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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung von einem oder mehreren
Halbzeug(en) oder Bauteil(en), die jeweils zumindest eine aufgeschäumte Lage,
die mit einer oder mehreren Sorten von Treibmittel und mit einer
oder mehreren Sorten von Metallpulver gebildet ist, und zumindest
eine massivmetallische Lage umfassen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
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Bei
der Herstellung von solchen metallischen Schaumbauteilen oder Halbzeugen
mit zumindest einer Lage, die ein Treibmittel und ein metallisches
Pulver enthalten, werden diese Komponenten aus einer Pulverkonsistenz
nach ihrer Vermischung zu einem schäumbaren Verbund zusammengeführt. Durch thermisch
bedingte Abspaltungsprozesse des Treibmittels läßt sich in einem Ofen die Expansion
des metallischen Schaumes erreichen.
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Derartige
Bauteile sind aufgrund des Schaumanteils besonders leicht und gleichzeitig
sehr steif, so daß sie
etwa in mobilen Einheiten, wie Kraftfahrzeugen, sehr vorteilhaft
als Karosserieteile, auch zum Abbau von eingeleiteter Energie bei
einem Unfall, einsetzbar sind.
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Eine
Umformung und verschiedene Bearbeitung kann teilweise vor und teilweise
nach dem Aufschäumen
durchgeführt
werden, so daß auch
nach dem Aufschäumen
noch nicht zwingend ein fertiges Bauteil vorliegt, sondern das aufgeschäumte Teil auch
noch ein Halbzeug darstellen kann.
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Um
insbesondere für
eine Serienfertigung Bauteile mit einer konstanten Dicke und konstanten mechanischen
Eigenschaften, insbesondere Festigkeitseigenschaften zu erhalten,
ist es erforderlich, in der aufgeschäumten Lage trotz der zumindest
statistischen Verteilung im Aufschäumprozeß eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung
und Größe der durch
die Abspaltung des Treibmittels gebildeten Poren sicherzustellen.
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Hierzu
ist eine Qualitätsprüfung nach
dem Aufschäumen
erforderlich, was angesichts der ungleichmäßigen Wärmeeinleitung und der statistischen
Verteilung in der Schaumschicht besondere Maßnahmen erfordert.
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Dabei
ist es bekannt, die fertigen Bauteile oder Halbzeuge stichprobenartig
durch Anfertigung von Schnitten und nachfolgende Sichtprüfung der Porengröße- und
verteilung an den Schnittkanten einer zerstörenden Werkstoffprüfung zu
unterziehen. So können
naturgemäß nur Stichproben
geprüft
werden. Über
die unzerstörten
und weiter zu verwendenden Bauteile oder Halbzeuge können nur
Wahrscheinlichkeitsaussagen gemacht werden. Der Zeitaufwand für eine solche
Prüfung
ist zudem beträchtlich.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, für Bauteile und/oder Halbzeuge
der genannten Art eine Verbesserung der Qualitätsprüfung zu erreichen.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf
die weiteren Ansprüche
2 bis 14 und 16 verwiesen.
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Durch
die Erfindung ist eine schnelle und umfassende Prüfung auch
der tatsächlich
weiterverwendeten Teile möglich.
Da die Prüfung
zerstörungsfrei
ist, muß sie
sich nicht auf Stichproben beschränken, sondern kann die gesamte
Charge einer Produktionsserie erfassen. Beispielsweise kann ein Quadratmeter
Material in weniger als einer Minute geprüft und ausgewertet werden.
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Sofern
vorteilhaft Röntgenstrahlung
verwendet wird, lassen sich Bauteile oder Halbzeuge von erheblicher
Dicke durchstrahlen. Dabei ist es insbesondere günstig, wenn die aufgeschäumte Lage
eine Dicke von weniger als sechzehn Millimetern hat, so daß die Informationen
aus der alle Schichten durchdringenden Strahlung noch hinreichend
einzelne Strukturen erkennen lassen. Ebenso ist es günstig hierfür, wenn
die aufgeschäumte
Lage zumindest über
einen wesentlichen Teil ihrer Fläche
nicht mehr als vier Porenlagen übereinander
zeigt.
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Mit
der Erfindung können
vor allem auch für den
Serieneinsatz sehr wichtige sog. Sandwich-Bauteile untersucht werden,
bei denen die aufgeschäumte
Lage zwischen einer oberen und einer unteren massivmetallischen
Decklage eingebaut ist und die daher von außen glatte, maßhaltige
Oberflächen
aufweisen.
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Besonders
günstig
kann für
die Prüfung
eine Vorrichtung vorgesehen sein, die nicht nur die Durchstrahlung
des Bauteils oder Halbzeugs vornimmt, sondern auch eine Auswerteeinheit
umfaßt,
mit der Fehler in der aufgeschäumten
Lage erkennbar und vermeßbar
sind.
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Dabei
ist ein automatisierter und besonders schneller Ablauf möglich, wenn
die Auswerteeinheit eine Aussortierung für solche Teile vorsieht, bei
denen einzelne Fehler ei nen Schwellwert für die Ausdehnung überschreiten
oder bei denen das Verhältnis
von Fehlerausdehnung im Verhältnis
zur Gesamtausdehnung der untersuchten Fläche des Bauteils überschritten
ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus einem in der
Zeichnung dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel
des Gegenstandes der Erfindung.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Prüfung eines
planebenen Halbzeugs mit einer aufgeschäumten Lage,
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2 eine
schematische Ansicht zweier Schnittbilder von Sandwich-Verbünden mit
innerhalb der aufgeschäumten
Lage zumindest im ersten Schnittbild recht gleichmäßiger Porengröße und -verteilung
und größeren Fehlern
im zweiten Schnittbild,
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3 ein
von einem Zeilendetektor erfaßtes Durchleuchtungsbild
einer nach 1 durchstrahlten Probe.
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4 eine ähnliche
Ansicht wie 3 eines Bildes eines durchstrahlten
Unterbodenschutzes in Inversdarstellung,
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5 eine
Ausschnittsvergrößerung entsprechend
dem Detail V in IV,
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6 den
Ausschnitt nach 5 nach Vornahme einer Mittelwertbildung,
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7 den
Ausschnitt nach 6 nach Feststellung eines Grenzgrauwerts
und Überführung der Graustufen
in ein Schwarz-Weiß-Bild,
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8 den
Ausschnitt nach 7 nach Verkleinerung der weiß hervortretenden
Fehler zum Aussortieren kleiner Fehler,
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9 den
Ausschnitt nach 8 nach Vergrößerung der noch verbliebenen
weißen
Stellen,
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10 eine ähnliche
Ansicht wie 9, nachdem von der Auswerteeinheit
Vermessungen der Fehler und Beschriftung mit maximalen Erstreckungen
vorgenommen sind.
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Für die Herstellung
von mehrlagigen Metallbauteilen 4 mit zumindest einer aufgeschäumten Lage 1 wird
zunächst
eine Pulvermischung aus einem oder mehreren metallischen Pulvern,
beispielsweise einer Aluminium-Silizium-Legierung, etwa AlSi7 oder
AlSil, einerseits, und einem oder mehreren gasabspaltenden Treibmitteln
andererseits, beispielsweise Titanhydrid, angefertigt.
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Das
so gebildete Pulver kann etwa über
ein Strangpreßverfahren
zwischen zwei Walzen oder über
ein Impulsverdichten oder anderes eindimensionales Verdichten lotrecht
zur Erstreckung der dabei zu bildenden Pulverlage, insbesondere
mit einer oder vor allem zwei massivmetallischen Deckschichten 2, 3,
zum Beispiel aus A1Mn1, und eventuell auch weiteren Pulverlagen
zu einem aufschäumbaren
Halbzeug verdichtet werden. Bei Verwendung von massivmetallischen
Deckschichten 2, 3 entstehen dabei metallische
Bindungen zwischen der oder den Deckschicht(en) 2, 3 und der
hier einen aufschäumbaren Pulverlage 1.
Häufig
ist bei Verwendung von Blechen, die von beiden Seiten her sichtbare
Oberflächen
bilden, zum Beispiel bei Außenblechen
von Autos, Schiffen oder Flugzeugen, ein sandwichartiger Aufbau
mit beidseitigen massivmetallischen Deckschichten 2, 3 unabdingbar.
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Ein
solches Halbzeug kann zurechtgeschnitten und dann gegebenenfalls
einer ersten Umformung unterzogen werden, etwa mit Ausprägungen versehen
werden, wie in der
DE
196 12 781 C1 beschrieben. Dieses Umformen kann durch bekannte übliche einseitige
oder zweiseitige Umformverfahren, wie etwa durch ein Tiefziehverfahren,
wobei eine Seite bereits ihre Endkontur erhält, erfolgen. Das Halbzeug
kann jedoch bis zum Aufschäumen
der einen oder mehreren Pulverlagen auch in seiner in der Regel
planebenen Form verbleiben.
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Dieses
Halbzeug wird in einen Ofen eingelegt, so daß beim nachfolgenden Aufschäumen eine Expansion
stattfindet. Das Schäumen
erfolgt bei einer Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des
Treibmittels, bei der dieses Gas abspaltet, und kann begrenzt sein
oder auch frei erfolgen. Dadurch wird ein weiter zu verarbeitendes
Halbzeug oder schon fertiges Bauteil 4 mit zumindest einer
dann aufgeschäumten
Lage 1 gebildet.
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Im
gezeichneten Ausführungsbeispiel
liegt ein planebenes Halbzeug oder Bauteil 4 vor, dessen innere
Lage im Ofen von einem nicht aufgeschäumten Zustand einer Dicke von
einem Millimeter zu einer aufgeschäumten Lage 1 mit einer
Dicke von typisch etwa zehn Millimetern gewachsen ist. Die Decklagen 2, 3 haben
jeweils eine Dicke von etwa einem Millimeter.
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Wie
in den Schnittbildern der 2 sichtbar ist,
weisen die aufgeschäumten
Lagen 1 eine Vielzahl von Poren oder Blasen 5 in
etwa drei bis vier Lagen übereinander
mit sie umgebenden Zellwänden 6 auf.
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Sowohl
durch das Aufschäumen
selbst als auch durch eine eventuelle Verformung des aufgeschäumten oder
noch nicht aufgeschäumten
Halbzeugs kann es dazu kommen, daß ein signifikanter Anteil
von Zellstegen 6 der Poren 5 reißt oder
sich vorneherein zu große
Blasen 7 bilden, wie im unteren Teil der 2 sichtbar
ist. Dort sind einige erheblich vergrößerte Poren 7 parallel
zu den Deckschichten 2, 3 erstreckt und schwächen die
Stabilität
des Bauteils. Diese vergrößerten zusammenhängenden
Blasen 7 werden daher hier als Fehler bezeichnet.
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In 4 ist
ein mit Röntgentransmission
im Aufbau nach 1 erstelltes Bild eines aus
dem Sandwichmaterial hergestellten Unterbodenschutzes 8 dargestellt,
der, wie im vergrößert herausgezeichneten
Ausschnitt nach 5 sichtbar ist, neben regelmäßigen Porenstrukturen
derartige Fehler 7 mit umfaßt. Diese erscheinen dort in
invertierter Darstellung als vergrößerte helle Bereiche. Die Aussagefähigkeit
solcher Bilder ist um so besser, je dünner die aufgeschäumte Schicht 1 ist.
Dabei ist akzeptabel, wenn die aufgeschäumte Lage im regelmäßigen Bereich
nicht mehr als drei bis vier Lagen von Poren 5 übereinander
oder etwa bis zu ca. zwölf
bis sechzehn Millimeter Dicke (bei 3-4 Millimetern Porendurchmesser)
aufweist. Die Decklagen 2, 3 können jeweils einen bis 1,5
Millimeter dick sein, maximal bis ca. 2,0 Millimeter, ohne die Strahlung
beim Durchgang zu sehr zu schwächen
oder hinterher die Bildinformation zu sehr zu vermindern.
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Das
Bild nach 4 ist mit der Vorrichtung 9 nach 1 erstellt
worden. Diese umfaßt
eine Röntgenquelle 10,
einem gegenüberliegenden
Zeilendetektor 11 und einen Vorschub für das dazwischen kontinuierlich
oder getaktet vorzubewegende Halbzeug oder Bauteil 4. Gerade
durch den Zeilendetektor 11 kann die Prüfungszeit für das Bauteil 4 erheblich
verringert werden, weil dieses dadurch nicht komplett auf einmal
erfaßt
werden muß,
sondern während
der Bestrahlung vorgeschoben werden kann. Dadurch sind Prüfzeiten
von deutlich unter einer Minute pro Quadratmeter möglich. Die
Vorrichtung 9 ist daher auch in der Serienfertigung einsetzbar.
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Weiterhin
umfaßt
die Vorrichtung 9 eine Auswerteeinheit 12, in
der die Bilder nach 5 wie folgt ausgewertet werden
können:
Die
Auswerteeinheit 12 bildet in einem ersten Schritt Mittelwerte
der erfaßten
Helligkeiten. Hierzu werden in dem Bild nach 5 Teilflächen mit
jeweils mehreren Pixeln (zum Beispiel Quadrate mit einer Kantenlänge von
sieben Pixeln) zu einem Feld zusammengefaßt, hierin die mittlere Graustufe
gebildet und diese als Graustufenwert auf das gesamte Feld übertragen.
Anstelle der kleinen Strukturen in 5, die einzelne
Poren 5 erkennen lassen, ergibt sich somit die geglättete Darstellung
nach 6, in der Einzelporen 5 nicht mehr erkennbar
sind. Dies dient der Zielsetzung, nur relevante – also größere – Fehler 7 auszuwerten.
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Im
Folgeschritt (Übergang
von 6 zu 7) werden die Mittelwertgraustufen
der einzelnen Felder in Schwarz- oder
Weißfärbungen
umgesetzt, wobei zunächst
ein Schwellwert für
die Farbintensität
festgelegt wird, oberhalb deren die Farbe schwarz und unterhalb
die Farbe weiß verge ben wird.
Die relevanten Fehler 7 erscheinen dann als weiße, die
im Rahmen einer Toleranz regulären
Bereiche als schwarze Flächen.
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Da
auch sehr viele kleine weiße
Stellen in 7 sichtbar sind, derart kleine
Fehler jedoch die Stabilität
des Halbzeugs oder Bauteils 4 nicht gefährden, wird ein Erosionsoperator
auf die weißen
Flächen
derart angewandt, daß diese
umlaufend um jeweils eine Pixelreihe verkleinert werden, woraus
sich das in 8 dargestellte Bild ergibt,
bei dem eine Reihe von Fehlern 7 dadurch herausgefallen
ist, daß diese
nach Schwarzfärbung
der äußeren Pixelreihe ganz
verschwinden.
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Um
bei den danach noch verbliebenen Fehlern 7 wieder auf die
ursprüngliche
Größe zu gelangen,
wird ein Dilatationsoperator auf die weißen Flächen im Übergang von 8 zu 9 angewandt, so
daß diese
wieder ihre ursprüngliche
Größe erhalten.
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In
dem damit um kleine und unbedeutende Fehlstellen bereinigten und
nur noch Schwarz-Weiß-Informationen
enthaltenden Bild kann nun insbesondere automatisiert eine Vermessung und
Zählung
der Fehlstellen 7 vorgenommen werden:
Dabei kann einerseits
die maximale Erstreckung jedes einzelnen Fehlers 7 gemessen
und mit einer Maßzahl
versehen werden (10), wobei ein Schwellwert vorgegeben
oder einstellbar sein kann, oberhalb dessen ein Fehler 7 nicht
mehr akzeptabel ist, so daß das
geprüfte
Bauteil oder Halbzeug 4 dann aussortiert wird. Im Beispiel
nach 10, das nicht den vorherigen Figuren entspricht,
fällt ein
Fehler 7 mit einer Ausdehnung von 185 (zum Beispiel Millimeter)
ins Gewicht, der oberhalb eines Schwellwertes von zum Beispiel 50
Millimetern liegt. Das entsprechende Teil 4 würde damit
automatisch aus der Serie aussortiert werden.
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Ebenso
kann die Auswerteeinheit 12 die gesamte relevante Fehlerfläche (in 9 die
weiße
Fläche)
aufaddieren und ins Verhältnis
zur insgesamt erfaßten
Fläche
setzen. Auch hier kann nach Überschreiten
eines Schwellwerts (zum Beispiel 10%) eine automatische Aussonderung
vorgenommen werden. Die gesamte Auswertung eines Bildes dauert nur
wenige Sekunden.
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Auch
können
in dem ausgewerteten Bild die Fehlerbereiche 7 transparent
belassen werden, so daß dieses
Bild in Durchsicht über
das original erhaltene Röntgenbild
nach 5 gelegt und mit diesem verglichen werden kann.
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Um
auch großflächige Fehler
detektieren zu können,
die zum Beispiel über
eine große
Erstreckung innerhalb einer einzelnen Lage ausgedehnt sind und damit
die Zellwände 6 darüber oder
darunter liegender Poren nicht beeinträchtigen, so daß das erfaßte Röntgenbild
(4) nur wenig gestört ist, kann zusätzlich eine
Akustikprüfung
des Bauteils 4 (Erfassen eines Resonanzechos bei großen Hohlräumen) oder
eine Thermographieprüfung
(Abbildung der Wärmeleitfähigkeit)
durchgeführt
werden. Auch eine Materialanalyse zur Erfassung unerwünschter
innerer Oxidschichten kann zusätzlich
möglich
sein.
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Die
Auswerteeinheit 12 muß nicht
alle die genannten Schritte durchführen. In jedem Fall sollte eine
Abschätzung
der aufaddierten Fehlerfläche
und eine Abschätzung
der Größer des
größten erfaßten Fehlers
zumindest durch visuelle Kontrolle am Bildschirm möglich sein.
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Sofern
in der geschilderten Weise ein Halbzeug 4 geprüft wurde,
kann dieses auch nach seiner Prüfung
in verschiedenen Weisen weiterverarbeitet werden, beispielsweise
insgesamt gewölbt
oder anders umgeformt oder an den Rändern zur Bildung von Flanschen
eingedrückt,
gebohrt sowie an den Flächen
poliert und lackiert werden. Ein Verschweißen mehrerer Halbzeuge 4 miteinander
ist möglich.