DE102009060735A1

DE102009060735A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion einer Fehlstelle in einem Bauteil

Info

Publication number: DE102009060735A1
Application number: DE200910060735
Authority: DE
Inventors: Michael 27749 Kalms; Wolfgang 28717 Bisle; Dieter 27804 Scherling
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-12-30
Also published as: DE102009060735B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1, 11 zur Detektion einer Fehlstelle 56 in einem Bauteil 19, insbesondere zur Lokalisation einer bereichsweisen Ablösung einer Deckschicht 22, 23 von einem Sandwichbauteil 20, mit einem Gehäuse 41 und mit einer auf das Bauteil 19 aufsetzbaren Unterdruckkammer 2, 17, 18 mit mindestens einem Auflager 50 und einer umlaufenden Dichtung 3, wobei die Unterdruckkammer 2, 17, 18 mittels eines Unterdruckerzeugers 47 mit einem Druck im Bereich zwischen 0,0 bar und –0,9 bar beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß ist die Unterdruckkammer 2, 17, 18 mit einer strahlungsdurchlässigen Scheibe 45 zum Gehäuse 41 hin druckdicht abgeschlossen und oberhalb der Scheibe 45 befindet sich mindestens ein, innerhalb einer Messfläche positionierbarer, optischer Entfernungsmesser, um mindestens einen Differenzanhebungswert 59 berührungslos zu ermitteln. Hierdurch kann das Bauteil 19 im Bereich einer zu untersuchenden Messfläche 27, 36 mit einer Auflösung von bis zu 1 μm berührungslos und flächenhaft in einer sehr großen Anzahl von Messpunkten 28, 40, 60 abgetastet werden, wodurch die Möglichkeit zum Auffinden von strukturmechanisch relevanten Integritätsstörungen im Verhältnis zu einer rein punktförmigen mechanischen Abtastung erheblich verbessert wird. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion einer solchen Fehlstelle 56, insbesondere mittels einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung 1, 11.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion einer Fehlstelle in einem Bauteil, insbesondere zur Lokalisation einer bereichsweisen Ablösung einer Deckschicht von einem Sandwichbauteil, mit einem Gehäuse und mit einer auf das Bauteil aufsetzbaren Unterdruckkammer mit mindestens einem Auflager und einer umlaufenden Dichtung, wobei die Unterdruckkammer mittels eines Unterdruckerzeugers mit einem Druck von bis zu –0,9 bar beaufschlagbar ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion einer Fehlstelle in einem Bauteil, insbesondere zur Lokalisation einer bereichsweisen Ablösung einer Deckschicht von einem Sandwichbauteil, insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Im modernen Flugzeugbau finden verbreitet Faserverbundwerkstoffe Verwendung, die im Vergleich zur klassischen Aluminiumbauweise eine Gewichtsverringerung und hiermit einhergehend unter anderem eine weitere Steigerung der Energieeffizienz von Flugzeugen ermöglichen. Zum Beispiel sind die Seitenleitwerke moderner Verkehrsflugzeuge mit großformatigen Faserverbundbauteilen unter Verwendung von Sandwichbauelementen aufgebaut. Bei diesen Sandwichbauelementen kann betriebsbedingt eine Vielzahl von Fehlstellen auftreten, die von außen nur schwer zu erkennen sind. Beispielsweise können sich die Deckschichten eines Sandwichbauteils aufgrund von herstellerseitigen Klebefehlern (so genanntes ”Debonding”) und/oder äußeren, mechanischen Einwirkungen (so genannte ”Impact”-Schäden) zumindest bereichsweise von der Kernstruktur ablösen. Ferner kann die Kernstruktur zum Beispiel durch eingedrungenes und gefrierendes Wasser beschädigt werden. Da die aerodynamischen Wirkflächen, z. B. die Höhenruder, die Querruder, die Start- und Landeklappen oder die Seitenruder im Flugbetrieb üblicherweise erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, müssen diese regelmäßig auf die exemplarisch erwähnten Fehlstellen hin untersucht werden, um die Flugsicherheit über die gesamte Einsatzdauer des Flugzeugs hinweg sicherzustellen. Entsprechende Überlegungen gelten für Sandwichkomponenten, die in anderen Bereichen der Struktur von Flugzeugen zum Einsatz kommen.
Aus dem Stand der Technik ist unter anderem ein einseitig anwendbares sowie einhändig bedienbares Prüfgerät zur Detektion von Fehlstellen in Faserverbundbauteilen, insbesondere von lokalen Deckschichtabhebungen an Sandwichbauteilen, bekannt. Diese so genannte ”ELCH”-Vorrichtung (Elastically Laminate CHecker) verfügt über ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse mit einer unterseitig angeordneten, kreisrunden Unterdruckkammer, die zur Sicherstellung der Druckdichtigkeit mit einer umlaufenden elastischen Gummilippe versehen ist. Vor einer Messung wird das Testgerät in der Regel auf einer ebenen Platte kalibriert. Die Kalibrierung erfolgt in der Regel durch das Nullsetzen einer mittig in die Unterdruckkammer integrierten, hochgenauen digitalen Messuhr, deren Taststift die Oberseite der Kalibrierplatte und später das Messobjekt berührt. Zur Durchführung einer Messung wird das Testgerät auf die zu untersuchende Decklage des betreffenden Sandwichbauteils aufgesetzt. Anschließend wird in der Unterdruckkammer ein Druck von bis zu etwa –0,7 bar aufgebaut und automatisch aufrechterhalten, der in Abhängigkeit von der Beschaffenheit einer etwaigen Fehlstelle innerhalb des Sandwichbauteils insbesondere zu einer mehr oder minder starken Anhebung der oberen Deckschicht führt, die mit der Messuhr mit einer Auflösung von besser als 10 μm gemessen wird. Ein Anhebungswert von beispielsweise mehr als 0,03 mm deutet in der Regel auf das Vorhandensein einer Fehlstelle im Bereich der Unterdruckkammer hin. Zur Beendigung der Messung wird die Unterdruckkammer mittels eines Betätigungsorgans belüftet und damit wieder auf Umgebungsluftdruck gebracht. Der in der Unterdruckkammer jeweils aktuell herrschende Druck wird dem Anwender mittels eines Druckmessers optisch angezeigt. Nach dem Erreichen eines voreingestellten Unterdrucks für die Messung, wird die Unterdruckerzeugung vom Prüfgerät selbsttätig gestoppt.
Ein wesentlicher Nachteil dieser vorbekannten Testvorrichtung ist darin zu sehen, dass bei einem Innendurchmesser der Unterdruckkammer von ca. 10 cm lediglich ein Messwert erfasst wird, der die Anhebung der Deckschicht in der Mitte der Unterdruckkammer repräsentiert. Kleinere Fehlstellen können somit – wenn überhaupt – nur unter großen Schwierigkeiten sicher erkannt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das aus dem Stand der Technik bekannte Testgerät zur Detektion von Fehlstellen in Faserbauteilen, insbesondere in der Form von lokalen Deckschichtablösungen an Sandwichbauteilen, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Unterdruckkammer mit einer strahlungsdurchlässigen Scheibe zum Gehäuse hin abgeschlossen ist und oberhalb der Scheibe mindestens ein innerhalb einer Messfläche positionierbarer optischer Entfernungsmesser angeordnet ist, um insbesondere mindestens einen Anhebungswert der Deckschicht berührungslos zu ermitteln,
können das Vorhandensein sowie die laterale Lage und weitere Eigenheiten von inneren Fehlstellen an Bauteilen, insbesondere von Sandwichbauteilen, wie zum Beispiel lokale Ablösungen der oberen und/oder der unteren Deckschicht von der Kernstruktur des Sandwichbauteils, mittels der Vorrichtung von der Außenseite des Bauteils beim Vorhandensein eines hinreichend hohen Unterdrucks von beispielsweise bis zu –0,9 bar in der Unterdruckkammer sicher erkannt werden. Durch die die Unterdruckkammer nach oben hin abschließende, für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 5 μm und 50 nm im Idealfall verlustfrei durchlässige Scheibe wird das Volumen der Unterdruckkammer minimiert, so dass die vorgegebenen Unterdruckwerte in kurzer Zeit erreicht werden. Darüber hinaus erlauben die eingesetzten optischen Entfernungsmesser die berührungslose Abtastung der Messfläche innerhalb der Unterdruckkammer mit einer sehr hohen Auflösung, die im Bereich von 1 μm liegt. Im Vergleich zum rein mechanisch arbeitenden ”Elch-Tester” erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung durch den mindestens einen im Raum positionierbaren optischen Entfernungsmesser die Erfassung der Höhentopographie der abgetasteten Messfläche innerhalb der Unterdruckkammer, die mittels einer in die Vorrichtung integrierten Steuer- und/oder Regeleinrichtung sowie Rechnereinheit als eine räumliche grafische Darstellung der Oberflächengeometrie der Messfläche auf einer geeigneten Ausgabeeinheit, zum Beispiel einem LCD-Display, für einen Benutzer visualisiert werden kann. Hierzu wird der mindestens eine Entfernungsmesser mittels einer geeigneten Vorrichtung über die Messfläche hinweg bewegt und zum Beispiel die jeweiligen Anhebungswerte der Deckschicht in einer Vielzahl von Messpunkten erfasst und abgespeichert. In jedem der abzutastenden Messpunkte wird ein erster Anhebungswert bei einem ersten Druck von zum Beispiel bis zu –0,1 bar und ein weiterer Anhebungswert bei einem zweiten Druck von bis zu –0,9 bar gemessen. Der erste Anhebungswert kann alternativ auch bei 0 bar, das heißt bei normalem Umgebungsluftdruck oder bei einem Druck zwischen 0,0 bar und –0,1 bar gemessen werden. Hieraus kann dann, zum Beispiel mittels der integrierten Rechnereinheit, ein Differenzanhebungswert aus beiden, bei unterschiedlichen Drücken im selben Messpunkt gemessenen Anhebungswerten berechnet und ausgewertet werden. Die Generierung des jeweils in der Unterdruckkammer anliegenden Unterdrucks erfolgt – kontrolliert von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung – mittels eines Unterdruckerzeugers, der zum Betrieb bevorzugt lediglich Druckluft benötigt. Zur Abdichtung verfügt die Unterdruckkammer unterseitig über eine umlaufende elastische Dichtung, zum Beispiel aus Silikon oder Gummi.
Die Vorrichtung kann auf nahezu beliebig gekrümmten Oberflächen eingesetzt werden, wobei insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit weitgehend irrelevant ist. So können Fehlstellen beispielsweise in Verbundbauteilen erfasst werden, die mit metallischen Werkstoffen und/oder mit glasfaserverstärkten Kunststoffmaterialien gebildet sind. Um die hohe Materialunabhängigkeit zu erreichen, sind die Entfernungsmesser mit speziellen Fotodetektoren ausgestattet, die zur Kompensation von lokal variierenden Oberflächeneigenschaften der zu prüfenden Bauteile eine schnelle Regelung der Eingangsempfindlichkeit über eine Rückkopplung an die Laserlichtquelle erlauben.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass der mindestens eine Entfernungsmesser ein Lasertriangulationssensor ist, der mit einem Laser in einem Wellenlängenbereich zwischen 4 μm und 100 nm arbeitet.
Hierdurch kann zum Aufbau der Vorrichtung auf handelsübliche Entfernungsmesser zurückgegriffen werden. Die Lasertriangulationssensoren erlauben darüber hinaus eine hohe Messgenauigkeit, die im Bereich von 1 μm liegt. Als Lasertriangulationssensoren können zum Beispiel die Typen LDS70/5 sowie LDS70/10 der Firma eltrotec^® GmbH mit integriertem, digitalem Signalprozessor eingesetzt werden. Diese Triangulationssensoren haben einen Messbereich von 5 mm/10 mm bei einem Auflösungsvermögen von etwa 0,6 μm/1,0 μm. Aufgrund der aufwändigen Signalverarbeitung sind die Sensoren weitgehend unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des zu prüfenden Bauteils, was bei der Vorort-Prüfung im eingebauten Zustand ein wesentliches Kriterium ist. Der vom emittierten Laserstrahl auf der Bauteiloberfläche erzeugte Messfleck hat einen Durchmesser von ungefähr 0,5 mm/0,8 mm.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist der mindestens eine Lasertriangulationssensor auf einer um ihre Hochachse drehbaren Traverse oder einer Scheibe angeordnet und die Unterdruckkammer verfügt über eine angenähert zylindrische Gestalt.
Infolge dieser Ausgestaltung hat die Messfläche eine kreisförmige Geometrie, wobei die Abtastung der Oberflächengeometrie des Bauteils entlang von beispielsweise konzentrischen Kreisen erfolgt, das heißt die Abtastkurven haben jeweils eine kreisförmige Gestalt. Bevorzugt werden vier Lasertriangulationssensoren eingesetzt, so dass sich im Ergebnis vier konzentrische, jeweils kreisförmige Abtastkurven ergeben. Entlang jeder Messkurve kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Messpunkten, zum Beispiel bis zu 2³² = 32.768 Anhebungswerte, ermittelt und in der Rechnereinheit in einem Speicher abgelegt und in Echtzeit oder verzögert ausgewertet werden. Die Rotationsgeschwindigkeit der Traverse um die Hochachse beträgt hierbei bis zu 1,0 Umdrehung/s. Bei einer Messfrequenz von zum Beispiel 1.000 Hz, das heißt ein Lasertriangulationssensor führt zum Beispiel 1.000 Abtastungen bzw. Messungen pro Sekunde aus, ergeben sich pro Messkurve eines jeden Lasertriangulationssensors 1.000 Messwerte (bei 1,0 Umdrehungen/s Rotationsgeschwindigkeit). Abweichend hiervon können die Lasertriangulationssensoren auch auf einer rotierenden Scheibe montiert sein. Die rotierende Konstruktion erlaubt einen konstruktiv relativ einfachen Aufbau der Positioniereinrichtung mit einer zentralen Lagerung und einem elektrischen Zahnriemenantrieb.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist der mindestens eine Lasertriangulationssensor auf einer linear verschiebbaren Traverse angeordnet und die Unterdruckkammer verfügt über eine quader- oder würfelförmige Gestalt.
Hierdurch ergibt sich im Verhältnis zur ersten Ausführungsvariante der Vorrichtung eine rechteckförmige beziehungsweise quadratische Messfläche, was die Detektion bestimmter Fehlstellen in Sandwichbauteilen erleichtert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterentwicklung der Vorrichtung sieht vor, dass der mindestens eine Lasertriangulationssensor auf einer um eine Längsachse verschwenkbaren Traverse angeordnet ist.
Hierdurch ergibt sich gleichfalls eine rechteckförmige Messfläche innerhalb der Unterdruckkammer, die Positionierung der Lasertriangulationssensoren erfolgt in vorteilhafter Weise durch eine mechanisch einfacher zu realisierende Schwenkbewegung der Traverse. In dieser Ausführungsvariante ist jedoch eine Umrechnung der ermittelten Anhebungswerte in Abhängigkeit vom jeweiligen Schwenkwinkel der Traverse erforderlich. Die erforderliche Linearbewegung der Traverse mit den Lasertriangulationssensoren kann zum Beispiel mit Präzisionsspindeln realisiert werden, die von Schrittmotoren angetrieben werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Unterdruckkammer mindestens ein Drucksensor angeordnet und der Unterdruckerzeuger ist über ein Ventil mit der Unterdruckkammer verbunden, wobei das Ventil mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Abhängigkeit von dem mindestens einen Drucksensor betätigbar ist.
Diese Ausgestaltung ermöglicht die automatisierte Einstellung von zwei vordefinierten Drücken in der Unterdruckkammer zur Durchführung der Messungen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass der Unterdruckerzeuger mit einer Venturidüse aufgebaut ist, die mit einer Druckluftzuleitung verbunden ist und mit der ein Druck zwischen 0,0 bar und bis zu –0,9 bar in der Unterdruckkammer erzeugbar ist.
Hierdurch kann auf im Prüffeld in der Regel immer vorhandene Standard-Drucklufteinrichtungen (Druckluftkompressorenanlage) zurückgegriffen werden, um den zum Betrieb der Vorrichtung erforderlichen Druck in der Unterdruckkammer zu erzeugen. Der Unterdruckerzeuger kann hierbei direkt in die Vorrichtung integriert sein oder alternativ in einem externen Gehäuse untergebracht sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist mindestens ein Betätigungsorgan, insbesondere ein Drucktaster, zur Auslösung eines Messvorgangs und mindestens ein Anzeigeelement, insbesondere eine Leuchtdiode, zur Signalisierung einer Ablösung der Deckschicht vorgesehen.
Das Betätigungsorgan ermöglicht einem Benutzer die eigenhändige Auslösung eines Messzyklus und das Anzeigeelement, zum Beispiel eine Leuchtdiode oder ein grafikfähiges LCD-Display, erlaubt eine anschauliche Visualisierung des Vorhandenseins einer Fehlstelle nach Art und Lage im Bereich der untersuchten Messfläche. Das Anzeigeelement kann beispielsweise aktiviert werden, wenn ein Differenzanhebungswert der Deckschicht einen vorab definierten Schwellenwert überschreitet. Soll eine grafische Darstellung der beispielsweise kreisförmigen, konzentrischen Messkurven erfolgen, können diese gleichfalls als konzentrische Kreise auf der Anzeigeeinheit visualisiert werden. Eine Überschreitung von, gegebenenfalls lokal variierenden Schwellenwerten S kann durch eine unterschiedliche Einfärbung der Messkurven an diesen Stellen erfolgen.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung der Vorrichtung ist in das Gehäuse mindestens ein Steckplatz für ein Speichermedium und/oder eine Buchse zum Anschluss an eine externe Datenverarbeitungseinheit integriert.
Hierdurch wird ein einfacher Export der gewonnenen Anhebungsdaten in externe Datenverarbeitungseinrichtungen ermöglicht, die eine umfangreichere mathematische Aufbereitung der mittels der Vorrichtung gewonnenen Anhebungswerte erlaubt.
Eine weitere Fortentwicklung sieht vor, dass der Druck in der Unterdruckkammer in einem Bereich zwischen 0,0 bar und –0,9 bar mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung einstellbar ist.
Infolge der Kontrolle der Druckeinstellung durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist ein nahezu vollautomatischer Messbetrieb möglich. Darüber hinaus erlauben die vorstehend genannten Druckwerte eine sichere Detektion einer Vielzahl unterschiedlicher Fehlstellen in Verbundbauteilen. Der Druck von 0,0 bar in der Unterdruckkammer entspricht hierbei dem normalen Umgebungsluftdruck, unter dem die Vorrichtung eingesetzt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist im Bereich der Unterdruckkammer mindestens ein Tastsensor angeordnet, um die vollständige Auflage der Unterdruckkammer zu detektieren.
Hierdurch ist ein korrekter Sitz der Vorrichtung und hierdurch bedingt das schnelle Erreichen des voreingestellten Unterdrucks auf dem zu prüfenden Bauteil sichergestellt.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst:

a) Aufsetzen der Unterdruckkammer auf ein zu untersuchendes Bauteil, insbesondere ein Sandwichbauteil,
b) Erzeugen eines Drucks von bis zu –0,1 bar in der Unterdruckkammer,
c) Messen mindestens eines Anhebungswertes in mindestens einem Messpunkt, und
d) Erzeugung eines Drucks von bis zu –0,9 bar in der Unterdruckkammer, und
e) Messen mindestens eines weiteren Anhebungswertes in dem mindestens einen Messpunkt.

Infolge dieser Differenzdruckmessung ist eine Kalibrierung der Vorrichtung auf einer planen Referenzplatte in der Regel nicht erforderlich. Darüber hinaus wird das Verfahren unempfindlich gegenüber Unebenheiten, zum Beispiel vorhandenen Nähten, Beulen, Dellen, Aufwerfungen oder Verbindungselementen, des zu untersuchenden Bauteils, die bereits im drucklosen Zustand, das heißt unter normalem Umgebungsluftdruck vorhanden sind.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Schritte a) bis e) bei einer Vielzahl von weiteren Messpunkten wiederholt werden, bis eine Messfläche zumindest bereichsweise abgetastet ist.
Hierdurch wird im Gegensatz zu dem die Oberfläche eines zu untersuchenden Bauteils punktförmig abtastenden mechanischen ”Elch-Tester” eine flächenhafte Abtastung der Oberflächengeometrie mit hoher Genauigkeit und Auflösung ermöglicht.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird aus dem mindestens einen Anhebungswert und dem mindestens einen weiteren Anhebungswert eines jeden Messpunktes eine Differenzanhebung ermittelt, die mit mindestens einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird, wobei im Fall einer Überschreitung mindestens ein Anzeigeelement aktiviert und/oder das Ergebnis grafisch in einer zweidimensionalen Darstellung visualisiert wird.
Aufgrund der Differenzmessung hat die Oberflächengeometrie vor dem Anlegen des Unterdrucks in der Messkammer keinen Einfluss auf das Messergebnis. Die Signalisierung von Fehlstellen im Fall einer Überschreitung des vorgegebenen Schwellenwertes ermöglicht einem Benutzer einen schnellen Überblick über die mechanische Beschädigung des zu prüfenden Bauteils. Die grafische, zweidimensionale Darstellung, die in der Regel den räumlichen Verlauf der Messkurven wiedergibt, auf denen die Lasertriangulationssensoren während des Messzyklusses in der Unterdruckkammer geführt werden, erlaubt hingegen eine genauere Untersuchung der Art der Fehlstelle. Der oder die Schwellenwerte werden empirisch ermittelt und können bereichsweise (in Bezug auf die Messfläche) variieren.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Messung nach Aufsetzen der Unterdruckkammer durch eine einmalige Auslösung des Betätigungsorgans gestartet und durch eine zweite Auslösung des Betätigungsorgans die Unterdruckkammer belüftet und die Messung beendet wird.
Hierdurch wird einem Benutzer eine einfache und vor allem einhändige Anwendbarkeit der Vorrichtung im Prüffeld eröffnet.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine perspektivische Innenansicht einer ersten Ausführungsvariante der Vorrichtung,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante der Vorrichtung,
3 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsvariante der Vorrichtung,
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsvariante der Vorrichtung,
5 eine schematische Schnittdarstellung durch die erste Ausführungsvariante der Vorrichtung gemäß 1,
6 eine schematische Darstellung der Anordnung der Entfernungsmesser in der Ausführungsvariante der Vorrichtung gemäß 1, 5, und
7 eine prinzipielle Darstellung des Verfahrensablaufs.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselbe Bezugsziffer auf.
Die 1 illustriert eine perspektivische Innenansicht einer ersten Ausführungsvariante der Vorrichtung ohne Gehäuse.
Die im Wesentlichen zylinderförmige Vorrichtung 1 umfasst unter anderem eine zylinderförmige Unterdruckkammer 2, die mit einer umlaufenden elastischen Dichtung 3 aus einem geeigneten Elastomer versehen ist. Ferner ist eine rotierende Scheibe 4 vorgesehen, auf der vier Lasertriangulationssensoren – von denen lediglich zwei Sensoren 5, 6 sichtbar sind – als Entfernungsmesser nach unten weisend angeordnet sind. Die Scheibe 4 wird von einem Motor 7 mittels eines Zahnriemens 8 angetrieben und in einem Drehzahlbereich zwischen 1,0 Umdrehung/min und 60,0 Umdrehungen/min betrieben. Darüber hinaus verfügt die Vorrichtung 1 über eine mittig angeordnete Lagerung 9 für die rotierende Scheibe 4 sowie Schleifkontakte 10 zur Zuführung elektrischer Energie für die sich auf der Scheibe 4 mit drehenden vier Lasertriangulationssensoren sowie die Ansteuerung und die Ausgabe der von den Lasertriangulationssensoren gelieferten elektrischen Messdaten. Die Unterdruckerzeugung innerhalb der Unterdruckkammer 2 kann entweder durch einen innerhalb der Vorrichtung 1 integrierten Unterdruckerzeuger erfolgen. Alternativ kann der Druck auch über eine Versorgungsleitung von einem externen Unterdruckerzeuger geliefert werden.
Die 2 bis 4, auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird, betreffen drei weitere Ausführungsvarianten einer Vorrichtung 11, die unterschiedliche räumliche Positioniereinrichtungen zur Ausrichtung der Triangulationssensoren im Raum zum Gegenstand haben.
Bei allen drei gezeigten, beispielhaften Varianten sind jeweils vier Triangulationssensoren 12 bis 15 auf einer rohrförmigen Traverse 16 angeordnet. Die Triangulationssensoren 12 bis 15 werden mittels der Traverse 16 oberhalb von Unterdruckkammern 17 und 18, die jeweils druckdicht auf einem zu untersuchenden Bauteil 19 aufliegen und teilweise eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, im Raum positioniert. Bei dem Bauteil 19 handelt es sich in den 2 bis 4 um ein Sandwichbauteil 20 mit einer Kernstruktur 21, die jeweils beidseitig mit Deckschichten 22, 23 bedeckt ist. Sowohl die Deckschichten 22, 23 als auch die Kernstruktur 21 sind mit faserverstärkten Kunststoffmaterialien gebildet, können jedoch zumindest teilweise mit metallischen Werkstoffen gefertigt sein.
Im Fall der Ausführungsvariante der Vorrichtung 11 gemäß der 2 erfolgt die Positionierung der vier Triangulationssensoren 12 bis 15 im Raum durch eine Rotationsbewegung, wie durch den Pfeil 25 veranschaulicht, um eine Hochachse 24 der Traverse 16. Hierdurch wird die obere Deckschicht 22, wie durch die vier konzentrischen, kreisförmigen Messkurven 26 angedeutet, im Bereich einer kreisförmigen Messfläche 27 berührungslos und flächenhaft abgetastet, wobei in der Unterdruckkammer 17 ein im Vergleich zum Umgebungsluftdruck reduzierter Druck bzw. Unterdruck in einem Bereich zwischen –0,1 und –0,9 bar herrscht. Die sich im Ergebnis ergebenden kreisförmigen Messkurven 26 repräsentieren jeweils eine Vielzahl von Messpunkten 28, an denen Anhebungswerte der Deckschicht 22 im Bereich der Messfläche 27 gemessen wurden, die auf eine nicht dargestellte Fehlstelle, insbesondere eine lokale Ablösung der Deckschicht 22 von der Kernstruktur 21, hindeuten. Wie aus der schematischen Darstellung der 2 ersichtlich, weisen die kreisförmigen Messkurven 26 eine Vielzahl von kleinen Spitzen 29 (”Peaks”) bzw. Erhebungen auf, die auf in diesem Bereich der Messfläche 27 erhöhte Anhebungswerte und damit auf eine mechanische Fehlstelle innerhalb des Bauteils 19 hindeuten.
Die Visualisierung der mittels der Vorrichtung 11 gewonnenen Anhebungswerte kann erforderlichenfalls dadurch grafisch visualisiert werden, dass die Schar der Messkurven 26 entsprechend der Darstellung der 2 perspektivisch oder in einer Draufsicht auf einem grafik- und farbfähigen LCD-Display visualisiert wird. Im Bereich der kleinen Spitzen 29 überschreiten die gemessenen Anhebungswerte mindestens einen, geeignet vordefinierten Schwellenwert, was auf eine Beeinträchtigung der mechanischen Integrität des Sandwichbauteils 20 hindeutet. Erfolgt die Darstellung der Messkurven 26 in einer Draufsicht, so können diejenigen Bereiche in den Messkurven 26, in denen die Spitzen 29 auftreten beispielsweise durch eine veränderte Farbdarstellung dem Benutzer kenntlich gemacht werden.
In der Darstellung der 2 bilden die von den Lasertriangulationssensoren 12 bis 15 ausgehenden und auf die Deckschicht 22 auftreffenden und von dieser reflektierten Laserstrahlen 30 bis 33 jeweils die Messpunkte 28, die auf einer der kreisförmigen Messkurven 26 liegen, wobei an jedem Messpunkt 28 ein individueller Anhebungswert gemessen wird. Jede Messkurve 26 kann jeweils bis zu 32.768 oder mehr Anhebungswerte umfassen. Letztendlich repräsentiert die Schar der Messkurven 26 den Verlauf der Oberflächengeometrie (Oberflächentopographie) des zu prüfenden Bauteils 19 im Bereich der Messfläche 27, während ein Druck zwischen –0,1 bar und –0,9 bar in der Unterdruckkammer 17 herrscht. Bevorzugt wird bei allen Varianten der Vorrichtung 11 zunächst eine Vielzahl von Anhebungswerten bei einem Druck von etwa –0,1 bar und ein weiterer Satz von Anhebungswerten bei einem Druck von ungefähr –0,7 bar in jeweils denselben Messpunkten 28 in der Unterdruckkammer 17, 18 gemessen. Die Auswertung erfolgt durch die Berechnung eines Differenzanhebungswertes aus der Differenz zwischen zwei Anhebungswerten (z. B. bei –0,1 bar und –0,7 bar) des jeweiligen Messpunktes. Aufgrund der Auswertung dieser Differenzanhebungswerte ist eine Kalibrierung der Vorrichtung 11 entbehrlich. Zudem wird das mit der Vorrichtung 11 erzielte Prüfergebnis nicht von etwaigen Deformationen, Verbindungselementen, Fugen etc. in der Oberflächengeometrie des Bauteils 19 beeinflusst, die schon bei normalem Umgebungsluftdruck vorhanden sind.
Im Gegensatz zur zweiten Ausführungsvariante gemäß der 2 verfügt die Vorrichtung 11 nach Maßgabe der beiden 3 und 4 (dritte und vierte Ausführungsvariante) über eine jeweils rechteckförmige Unterdruckkammer 18, wobei der Aufbau der Traverse 16 einschließlich der darauf befestigten Triangulationssensoren 12 bis 15 identisch ist.
Im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfolgt bei der dritten Ausführungsvariante nach 3 eine Linearbewegung der Traverse 16 quer zu einer Längsachse 34 der Traverse 16, wie durch den Pfeil 35 angedeutet. Hierdurch kann eine gleichfalls rechteckförmige Messfläche 36 bis an die eine natürliche Begrenzung bildende Unterdruckkammer 18 abgetastet werden. Sowohl die Messfläche 36 als auch die Unterdruckkammer 18 können abweichend von der gezeigten rechteckigen Form auch quadratisch ausgestaltet sein. Alternativ sind auch vieleckige Grundrissgeometrien möglich.
Im Fall der vierten Ausführungsvariante nach Maßgabe der 4 wird hingegen die Traverse 16 nicht parallel zu ihrer Längsachse 34 verschoben sondern, wie durch den Pfeil 37 angedeutet, lediglich um die Längsachse 34 herum verschwenkt, so dass sich wiederum die rechteckförmige Messfläche 36 aus der 3 ergibt. Die sich im Fall der dritten und vierten Variante ergebenden Messkurven 38 stellen jeweils eine Schar paralleler Geraden dar, wobei die kleinen Spitzen 39 wiederum auf eine Fehlstelle im Bauteil 19 hindeuten. Die jeweiligen Enden der von den Triangulationssensoren 12 bis 15 ausgehenden Laserstrahlen 30 bis 33 entsprechen wiederum den aktuell abgetasteten Messpunkten, die jeweils auf den gradlinigen Messkurven 38 liegen und von denen ein Messpunkt repräsentativ für alle übrigen die Bezugsziffer 40 trägt.
Der Vorteil der beiden Ausführungsvarianten nach den 3 und 4 liegt unter anderem darin, dass sich die rechteckförmige Messfläche 36 nahezu vollständig über die Grundfläche der Unterdruckkammer 18 hinweg erstreckt und im Idealfall mit dieser identisch ist. Daneben erleichtert die rechteckige Geometrie der Grundfläche der Unterdruckkammer 18 bzw. der Messfläche 36 die Abtastung von ebenfalls geradlinigen Bauteilkanten. Über die vorstehend beschriebenen Verfahr- bzw. Positioniermöglichkeiten der Traverse 16 im Raum hinweg, können auch mindestens zwei der im Rahmen der Beschreibung der 2 bis 4 erwähnten Positionierbewegungen der Triangulationssensoren 12 bis 15 in Relation zum Bauteil 19 bzw. zu den Unterdruckkammern 17, 18 beliebig miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus kann eine Anzahl der auf der Traverse 16 angeordneten Lasertriangulationssensoren 12 bis 15 zwischen Eins und 32 insbesondere in Abhängigkeit von der räumlichen Größe der Unterdruckkammer 17, 18 variieren. Bei einem Innendurchmesser der eine kreisförmige Grundfläche aufweisenden Unterdruckkammer 17 von zum Beispiel 10 cm kommen bevorzugt vier Triangulationssensoren 12 bis 15 zum Einsatz.
Die 5 illustriert einen schematischen Querschnitt durch die Vorrichtung 1 gemäß 1, jedoch mit Gehäuse.
Die Vorrichtung 1 umfasst unter anderem ein im Wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 41 mit der darin um eine Hochachse 42 herum drehbar gelagerten Scheibe 4. Am Gehäuse 41 ist mittig ein ergonomisch ausgestalteter Handgriff 43 angeordnet, der eine einhändige Benutzung durch einen Anwender erlaubt. Auf einer nicht bezeichneten Unterseite der Scheibe 4 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel der 5 insgesamt sechs Lasertriangulationssensoren, von denen die Lasertriangulationssensor 5, 6, 44 repräsentativ mit einer Bezugsziffer versehen sind, befestigt. Die von den Lasertriangulationssensoren nach unten – in Richtung des Bauteils 19 – emittierte Laserstrahlung ist jeweils durch gestrichelte Linien angedeutet. Die drehbare Scheibe 4 wird mittels des Motors 7 über einen Zahnriemen 8 in Drehung versetzt. Unterhalb der Lasertriangulationssensoren befindet sich eine fest in das Gehäuse 2 eingesetzte Scheibe 45, die von der, von den Triangulationssensoren abgegebenen, Laserstrahlung im Bereich zwischen 100 nm und 4 μm nahezu verlust- und reflexionsfrei durchdrungen wird. Die Scheibe 45 schließt die Unterdruckkammer 2 nach oben gegen das Gehäuse 41 druckdicht ab. Infolge der Scheibe 45 bleibt das Volumen der zylinderförmigen Unterdruckkammer 2 klein, so dass die erforderlichen Unterdruckwerte schnell erreicht werden. Die Unterdruckkammer 2 ist mit der umlaufenden Dichtung 3 gegenüber dem Bauteil 19 druckdicht abgedichtet. Innerhalb des Gehäuses 41 befindet sich ferner eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46, die bevorzugt mit einem leistungsfähigen digitalen Mikrokontroller realisiert ist. Zur Energieversorgung der Triangulationssensoren auf der in Relation zum stillstehenden Gehäuse 41 rotierenden Scheibe 4 sowie zur Datenübertragung zwischen den Triangulationssensoren und der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46 sind geeignete Schleifkontakte 10 vorgesehen. Die Energie- und/oder Informationsübertragung zwischen den Lasertriangulationssensoren und der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung kann alternativ auch kontaktlos, zum Beispiel induktiv und/oder optisch, erfolgen. Weiterhin ist bevorzugt innerhalb des Gehäuses 41 ein Unterdruckerzeuger 47 angeordnet, dessen nicht dargestellter Ausgang, mit einer der besseren zeichnerischen Übersicht halber gleichfalls nicht eingezeichneten Versorgungsleitung, über ein nicht dargestelltes Magnetventil mit der Unterdruckkammer 2 verbunden ist. Darüber hinaus ist in das Gehäuse 41 ein weiteres nicht eingezeichnetes Magnetventil eingebaut, das mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46 betätigbar ist, um das selbständige Belüften der Unterdruckkammer 2 nach der Beendigung einer Prüfung bzw. Messung zu ermöglichen. Der Unterdruckerzeuger 47 ist über eine externe Druckluftleitung 48, die zugleich Leitungen zur Energie- und/oder Messdatenübermittlung enthalten kann, mit einem nicht dargestellten Standard-Drucklufterzeugungssystem (Kompressorenanlage) verbunden, wie es in jeder Wartungseinheit für Flugzeuge üblicherweise in der Form einer Kompressorenanlage mit einem stationären Leitungssystem vorhanden ist. Innerhalb des Unterdruckerzeugers 47 befindet sich eine nicht dargestellte Venturidüse, durch die aus der zugeführten Druckluft mit einem Überdruck von bis zu 20 bar ein Druck zwischen –0,1 bar und –0,9 bar innerhalb der Unterdruckkammer 2 herstellbar ist. Zur Kontrolle des Unterdrucks befindet sich in der Unterdruckkammer 2 mindestens ein elektronischer Drucksensor 49, der mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46 verbunden ist. Somit kann die Unterdruckerzeugung beim Erreichen des voreingestellten Unterdrucks von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46 durch das Schließen des Magnetventils selbsttätig beendet werden. Ergänzend kann ein mechanischer Druckmesser, zum Beispiel ein Zeiger-Manometer, vorgesehen sein.
Weiterhin verfügt das Gehäuse 41 unterseitig über ein punktförmiges bzw. ringförmig umlaufendes Auflager 50, um einen sicheren Sitz der Vorrichtung 1 auf dem Bauteil 19 zu gewährleisten. Außerdem kann in der Unterdruckkammer 2 ein Tastsensor 51 angeordnet sein, um den ordnungsgemäßen Sitz der Vorrichtung 1 auf dem Bauteil 19 an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46 zu melden. In den Handgriff 43 sind beispielsweise eine grüne und eine rote Leuchtdiode 52, 53 als Anzeigeelemente sowie ein Drucktaster 54 als Betätigungsorgan integriert. Sowohl der Drucktaster 54 als auch die Leuchtdioden 52, 53 sind über nicht eingezeichnete elektrische Leitungen mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46 verbunden. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46 dient darüber hinaus zur Speicherung und Auswertung sämtlicher gemessener Anhebungswerte. Mittels der grünen Leuchtdiode 52 kann beispielsweise einem Anwender das Erreichen des voreingestellten Unterdrucks in der Unterdruckkammer 2 angezeigt werden, während der Benutzer mittels des Drucktasters 54 den Start bzw. das Ende des Messvorganges kontrollieren kann. Während der Messung rotiert die Scheibe 4 mit bis zu 20 U/min um die Hochachse 42, wie durch den Pfeil 55 angedeutet. In das Gehäuse kann ferner ein einfaches 7-Segment-Display zur Anzeige des jeweils in der Unterdruckkammer 2 herrschenden Unterdrucks integriert sein.
Mittig unterhalb der Unterdruckkammer 2 befindet sich eine exemplarische Fehlstelle 56. Diese ist durch zwei lokale Anhebungswerte der oberen Deckschicht 22 von der Kernstruktur 21 im Bereich 57 gekennzeichnet, die jeweils bei einem Druck von –0,1 bar oder –0,7 bar gemessen wurden. Für den Fall, dass in der Unterdruckkammer 2 der normale Umgebungsluftdruck von beispielsweise etwa 1.013 hPa herrscht, hat die obere Deckschicht 22 den gestrichelt angedeuteten, hypothetischen geradlinigen Verlauf 58. Während der Messung wird die Unterdruckkammer 2 zunächst bis auf –0,1 bar und danach auf –0,7 bar teilevakuiert, so dass sich die Deckschicht 22 im Fehlerfall geringfügig hebt. Der sich hieraus ergebende relevante Differenzanhebungswert 59 im Messpunkt 60 des Lasertriangulationssensors 44 wird durch die Differenzbildung zwischen den bei –0,1 bar bzw. bei –0,7 bar im betrachteten Messpunkt 60 gelieferten Anhebungswerten in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46 gemäß der Beziehung ΔZ = Z₂ – Z₁ berechnet und abgespeichert. Die Berechnung erfolgt für sämtliche gemessenen Anhebungswerte entlang der von Lasertriangulationssensoren beschriebenen Messkurven jeweils einzeln.
Die 6 illustriert in einer Ansicht von unten schematisch die Anordnung der sechs Triangulationssensoren innerhalb der Vorrichtung 1 gemäß der 5.
Auf der Scheibe 4, die gemäß der Pfeile 55 im Gehäuse 41 um die Hochachse 42 drehbar aufgenommen ist, sind unterseitig die sechs Lasertriangulationssensoren befestigt, von denen die beiden äußeren sowie einer der beiden inneren Triangulationssensoren stellvertretend für alle übrigen mit den Bezugsziffern 5, 6 sowie 44 versehen sind (vgl. 5). In Bezug auf eine horizontale Mittellinie 61 der Scheibe 4 sind jeweils drei Lasertriangulationssensoren unmittelbar aneinander anschließend zu einer Gruppe 62 und 63 zusammengefasst, wobei die beiden Gruppen 62, 63 in Bezug auf die horizontale Mittellinie 61 entgegengesetzt ausgerichtet und spiegelbildlich auf dieser angeordnet sind. In Relation zu einer senkrechten Mittellinie 64 der Scheibe 4, sind die der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht bezeichneten kreisförmigen Laserstrahlaustritte der Gruppen 62 und 63 der Triangulationssensoren ebenfalls spiegelbildlich zueinander angeordnet. Dies bedeutet, dass zwischen den gedachten Mittelpunkten der Laserstrahlaustritte jeweils einer der Gruppen 62, 63 ein kleiner Abstand 65 symmetrisch zur senkrechten Mittellinie 64 besteht.
Anhand des Diagramms in der 7 soll schematisch der Ablauf eines Prüf- bzw. Messzyklusses zur Detektion von Fehlstellen in Bauteilen, insbesondere von lokalen Deckschichtablösungen, mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1, 11 gem. der 1 bis 6 erläutert werden. Der Ursprung des Diagramms steht für den Umgebungsluftdruck von zum Beispiel 1.013 hPa.
In einer ersten Phase 66 (Verfahrensschritt a)) eines Messzyklusses wird die Vorrichtung 1, 11 auf das zu untersuchende Bauteil 19 bzw. dessen obere Deckschicht 22 aufgesetzt und in der Unterdruckkammer 2 herrscht der aktuelle Umgebungsluftdruck. Während des Aufsetzens kann der mindestens eine optionale Tastsensor 51 den ordnungsgemäßen Sitz der Vorrichtung 1 auf dem Bauteil 19 kontrollieren. In der sich anschließenden Phase 67 wird der eigentliche Messzyklus zum Beispiel durch einen Benutzer durch eine einmalige Betätigung des Drucktasters 54 im Handgriff 43 gestartet. Alternativ kann der Messzyklus auch selbsttätig mittels eines Zeitgliedes nach erfolgter ”Aufgesetzterkennung” durch den Tastsensor 51 gestartet werden. In dieser Phase (Verfahrensschritt b)) beginnt der Unterdruckerzeuger 47 mit der Teilevakuierung der Unterdruckkammern 2, 17, 18, bis in dieser ein Druck von ungefähr –0,1 bar herrscht. In der Phase 68 erfolgt dann eine erstmalige, vollständige Abtastung der betreffenden Messfläche 27, 36 innerhalb der Unterdruckkammer 2, 17, 18 mittels der Lasertriangulationssensoren, die zu einer Vielzahl von Erhebungswerten an einer Vielzahl von Messpunkten auf den jeweiligen Messkurven, die die Laserstrahlen der Lasertriangulationssensoren auf der Messfläche 27, 36 beschreiben, führen. Die Messung in Phase 68 kann auch bei Umgebungsluftdruck erfolgen. In der Phase 69 (Verfahrensschritt d)) erfolgt eine Druckabsenkung auf bis zu –0,7 bar oder –0,9 bar. Nach dem Erreichen dieses Unterdruckwertes wird die gesamte Abtastung der Messflächen 27, 36 entsprechend der Vorgehensweise in Phase 68 in der Phase 70 (Verfahrensschritt e)) wiederholt, woraus sich wiederum eine Vielzahl von Anhebungswerten ergibt. Sämtliche Anhebungswerte werden von der Rechnereinheit vorzugsweise zunächst zwischengespeichert und dann mittels geeigneter Algorithmen weiter verarbeitet. Nach dem Durchlaufen der Phase 70 erfolgt in der letzten Phase 71 eine Anhebung des Druckes in der Unterdruckkammer 2, 17, 18 bis auf den Umgebungsluftdruck, zum Beispiel durch die Auslösung eines Magnetventils mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46 oder mittels eines manuell durch den Benutzer betätigbaren, mechanischen Belüftungsventils, so dass nach dem Abschluss der Phase 71 der Messzyklus endgültig beendet ist und die Vorrichtung 1, 11 vom Bauteil 19 abgehoben und an einer neuen zu prüfenden Stelle aufgesetzt werden kann. Die eigentliche Auswertung zum Auffinden einer mechanischen Fehlstelle innerhalb des Bauteils 19 in der Rechnereinheit beginnt im Allgemeinen nach der Beendigung der Phase 70 (Verfahrensschritt e)). Alternativ kann die Auswertung auch zeitlich parallel, schon während der Abtastvorgänge mittels der Lasertriangulationssensoren erfolgen.
Wie vorstehend bereits erläutert, erfolgt in der Rechnereinheit in der Regel eine Differenzbildung zwischen den beiden in den Messpunkten gewonnenen Anhebungswerten bei unterschiedlichen Drücken, woraus sich eine Vielzahl von Differenzanhebungswerten ergibt. Aus diesen Werten kann beispielsweise durch einen Vergleich mit extern vorgegebenen Schwellenwerten für noch gerade strukturmechanisch vertretbare Anhebungswerte auf das Vorhandensein einer Fehlstelle im Bauteil geschlossen werden. Ein einzelner Differenzanhebungswert 59 (vgl. 5) von zum Beispiel zwischen 30 μm und 50 μm ist vielfach als ein sicheres Indiz für das Vorhandensein einer strukturmechanisch relevanten Fehlstelle 56 anzusehen.
Die zur Auswertung mittels Algorithmen erforderlichen, in der Regel empirisch zu ermittelnden, Schwellenwerte können für unterschiedliche Messkurven unterschiedlich groß gewählt werden. Beispielsweise können die zulässigen Schwellenwerte für die, im Fall einer kreisförmigen Messfläche, äußeren konzentrischen Messkurven kleiner gewählt werden als die Schwellenwerte der inneren konzentrischen Messkurven (vgl. insb. 2), da die zu erwartenden Anhebungswerte aufgrund der Fehlstelle 56 im Bauteil 19 im Bereich der Peripherie der kreisförmigen Unterdruckkammer 2, 17 in der Regel kleiner ausfallen als die im inneren Bereich der Unterdruckkammer 2, 17 gemessenen Anhebungswerte.
Die mittels der weitgehend frei im Raum positionierbaren Triangulationssensoren gewonnenen Messkurven werden vorzugsweise nach einer geeigneten mathematischen Aufbereitung auf einer grafikfähigen Ausgabeeinheit, zum Beispiel einem farbigen LCD-Matrixdisplay, wahlweise perspektivisch oder in einer Draufsicht farbig dargestellt. Unterschiedliche Farben können hierbei für unterschiedlich hohe Anhebungswerte in unterschiedlichen Abschnitten der Messkurven stehen, so dass ein Benutzer sich schnell und sicher über die Art, Beschaffenheit und/oder die laterale Lage einer Fehlstelle 56 im Bauteil 19 Gewissheit verschaffen kann.
Mittels der beiden in den Handgriff 43 integrierten Leuchtdioden kann alternativ oder ergänzend eine einfache qualitative Visualisierung eines etwaigen Defektes im Bauteil 19 derart erfolgen, dass zum Beispiel die rote Leuchtdiode 53 von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 46 aktiviert wird, wenn strukturmechanisch gerade noch vertretbare Schwellenwerte von den gemessenen Anhebungswerten überschritten werden. Abweichend von den vorstehend prinzipiell geschilderten Auswertungsmöglichkeiten kann innerhalb der Rechnereinheit eine Vielzahl von verschiedensten mathematischen Algorithmen zur Anwendung kommen, um eine zuverlässige Detektion einer strukturmechanisch relevanten Integritätsstörung innerhalb des Bauteils 19, insbesondere nach der Art und/oder der räumlicher Position, zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Unterdruckkammer
3: umlaufende Dichtung
4: Scheibe (rotierend)
5: Triangulationssensor
6: Triangulationssensor
7: Motor
8: Zahnriemen
9: Lagerung (rotierende Scheibe)
10: Schleifkontakte
11: Vorrichtung
12: Lasertriangulationssensor
13: Lasertriangulationssensor
14: Lasertriangulationssensor
15: Lasertriangulationssensor
16: Traverse
17: Unterdruckkammer (zylinderförmig)
18: Unterdruckkammer (quaderförmig)
19: Bauteil
20: Sandwichbauteil (Sandwichplatte)
21: Kernstruktur
22: Deckschicht
23: Deckschicht
24: Hochachse (Traverse)
25: Pfeil (Rotationsbewegung)
26: Messkurve (Schar konzentrischer Kreise)
27: kreisförmige Messfläche
28: Messpunkt (Mp)
29: Spitze
30: Laserstrahl
31: Laserstrahl
32: Laserstrahl
33: Laserstrahl
34: Längsachse (Traverse)
35: Pfeil
36: Messfläche
37: Pfeil
38: Messkurve (Schar von Parallelen)
39: Spitzen
40: Messpunkt
41: Gehäuse
42: Hochachse
43: Handgriff
44: Triangulationssensor
45: Scheibe (strahlungsdurchlässig)
46: Steuer- und/oder Regeleinrichtung
47: Unterdruckerzeuger (Venturidüse)
48: Druckluftzuleitung
49: Drucksensor
50: Auflager
51: Tastsensor
52: Leuchtdiode (grün)
53: Leuchtdiode (rot)
54: Drucktaster
55: Pfeile
56: Fehlstelle (Bauteil)
57: Bereich
58: Verlauf (Deckschicht unter Umgebungsluftdruck)
59: Differenzanhebungswert (ΔZ = Z₁ – Z₂)
60: Messpunkt (Mp)
61: horizontale Mittellinie
62: Gruppe
63: Gruppe
64: senkrechte Mittellinie
65: Abstand
66: Phase
67: Phase
68: Phase
69: Phase
70: Phase
71: Phase

Claims

Vorrichtung (1, 11) zur Detektion einer Fehlstelle (56) in einem Bauteil (19), insbesondere zur Lokalisation einer bereichsweisen Ablösung einer Deckschicht (22, 23) von einem Sandwichbauteil (20), mit einem Gehäuse (41) und mit einer auf das Bauteil (19) aufsetzbaren Unterdruckkammer (2, 17, 18) mit mindestens einem Auflager (50) und einer umlaufenden Dichtung (3), wobei die Unterdruckkammer (2, 17, 18) mittels eines Unterdruckerzeugers (47) mit einem Druck von bis zu –0,9 bar beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckkammer (2, 17, 18) mit einer strahlungsdurchlässigen Scheibe (45) zum Gehäuse (41) hin abgeschlossen ist und oberhalb der Scheibe (45) mindestens ein innerhalb einer Messfläche (27, 36) positionierbarer optischer Entfernungsmesser angeordnet ist, um insbesondere mindestens einen Anhebungswert der Deckschicht (22, 23) berührungslos zu ermitteln.
Vorrichtung (1,11) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Entfernungsmesser ein Lasertriangulationssensor (5, 6, 12–15, 44) ist, der mit einem Laser in einem Wellenlängenbereich zwischen 5 μm und 100 nm arbeitet.
Vorrichtung (1, 11) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lasertriangulationssensor (5, 6, 12–15, 44) auf einer um ihre Hochachse (24) drehbaren Traverse (16) oder einer Scheibe (4) angeordnet ist und die Unterdruckkammer (2, 17) eine zylindrische Gestalt aufweist.
Vorrichtung (1, 11) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lasertriangulationssensor (12–15) auf einer linear verschiebbaren Traverse (16) angeordnet ist und die Unterdruckkammer (18) eine quader- oder würfelförmige Gestalt aufweist.
Vorrichtung (1, 11) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lasertriangulationssensor (12–15) auf einer um eine Längsachse (34) verschwenkbaren Traverse (16) angeordnet ist.
Vorrichtung (1, 11) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Unterdruckkammer (2, 17, 18) mindestens ein Drucksensor (49) angeordnet ist und der Unterdruckerzeuger (47) über ein Magnetventil mit der Unterdruckkammer (2, 17, 18) verbunden ist, wobei das Ventil mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (46) in Abhängigkeit von dem mindestens einen Drucksensor (49) betätigbar ist.
Vorrichtung (1, 11) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruckerzeuger (47) mit einer Venturidüse aufgebaut ist, die mit einer Druckluftzuleitung (48) verbunden ist und mit der ein Druck zwischen 0,0 bar und bis zu –0,9 bar in der Unterdruckkammer (2, 17, 18) erzeugbar ist.
Vorrichtung (1, 11) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Betätigungsorgan, insbesondere ein Drucktaster (54), zur Auslösung eines Messvorgangs und mindestens ein Anzeigeelement, insbesondere eine Leuchtdiode (52, 53), zur Signalisierung einer Ablösung der Deckschicht (22, 23) vorgesehen sind.
Vorrichtung (1, 11) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (41) mindestens ein Steckplatz für ein Speichermedium und/oder eine Buchse zum Anschluss an eine externe Datenverarbeitungseinheit integriert ist.
Vorrichtung (1, 11) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Unterdruckkammer in einem Bereich zwischen 0,0 bar und –0,9 bar mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (46) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Unterdruckkammer (2, 17, 18) mindestens ein Tastsensor (51) angeordnet ist, um die vollständige Auflage der Unterdruckkammer (2, 17, 18) zu detektieren.
Verfahren zur Detektion einer Fehlstelle (56) in einem Bauteil (19), insbesondere zur Lokalisation einer bereichsweisen Ablösung einer Deckschicht (22, 23) von einem Sandwichbauteil (20), insbesondere mittels einer Vorrichtung (1, 11) nach Maßgabe mindestens eines der Patentansprüche 1 bis 11, umfassend die folgenden Schritte: a) Aufsetzen der Unterdruckkammer (2, 17, 18) auf ein zu untersuchendes Bauteil (19), b) Erzeugen eines Drucks von bis zu –0,1 bar in der Unterdruckkammer (2, 17, 18), c) Messen mindestens eines Anhebungswertes in mindestens einem Messpunkt (28, 40, 60), und d) Erzeugen eines Drucks von bis zu –0,9 bar in der Unterdruckkammer (2, 17, 18), und e) Messen mindestens eines weiteren Anhebungswertes in dem mindestens einen Messpunkt (28, 40, 60).
Verfahren nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis e) bei einer Vielzahl weiterer Messpunkte wiederholt werden, bis eine Messfläche (27, 36) zumindest bereichsweise abgetastet ist.
Verfahren nach Patentanspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem mindestens einen Anhebungswert und dem mindestens einen weiteren Anhebungswert eines jeden Messpunktes (28, 40, 60) eine Differenzanhebung (59) ermittelt wird, die mit mindestens einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird, wobei im Fall einer Überschreitung mindestens ein Anzeigeelement aktiviert und/oder das Ergebnis grafisch in einer zweidimensionalen Darstellung visualisiert wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung nach dem Aufsetzen der Unterdruckkammer (2, 17, 18) durch eine einmalige Auslösung des Betätigungsorgans, insbesondere einen Drucktaster (54), gestartet und die Messung durch eine zweite Auslösung des Betätigungsorgans beendet und die Unterdruckkammer (2, 17, 18) belüftet wird.