Hochpräzises Radar für die Stahlindustrie

Forschung Kompakt / 2.3.2015

Stahl ist der wichtigste Werkstoff im Fahrzeug- und Maschinenbau. Bei der Rohproduktion, etwa dem Walzen der Stahlbänder, entstehen großen Mengen an Verschnitt. Ein neues Radar von Fraunhofer-Forschern misst die Breite der Bänder während der Fertigung mikrometergenau und hilft, den Ausschuss zu minimieren.

Hochpräzises Radar Stahlindustrie Fraunhofer FHR
© Foto Fraunhofer FHR

Forscher des Fraunhofer FHR installieren das Radar in einem Bandwalzwerk in Eisenhüttenstadt.

Abstände präzise zu vermessen, ist in der Fertigungstechnik entscheidend – etwa bei der Rohproduktion von Stahl. In einem Stahlwerk werden täglich mehrere Tonnen des Werkstoffs verarbeitet. Glühend heiße, etwa 20 Zentimeter dicke Blöcke aus gegossenem Stahl werden zu dünnen, kilometerlangen Stahlbändern gewalzt und anschließend zu Rollen aufgewickelt. Mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 Metern pro Sekunde saust das Blech durch die Walzen. Bei diesem Vorgang geraten die Platten oftmals zu breit. Die überschüssigen Ränder müssen im Nachhinein abgeschnitten werden – das bedeutet einen hohen Materialverlust. Ein neues Millimeterwellenradar des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR in Wachtberg schafft hier Abhilfe. Im laufenden Betrieb misst es die Breite der Stahlbänder mit einer Genauigkeit von Mikrometern. Damit lässt sich die Walzanlage so regulieren, dass weniger Verschnitt entsteht und erheblich Kosten gespart werden können.

Zwei seitlich der Walzen angebrachte Radarsensoren messen den Abstand zur Stahlkante. Im Prinzip lässt sich das System mit dem Ortungsverfahren der Fledermaus vergleichen. Die Ultraschall-Laute, die Fledermäuse ausstoßen, werden von Mauern, Ästen, Drähten und Mücken echoartig zurückgeworfen. An diesen Echos hören die Säugetiere, was sich vor ihnen befindet und unterscheiden Beute von Hindernissen.

»Unser Radar sendet durchgehende elektromagnetische Signale aus, die von der rechten und linken Bandkante reflektiert werden. Sende- und Empfangssignal werden mithilfe numerischer Algorithmen miteinander verglichen. Anhand dieses Vergleichs lässt sich die Breite des Blechs berechnen«, erläutert Prof. Dr. Nils Pohl, Wissenschaftler und Abteilungsleiter am FHR, die Funktionsweise des Systems. Das Radar, das Abstände bis zu mehreren Metern mit einer Präzision von nur einem Mikrometer erfasst, mißt zudem sehr schnell: pro Sekunde 5000 Mal. Eigens entwickelte Siliziumchips ermöglichen diese Werte.

System arbeitet zuverlässig bei Nebel, Staub und Rauch

Ein weiterer Vorteil: Das System funktioniert selbst bei widrigen Umweltbedingungen wie Staub, Hitze, Wasserdampf und Nebel. »Die heißen Stahlbänder müssen beim Walzen mit Wasser gekühlt werden. Dabei bildet sich vor allem im Winter starker Wasserdampf. Laser und Kameras messen zwar auch sehr genau, sie eignen sich aber nicht für den Einsatz in Umgebungen mit hoher Feuchtigkeit und schwankenden Lichtverhältnissen. Radarsignale hingegen durchdringen auch Staub und Nebel sehr gut«, sagt Pohl.

Aufgrund seiner geringen Sendeleistung, die unter der eines Mobilfunktelefons liegt, lässt sich das Radar in jeder Umgebung ohne weitere Sicherheitsanforderungen betreiben. Da die Sensoren seitlich der Walzen angebracht werden, lässt sich das System problemlos in bestehende Anlagen integrieren. Derzeit läuft es deutschlandweit in drei Stahlwerken im Testbetrieb.

Künftig soll das Hochfrequenzradar, das mit elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich ab 30 GHz arbeitet, in Serie gefertigt werden. Dabei beschränkt sich das Einsatzgebiet nicht nur auf die Stahlindustrie: Auch die Kunststoffbranche könnte von dem Präzisionswerkzeug profitieren – etwa um die Dicke von Rohren zu vermessen. Die Möglichkeiten und die Funktionsweise des Systems werden die Wachtberger Forscher am 5. und 6. Mai auf einem Workshop zum Themenkomplex Millimeterwellenradar am Fraunhofer FHR präsentieren.