DE102004041671A1

DE102004041671A1 - Überwachung von Spritzprozessen

Info

Publication number: DE102004041671A1
Application number: DE102004041671A
Authority: DE
Inventors: Peter Heinrich; Jochen Dr. Zierhut
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2006-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Qualität gespritzter Schichten, wobei mit einer digitalen Kamera (6) Bilder der fliegenden Teilchen oder Tröpfchen aufgenommen und dargestellt oder eventuell rechnerisch bearbeitet oder ausgewertet werden. Um ein solches Verfahren auch bei kalten Spritzstrahlen anwenden zu können, ist vorgesehen, dass die Gesamtheit oder Teile der Flugbahn der Teilchen oder Tröpfchen von einer Beleuchtungsquelle (10) beleuchtet werden, die digitale Kamera (6) auf den beleuchteten Messbereich (14) gerichtet ist und die Belichtungszeit so gewählt ist, dass ein Ensemble von Teilchen oder Tröpfchen abgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Spritzprozessen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Artikel "Correlations Between In-Flight Particle Concentrations and Coating Properties in Atmospheric Plasma Spraying of Alumina", Thermal Spray: Practical Solutions for Engineering Problems, C.C. Berndt (ed.), Published by ASM International, Materials Park, Ohio-USA, 1996, Seiten 525 – 530 ist es bekannt, Partikel mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufzunehmen und die Bilder darzustellen. Auf dem Bildschirm erscheinen dann die einzelnen Partikel als kleine verschwommene, durch ihre Fluggeschwindigkeit in die Länge gezogenen Ellipsen.

Die DE 198 20 195 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung einer Spritzschicht auf der Oberfläche eines Substrats, wobei ein an- oder aufgeschmolzener Zusatzwerkstoff unter Einsatz eines Gases auf die zu beschichtende Oberfläche eines Substrats geleitet wird. Mittels einer digitalen Kamera wird zumindest ein die Qualität der Spritzschicht beeinflussendes Merkmal des thermischen Spritzprozesses erfasst, kontrolliert und/oder überwacht. Als Digitalkamera kommen dabei sowohl digitale Bildkameras als auch digitale Videokameras zur Anwendung. Bei dem in der DE 198 20 195 A1 geschriebenen Verfahren handelt es sich um ein sog. Particle-Flux-Imaging (PFI) Verfahren. Dieses erlaubt eine in-situ Diagnostik von Plasmaspritzvorgängen.

Die DE 199 10 892 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren, bei dem dann aber die Bilder mittels rechnerischer Überarbeitung und/oder Verfremdung einem oder mehreren symmetrischen geometrischen Flächenkörpern zugeordnet werden. Die symmetrischen geometrischen Flächenkörper können anhand von für die jeweilige geometrische Form charakteristischen Merkmalen als Datensätze erfasst werden und über diese Datensätze kann die Qualitätsdiagnose erfolgen. Bevorzugt werden als symmetrische geometrische Flächenkörper Ellipsen eingesetzt. Die Erfindung gewährleistet die Qualitätssicherung über eine Diagnostik, welche auf verhältnismäßig geringen Datenmengen basiert ist.

Aus der DE 102 03 884 A1 ist eine spektroskopische Auswertung von Bilddaten fliegender Partikel bekannt.

Aus der EP 837 305 A1 ist ebenfalls die rechnerische Auswertung von Bildern fliegender Partikel bei Spritzprozessen bekannt.

Aus der DE 100 25 161 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von plasmagespritzten Schichten bekannt, bei dem eine Online-Kontrolle und Steuerung durchgeführt wird. Dabei wird mittels eines Laser-Doppler-Anemometers die Geschwindigkeit der Partikel ermittelt. Ebenso wird vorgeschlagen, mittels eines Hochgeschwindigkeitspyrometers die Partikeltemperatur zu erfassen. Weiterhin wird die Online-Kontrolle durch Ermittlung der Partikeltemperatur mittels Infrarot-Thermographie vorgeschlagen. Betrachtet werden dort stets einzelne Teilchen oder sehr kleine Messvolumina und deren Eigenschaften. Dies gelingt durch Verwendung von Belichtungszeiten in der Größenordnung von nsec.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Überwachungssystem für die Qualität gespritzter Schichten vorzuschlagen, welches auch beim Verspritzen kalter Teilchen oder Tröpfchen funktioniert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist eine Beleuchtung vorgesehen, die die Gesamtheit oder Teile der Flugbahn der Teilchen oder Tröpfchen beleuchtet. Gleichzeitig ist eine Kamera vorgesehen, die die beleuchteten Bereiche aufnimmt und davon digitale Bilder erstellt. Erfindungsgemäß werden durch die relativ lange Belichtungszeit nicht einzelne Partikel, sondern ein ganzer Schwarm oder ein Ensemble von Teilchen oder Tröpfchen aufgenommen und abgebildet. Dieses Bild wird dann dargestellt oder durch eine rechnerische Auswertung weiter verarbeitet. Stets werden die Eigenschaften einer Vielzahl von Teilchen oder Tröpfchen aufgenommen. Durch die längeren Belichtungszeiten gegenüber dem Stand der Technik werden so zeitliche und räumliche Mittelungen der. Eigenschaften der Teilchen gemessen. Das digitale Bild ist keine Abbildung einzelner Teilchen, sondern stets eine Abbildung eines fliegenden Schwarmes, der durch die Reflektion des Lichtes an vielen Teilchen über ein Stück ihres Flugweges hinweg erzeugt wurde.

Mit der erfindungsgemäßen Beleuchtung gelingt es, alle Partikel oder Tröpfchenstrahlen zu erfassen, insbesondere auch solche, die aufgrund ihrer niedrigen Temperatur nicht selbstleuchtend sind. Die bisher auf heiße Partikel beschränkten Verfahren – insbesondere der DE 198 20 195 oder der DE 199 10 892 – lassen sich so auch auf das Kaltgasspritzen oder auf Partikel mit Raumtemperatur – oder sogar auf kältere Partikel – ausweiten. Erfindungsgemäß ist stets eine Beleuchtung vorgesehen, die den Schwarm der Partikel oder Tröpfchen beleuchtet und eine Kamera, die auf diesen Bereich gerichtet ist, und die Bilder aufnimmt. Sie werden dann dargestellt oder in bevorzugten Ausführungen auch ausgewertet.

Als Beleuchtungsquellen können ein oder mehrere handelsübliche Beleuchtungen gewählt werden, wobei sich Laser besonders bewährt haben. Die Laserstrahlen können punkt-, linien- oder auch flächenförmig sein, wobei dazu ein breiterer Lichtstrahl oder ein aufgeweiteter Laserstrahl eingesetzt wird. Das Messvolumen sollte größer als 1 cm³ sein, wodurch sich eine Projektionsfläche ergibt, die im Bereich von 1 cm² liegt. Dieser Bereich wird von der Kamera aufgenommen. Bevorzugt ist eine linienförmige Beleuchtung, die quer durch den Spritzstrahl oder in einem schrägen Winkel durch den Spritzstrahl gelegt wird. Die Kamera nimmt dann, je nach Standort einen Punkt oder eine Linie auf. Anhand der Lage der Linie oder der Länge der Linie kann auf die Partikelgeschwindigkeit oder auf die Teilchendichte geschlossen werden. Als Lichtquellen bevorzugt sind Laser, die im Dauerstrichmodus arbeiten. Die Wellenlängen sind bevorzugt im optischen Bereich, also zwischen 400 und 800 nm, wobei jedoch auch Licht im Ultravioletten oder im Infrarot verwendet werden kann. Entscheidend ist, dass die Kamera im gleichen Wellenlängenbereich arbeitet.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind mehrere Beleuchtungsstrahlen vorgesehen, insbesondere zwei Beleuchtungsstrahlen, die den Partikel- oder Tröpfchenstrahl in unterschiedlicher Entfernung vom Düsenausgang beleuchten. Dadurch entstehen zwei oder mehrere Bilder, durch deren Vergleich wiederum auf Eigenschaften des fliegenden verspritzenden Mediums geschlossen werden kann.

Der oder die Beleuchtungsstrahlen können horizontal oder vertikal zum Spritzstrahl angebracht sein, wobei alle möglichen Winkel zwischen den Spritzstrahlen und den Beleuchtungsstrahlen sowie der Kamera möglich sind. Die Winkeleinstellungen der Kamera und der Strahlungsquelle zum Partikelstrahl sind im weiten Umfang frei wählbar, sie können im spitzen oder im stumpfen Winkel zueinander stehen, wobei jedoch vermieden werden sollte, dass die Kamera direkt in die Lichtquelle blickt. Alle anderen Anordnungen sind möglich, solange das von den Partikeln oder Tröpfchen reflektierte Licht die Kamera erreicht.

Die Erfindung lässt sich nicht nur beim Plasmaspritzen, beim thermischen Spritzen oder beim Kaltgasspritzen verwenden, sondern ist ebenso für andere Strahlprozesse (wie z.B. das Strahlen mit Sandpartikeln, mit Glaspartikeln, mit Korundpartikeln oder mit CO₂-Pelets) geeignet. Die Partikel oder Tröpfchen können Flüssigkeiten sein, Halbflüssigkeiten, Pasten, schmelzflüssiges Gut, Lösungen, Dispers ionen oder Suspensionen. Als partikelförmiges Gut können Pulver, Körner, Kerne, Fasern oder Späne verwendet werden. Die Überwachung von Lackierprozessen ist ebenso möglich wie die von Pulverbeschichtungsprozessen, da auch die kalten Partikel und Tröpfchen von der erfindungsgemäßen Beleuchtung "sichtbar" gemacht werden.

Die erzeugten digitalen Bilder können dargestellt werden und zeigen dem Fachmann bereits deutlich die Qualität der Spritzstrahlen. In einer bevorzugten Ausführung kann die von den Lichtquellen reflektierte oder absorbierte Strahlung auch als Signal erfasst werden und analog dem in der DE 199 10 892 A1 beschriebenen Verfahren mittels geometrischer Figuren ausgewertet werden. Den Bildern werden dann rechnerisch Ellipsen, Kreise, Dreiecke, Parallelogramme oder ähnliche geometrische Figuren eingesetzt und diese Figuren automatisch ausgewertet. In den Bildern kann mittels rechnerischer Überarbeitung und/oder Verfremdung mindestens ein Bereich gleicher Intensität und/oder mindestens ein Bereich innerhalb eines bestimmten Intensitätsintervalls einem oder mehreren symmetrischen geometrischen Flächenkörpern zugeordnet werden. Dabei werden der oder die symmetrischen geometrischen Flächenkörper anhand von für die jeweilige geometrische Form charakteristischen Merkmalen als Datensatz oder Datensätze erfasst. Über diese Datensatz oder über diese Datensätze kann zumindest ein die Qualität der Spritzschicht beeinflussendes Merkmal des Spritzprozessen kontrolliert und/oder überwacht werden.

Als Ergebnisgrößen können auch hier die Position der geometrischen Figur sowie ihre Kenngrößen, wie die Halbachsenlängen, die Seiten- oder Kantenlängen, die Durchmesser und ähnliche Maße ermittelt, berechnet, angezeigt oder anderweitig ausgewertet werden.

Prozessveränderungen im gespritzten Strahl werden durch die resultierenden Formveränderungen der einbeschriebenen geometrischen Figuren automatisch sichtbar.

Die Belichtungszeiten der Einzelbilder können je nach Beleuchtungsquelle von 0,5 ms bis zu einigen Sekunden, bevorzugt im Bereich von 0,5 ms bis 2 s reichen, wobei sich durch die relativ lange Belichtungszeit ein hoher Integrationsfaktor sowohl über die Zeit als auch über den Raum ergibt. Ausgenommen sind Hochgeschwindigkeitsfotos, die im Bereich von 3 bis 5 μs oder kürzer liegen, da diese nur einzelne Partikel zeigen, nicht aber die Gesamtheit des Schwarmes.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt eine Spritzpistole oder eine Strahlquelle 2, die aus ihrer Düse einen Spritzstrahl 4 von Teilchen oder Tröpfchen auf ein nicht gezeigtes Substrat spritzt. Diese Anordnung entspricht einer handelsüblichen Anlage zum thermischen Spritzen, zum Kaltgasspritzen, zum Lackieren oder zum Pulverbeschichten. Um nun die erfindungsgemäßen Qualitätskontrollen durchführen zu können, ist eine Beleuchtungsquelle 10 vorgesehen, deren Strahlbereich 12 den Messbereich 14 der fliegenden Teilchen beleuchtet. Dieser Messbereich 14 wird von einer Digitalkamera 6 aufgenommen, die ebenfalls neben dem Spritzstrahl 4 angeordnet ist, und mit ihrem Betrachtungsbereich 8 direkt auf die fliegenden Teilchen, insbesondere auf den beleuchteten Messbereich 14, gerichtet ist. Diese Kamera 6 nimmt nun einen beleuchteten Streifen auf, dessen Lage im Raum, dessen Länge und dessen Intensität Angaben über die Teilchen- oder Tröpfchendichte, die Geschwindigkeit und über die Position der fliegenden Teilchen oder Tröpfchen macht. Verschiebt sich beispielsweise auf dem Bild der abgebildete Strahlbereich von links nach rechts, so kann daraus geschlossen werden, dass sich die Düse an ihrem linken Rand zugesetzt hat und die Partikel oder Tröpfchen dort nicht mehr wunschgemäß austreten können. Wird auf dem Bild der abgebildete Bereich 14 breiter, lässt sich darauf schließen, dass der gesamte Schwarm der Teilchen und Tröpfchen weiter nach außen gestreut wird, die Partikel- oder Tröpfchendichte insgesamt also niedriger wurde. Weicht der abgebildete Bereich 14 im Bild nach unten aus, lässt dies auf eine geringer werdende Geschwindigkeit der Teilchen oder Tröpfchen schließen.

Claims

Verfahren zur Überwachung der Qualität gespritzter Schichten, wobei mit einer digitalen Kamera (6) Bilder der fliegenden Teilchen oder Tröpfchen aufgenommen und dargestellt oder eventuell rechnerisch bearbeitet oder ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit oder Teile der Flugbahn der Teilchen oder Tröpfchen von einer Beleuchtungsquelle (10) beleuchtet werden, die Kamera (6) auf den beleuchteten Bereich (Messbereich 14) gerichtet ist und die Belichtungszeit so gewählt ist, dass ein Ensemble von Teilchen oder Tröpfchen abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit zwischen 0,5 ms und 5 s, bevorzugt zwischen 0,5 ms und 2 s liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Beleuchtungsquellen (10), wie z.B. Laser, die den gesamten oder den Teilbereich des Partikel- oder Tröpfchenstrahls (4) beleuchtet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstrahlen den Partikel- oder Tröpfchenstrahl (4) in unterschiedlicher Entfernung vom Düsenausgang beleuchten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Beleuchtungsstrahlen horizontal, vertikal oder schräg zum Spritzstrahl (4) angeordnet sind.
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Kaltgasspritzen, bei Strahlprozessen (Sand-, Glas-, Korund-, CO₂-Pelets), bei Lackierprozessen oder Pulverbeschichtungsprozessen.
Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bildern mittels rechnerischer Überarbeitung mindestens ein Bereich gleicher Intensität und/oder mindestens ein Bereich innerhalb eines bestimmten Intensitätsintervalls einem oder mehreren symmetrischen geometrischen Flächenkörpern zugeordnet wird und dass der oder die symmetrischen geometrischen Flächenkörper anhand von für die jeweilige geometrische Form charakteristischen Merkmalen als Datensatz oder Datensätze erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als symmetrische geometrischen Flächenkörper Kreise, Quadrate, Rechtecke, Dreiecke, Parallelogramme und/oder bevorzugt Ellipsen eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Ergebnisgröße die Position der geometrischen Figur und ihre Kenngrößen (wie Halbachsenlängen, Seitenlängen, Kantenlängen oder Durchmesser) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessveränderungen durch die resultierenden Formveränderungen der einbeschriebenen geometrischen Figuren sichtbar gemacht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (14) größer als 1 cm³ ist.
Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungsquelle (10) und eine digitale Kamera (6), die auf einen sich überschneidenden Messbereich (14) des Spritzstrahls (4) gerichtet sind.