkopf-Höhe fast linear. Gleichzeitig zeigten Messungen der Matrizen-Temperatur, dass sich bei formbedingten Änderungen, die Vibration und Teilhöhe beeinflussten, auch die Wärmeakkumulation im Werkzeug änderte.

Was das für alltägliche Metallteile bedeutet

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass sorgfältig platzierte externe Vibrationssensoren sowohl das Verhalten der Schmiedepresse als auch die Qualität der produzierten Teile zuverlässig überwachen können, ohne die Werkzeuge neu zu entwerfen oder zu schwächen. Indem man einfach beobachtet, ob die Vibrationsamplituden innerhalb eines gesunden Bereichs bleiben, könnten Fabriken Probleme wie Geschwindigkeitsänderungen oder driftende Baumaße frühzeitig erkennen, bevor fehlerhafte Teile entstehen. In Zukunft könnte die Kombination dieser kompakten Sensoren mit intelligenten Regelungssystemen es Pressen ermöglichen, ihre Einstellungen automatisch zu korrigieren, sodass Millionen alltäglicher Metallkomponenten genau, langlebig und sicher bleiben und gleichzeitig Kosten und Abfall reduziert werden.

Zitation: Tchasse, P., Liewald, M. Inline monitoring of cold forging processes using vibration sensors. Sci Rep 16, 12583 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49219-2

Schlüsselwörter: Kaltumformung, Vibrationsüberwachung, Inline-Qualitätskontrolle, Metallumformung, industrielle Sensoren