3D Scanner
Biegungsmessung von Rohren
Wichtige Punkte im Überblick
- Der optische 3D-Scanner der Modellreihe VL ermöglicht berührungslose 360°-Scans für eine schnelle und präzise Messung von Rohrbiegungen.
- Das 360°-Scannen in einer einzigen Aufnahme macht ein Neupositionieren überflüssig, sodass Biegeradius und Biegewinkel in einem Durchgang einfach gemessen werden können.
- Der direkte Vergleich von Scans mit CAD-Daten ermöglicht die sofortige Visualisierung von Verformungen, Wanddickenreduzierungen und Fertigungsfehlern.
- Kompatibel mit einer Vielzahl komplexer Biegearten (einschließlich Ziehen, Pressen, Walzen und Strecken) bei Materialien wie Edelstahl, Kohlenstoffstahl, Legierungen, Aluminium und Kupfer.
Ein Rohr ist ein zylindrischer Hohlkörper aus unterschiedlichen Werkstoffen. Im Englischen werden Rohre, die zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt werden, als „Pipes“ bezeichnet. Werden sie hingegen für konstruktive Aufgaben, beispielsweise als Stütz-, Verbindungs- oder Führungselemente, verwendet, spricht man von „Tubes“.
Rohre werden so geformt, dass sie zu ihrem Verwendungszweck und ihrer Umgebung passen, was die Messung ihrer Geometrie sowohl anspruchsvoll als auch zeitaufwändig macht.
In diesem Artikel wird erklärt, wie die Abmessungen von gebogenen Rohren gemessen werden. Es werden die Grundlagen des Rohrbiegens, gängige Verarbeitungs- und Messmethoden, die Herausforderungen, die diese Methoden mit sich bringen sowie praktische Lösungen vorgestellt. Der 3D-Scanner der Modellreihe VL von KEYENCE bietet eine Lösung zur präzisen Erfassung und Messung von Biegegeometrien. Dadurch lassen sich die Einschränkungen herkömmlicher Messverfahren überwinden und selbst komplexe Geometrien zuverlässig erfassen.
Was sind Rohre, Stahlrohre und Rohrleitungen?
Ein Rohr ist allgemein ein hohler, länglicher Körper. Eine Rohrleitung hingegen bezeichnet eine Struktur, die aus Rohren (oder Schläuchen), Formstücken, Ventilen, Instrumenten, Schutzmaterialien und mehr besteht, die für den Transport von Flüssigkeiten oder Gasen erforderlich sind.
Arten von Metallrohren
Edelstahlrohr
Edelstahlrohre werden aus legiertem Stahl mit einem Chromgehalt von 10,5 % oder mehr hergestellt und gehören zu den am weitesten verbreiteten Stahlrohren. Ihre Beliebtheit beruht auf einer Kombination aus hoher Haltbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, relativ niedrigen Kosten und der Eignung für Anwendungen zur Gewichtsreduzierung.
Kohlenstoffstahlrohr
Ein Rohr, das hauptsächlich aus Kohlenstoffstahl, einer Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, besteht, wird als „Kohlenstoffstahlrohr“ bezeichnet. Darüber hinaus wird es je nach Kohlenstoffgehalt als kohlenstoffarmer, kohlenstoffmittlerer oder kohlenstoffreicher Stahl klassifiziert.
Legiertes Stahlrohr
Ein legiertes Stahlrohr ist ein Rohr aus Kohlenstoffstahl, der mit Elementen wie Chrom, Nickel oder Molybdän legiert ist. Diese Rohre werden häufig in Rohrleitungssystemen für Wärmetauscher und Heizöfen verwendet.
Aluminiumrohr
Ein Aluminiumrohr ist ein leichtes, korrosionsbeständiges Rohr aus Aluminium. Da reines Aluminium eine relativ geringe Festigkeit aufweist, werden in der Regel Legierungen wie Duraluminium hinzugefügt. Aluminiumrohre werden hauptsächlich in Wärmetauscherrohren und in Schiffsanwendungen eingesetzt.
Kupferrohr
Kupferrohre sind korrosionsbeständige Rohre, die gegen Wasser und Erdreich beständig sind. Die Festigkeit kann durch Legieren von Kupfer mit Elementen wie Zink, Zinn, Gold oder Silber erhöht werden. Aufgrund seiner natürlichen antimikrobiellen Eigenschaften eignet sich Kupfer für Kältemittel- und Luftleitungen in Klimaanlagen sowie für die Trinkwasserversorgung.
Was wird unter Rohrbiegen verstanden?
Biegen ist eine Technik der Metallbearbeitung. Bei Stahlrohren gibt es zwei Hauptverfahren: das Kaltbiegen und das Warmbiegen. Die Temperaturkontrolle ist entscheidend, da die Festigkeit und Sprödigkeit von Stahl von der Temperatur abhängen.
Kaltbiegen
Das Verfahren zum Biegen von Stahl bei Temperaturen von Raumtemperatur bis zu 720 °C wird als „Kaltbiegen“ bezeichnet. Zu den Techniken gehören das Ziehbiegen und das Walzbiegen, bei denen spezielle Maschinen Druck ausüben, um das Material in die gewünschte Form zu bringen.
Warmbiegen
Beim Warmbiegen wird Stahl auf einen Bereich von 800 °C bis 900 °C erhitzt. Da das Warmbiegen weniger Kraft als das Kaltbiegen erfordert, ermöglicht es größere Verformungen, engere Radien und spitzere Winkel.
Flammbiegen
Flammbiegen ist ein Verfahren, bei dem Stahl durch Ausnutzung der Wärmeausdehnung und -kontraktion gebogen wird. Der Bereich wird erhitzt und dann schnell abgekühlt, was eine Kontraktion bewirkt, die die Biegung erzeugt. Dieses Verfahren ermöglicht ein hochpräzises Biegen auch bei großen Werkstücken.
Arten von Biegeverfahren
Zu den Verfahren zum Biegen von Metallrohren gehören hauptsächlich das „Ziehbiegen“ mit einer Rohrbiegemaschine und das „Walzbiegen“, bei dem drei Walzen verwendet werden.
Ziehbiegen
Das Ziehbiegen ist ein vielseitiges Rohrbiegeverfahren, das für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist. Es können präzise Biegungen sowohl in dick- als auch in dünnwandigen Rohren erzeugt werden, einschließlich extrem kleiner Radien von etwa dem 1,0- bis 1,5-fachen des Rohrdurchmessers. Bei dem spezifischen Verarbeitungsverfahren wird das Rohr mit einer Klemmbacke auf einer rotierenden Biegeform fixiert und gebogen.
Druckbiegen
Das Druckbiegen ist ein Rohrbiegeverfahren, das ohne Dorn auskommt und nur einen geringen Werkzeug- und Geräteaufwand erfordert. Dadurch ist das Verfahren wirtschaftlich und flexibel einsetzbar. Es eignet sich insbesondere für das Biegen beider Rohrenden sowie für die Herstellung komplexer Biegeformen, wie beispielsweise Serpentinenbiegungen.
Pressbiegen
Beim Pressbiegen wird ein Stößel oder Zylinder verwendet, um ein Rohr in eine Biegung zu pressen. Es wird typischerweise für relativ dünnwandige Rohre und für Biegungen mit großen Radien verwendet. Obwohl es sich gut für die Massenproduktion eignet, wird beim Pressbiegen der Durchsatz über die Qualität gestellt.
Walzbiegen (3-Walzen-Biegen)
Beim Walzbiegen (manchmal auch als „variables Biegen“ bezeichnet) werden drei angetriebene Walzen verwendet, um ein Rohr zu einem Bogen zu formen. Da die erforderlichen Werkzeuge einfach herzustellen sind, eignet sich dieses Verfahren gut zum Rundbiegen. Es erreicht jedoch nicht die gleiche Präzision wie das Ziehbiegen und ist ungeeignet für die Herstellung aufeinanderfolgender Biegungen an zwei oder mehr Stellen.
Streckbiegen
Das Streckbiegen ist ein Verfahren, das sich zur Herstellung komplexer R-förmiger Profile eignet. Es eignet sich gut für relativ große Radien und unregelmäßige Biegungen und wird nicht nur für Rohre, sondern auch für rollgeformte Produkte und Aluminium-Fensterflügelkomponenten verwendet.
Was sind Biegeradius und Biegewinkel?
Der Biegeradius (R) ist der Abstand vom Biegepunkt zum Mittelpunkt der Kurve, wenn ein Blech, Rohr oder Stab geformt wird. Materialdicke und Durchmesser bestimmen einen kleinsten Biegeradius; ein Biegen über diese Grenze hinaus kann zu Rissen führen, daher muss ein geeigneter Radius gewählt werden.
In ähnlicher Weise ist der Biegewinkel der Winkel, der an der Stegfläche gebildet wird, die während L- oder U-Biegungen von der Auflage gehalten wird.
Vorsichtsmaßnahmen beim Rohrbiegen
Wie schwer ein Rohr zu biegen ist, hängt von der Wanddicke, dem Durchmesser, der Länge und dem Material ab. Große oder dickwandige Rohre und enge Radien erhöhen das Risiko von Rissbildung, daher sollte für jede Größe und Stahlsorte ein Mindestbiegeradius festgelegt werden.
Berechnung der gestreckten Länge für das Rohrbiegen
Beim Rohrbiegen sollten Simulationen durchgeführt werden, um zu bestätigen, dass die Biegung stabil hergestellt werden kann. Diese Simulationen sollten eine Berechnung der gestreckten Länge verwenden: Die gestreckte Länge der Biegung wird aus dem Abstand zwischen dem Biegezentrum und der neutralen Faser des Rohres ermittelt.
a: Abstand vom Biegeradius zur neutralen Faser
b: Biegeradius
c: Neutrale Faser des gebogenen Abschnitts
Für die geraden Abschnitte A und B gibt es keine Veränderung durch das Biegen, daher werden die ursprünglichen Abmessungen verwendet. Die Verschiebungsrate der neutralen Faser für den gebogenen Abschnitt (λ, Lambda) variiert mit der Materialdicke, der Härte, dem Biegewinkel und dem inneren Biegeradius, liegt aber im Allgemeinen bei etwa 20–45 % der Rohwanddicke. Da verschiedene Stähle unterschiedliche Mindestbiegeradien tolerieren, ist es relevant, einen Radius zu wählen, der keine Rissbildung verursacht, zu prüfen, ob das Teil tatsächlich wie gezeichnet gebogen werden kann sowie den richtigen Stahl auszuwählen.
L ＝A + B + ( R + T × λ ) × 2п × θ / 360
L: gestreckte Länge
A・B: Längen der Abschnitte ohne Biegespannung
R: innerer Biegeradius
T: Platten- (Wand-)Dicke
θ: Biegewinkel
λ: Verschiebungsrate der neutralen Faser (%) *Es wird ein empirischer Wert verwendet.
Herausforderungen von herkömmlichen Messungverfahren von Rohrbiegungen
Unabhängig vom verwendeten Rohrbiegeverfahren ist es schwierig, Fehler vollständig zu vermeiden. Risse, Absplitterungen und Formfehler durch Rückfederung können die Ausbeute verringern und zu Problemen mit der Produktqualität oder zu Schäden führen. Aus diesem Grund ist in allen Produktionsschritten eine präzise geometrische Prüfung erforderlich.
Herausforderungen bei der Messung mit Messschiebern
Handmessmittel wie Messschieber können Dicken und Abmessungen an Stellen messen, an denen sie physisch angesetzt werden können, aber sie können einige Stellen, wie z. B. gebogene Abschnitte eines Rohres, nicht erreichen.
Herausforderungen bei der Messung mit einem Profilprojektor
Profilprojektoren werden häufig zur Messung von Rohrbiegeprofilen verwendet: Das Werkstück wird auf einen Messtisch gelegt und von unten beleuchtet, um seine Kontur auf einen Bildschirm zu projizieren. Das Bauteil muss bei der Befestigung sorgfältig ausgerichtet werden, und die Messergebnisse können je nach Positionierung der Probe variieren, sodass die Vorbereitung zeitaufwändig ist und einige Formen nicht gemessen werden können. Bei Rohren mit dreidimensionalen Biegungen muss die Einrichtung für jede Messstelle geändert werden. Außerdem ist die Größe des Bauteils entscheidend, da sie möglicherweise nicht auf den Messtisch passen. Darüber hinaus liefert der Profilprojektor keine direkten numerischen Vergleichswerte zur Zeichnung. In einigen Fällen müssen Profile manuell auf Papier übertragen werden, was die Dokumentation und den Vergleich der Messergebnisse erschwert.
Lösungen für Herausforderungen mit herkömmlichen Messverfahren
Herkömmliche Methoden zur Messung gebogener Rohre haben Schwierigkeiten mit dreidimensionalen Geometrien, was die Messungen langsam und inkonsistent macht. Der optische 3D-Scanner der Modellreihe VL von KEYENCE löst diese Herausforderungen Das System führt einen 360°-Scan eines Rohres in nur wenigen Augenblicken durch und erfasst komplexe 3D-Formen mit hoher Genauigkeit. Das System misst die Abmessungen von Rohrbiegungen präzise, eliminiert benutzerabhängige Schwankungen und verkürzt die Prüfzeit.
Vorteil 1: Einfache Messung von Biegeabmessungen unabhängig von der Platzierung
Der optische 3D-Scanner der Modellreihe VL von KEYENCE vereinfacht die Messung von 3D-Formen wie gebogenen Rohren. Ein XYZ-Koordinatensystem kann definiert und Messungen relativ zu diesem System durchgeführt werden. Im Gegensatz zu Profilprojektor-Methoden, bei denen das Bauteil für jede Messung neu positioniert werden muss, erfasst die Modellreihe VL das gesamte Bauteil auf einmal und ermöglicht dadurch flexible Messungen durch Ändern der Koordinatenachsen.
Vorteil 2: Messung komplexer gebogener Rohre
Der 3D-Scanner der Modellreihe VL von KEYENCE erfasst die gesamte Bauteilgeometrie in einem einzigen Scan und ermöglicht dadurch die schnelle Vermessung komplexer Formen. Anhand definierter Messpunkte können XY-Maße automatisch ermittelt und direkt mit CAD-Daten verglichen werden. Dies ermöglicht eine zuverlässige Erkennung von Abweichungen sowie einer schnellen i.O/n.i.O-Bewertung der Bauteile.
Präzise Messung von Rohrbiegungen in kurzer Zeit
Mit dem optischen 3D-Scanner der Modellreihe VL von KEYENCE können die Abmessungen von Rohrbiegungen einfach, schnell und präzise gemessen werden, ohne die Probe wiederholt neu auszurichten, Profile von Hand nachzuzeichnen oder Messungen manuell mit Zeichnungen zu vergleichen.
- Es wird ein vollständiger 360°-Scan erfasst, sodass Sie das Bauteil nicht für jede Messung neu positionieren müssen.
- Ein vollständiger 360°-Scan kann in wenigen Augenblicken abgeschlossen werden, was die Prüfzeit erheblich reduziert.
- Sie können ein XYZ-Koordinatensystem frei auf dem Scan definieren, was Messungen an jeder beliebigen Stelle ermöglicht, selbst bei komplexen Formen.
- Scans liefern direkte numerische Messwerte für jedes Merkmal und ermöglichen schnelle Vergleiche mit CAD-Daten.
Messungen, die früher zeit- und arbeitsaufwendig waren, können mit dem optischen 3D-Scanner der Modellreihe VL von KEYENCE in einem einzigen Scan durchgeführt werden. Da die erforderlichen Abmessungen aus dem Scan leicht zugänglich sind, benötigen Prüfungen weitaus weniger Zeit und die allgemeine Arbeitseffizienz wird erheblich verbessert.
