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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Dichtheitsprüfung von geschlossenen hohlen Bauteilen, wobei die Vorrichtung mindestens ein von außen auf das geschlossene hohle Bauteil wirkendes Druckänderungselement zur Erzeugung einer temporären Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und der Umgebung des geschlossenen hohlen Bauteils aufweist, wobei mindestens eine Infrarotthermografiekamera zur Aufnahme der unterschiedlichen Temperaturen im Bereich einer Leckage des geschlossenen hohlen Bauteils angeordnet ist, wobei eine Signalaufbereitungseinheit zur Bearbeitung der Daten der Infrarotthermografiekamera nachgeordnet ist. Zu den geschlossenen hohlen Bauteilen werden auch Verpackungen gerechnet.
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Bei bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Dichtheitsprüfung von teiloffenen hohlförmigen Bauteilen werden vor allem drei verschiedene Varianten eingesetzt, um Leckagen zu ermitteln:
- • Undichte Bauteile können mittels Differenzdruckprüfung ermittelt werden. Dabei wird das Bauteil mit einem Überdruck beaufschlagt und dann verschlossen. Über die Zeit verringert sich der Druck, wenn das Bauteil eine Leckage hat.
- • Bei der Wasserbadprüfung wird über eine Öffnung des Bauteils ein Gas in das Innere des Bauteils gepumpt und so ein Überdruck im Inneren des Bauteils erzeugt. An Leckagen treten dann Luftblasen aus. Eine präzisere Variante der Wasserbadprüfung ist das TLF-Prüfverfahren (Testgas in Liquid Fluids), bei dem ein fotoakustisches Gasnachweisverfahren wie von der Firma GEMTEC der „STS 400“ zum Einsatz kommt.
- • Ebenfalls ist die Dichtheitsprüfung unter Zuhilfenahme von Testgasen in Kombination mit der Massenspektroskopie als Nachweisverfahren möglich. Hierbei wird auch über eine Öffnung ein Gas in das Bauteil gepumpt, das gut mit einem Massenspektroskop detektierbar ist. Entsprechende Geräte sind zum Beispiel der „ECOTEC E3000“ von der Firma INFICON.
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Ein neues Konzept ist in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102010024134.2 vom 17.06.2010, veröffentlicht als
DE 10 2010 024 134 A1 , offenbart. Hierbei wird über eine Öffnung des Bauteils ein Gas in das Innere des Bauteils gepumpt, um so einen Gasüberdruck im Inneren des Bauteils zu erzeugen. Beim Austreten des Gases an einer Leckage expandiert das Volumen des Gases und kühlt dabei ab. Diese Abkühlung führt zu einem Temperaturabfall des Materials um die Leckage herum. Die so entstehenden unterschiedlichen Temperaturen sind mit einer Infrarotthermografiekamera detektierbar.
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Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch nur auf teiloffene hohlförmige Bauteile anwendbar, da immer eine Öffnung im Bauteil benötigt wird, um ein entsprechendes Gas oder eine Flüssigkeit von innen durch die Leckage zu drücken. Bei geschlossenen hohlen Bauteilen sind diese Verfahren somit nicht anwendbar. Hier werden andere Verfahren oder Vorrichtungen verwendet.
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Zum Beispiel kann unter Zuhilfenahme einer Druckkammer beim Anlegen eines Überdrucks um das Bauteil eine Deformation dichter Bauteile erzeugt werden. Hingegen tritt bei undichten Bauteilen keine Deformation auf, weil aufgrund der Leckage der Druck im Innenraum des Bauteils dem Druck außerhalb entspricht. Die Deformation der Bauteile ist optisch detektierbar und maschinell auswertbar.
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Bei einem anderen Verfahren wird ebenfalls eine Druckkammer verwendet. Mittels Überdruck wird durch die Leckage des Bauteils ein gut detektierbares Gas in den Innenraum des Bauteils gedrückt. Anschließend werden die Bauteile mit einem anderen Gas gespült und mit einem Massenspektrometer geprüft. Dichte Bauteile weisen dann keine Spuren des gut detektierbaren Gases auf, während bei undichten Bauteilen immer noch Gas aus dem Innenraum über die Leckage austritt, welches von dem Massenspektrometer detektierbar ist.
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Aus der
DE 197 24 804 A1 ist ein Verfahren zur Serien-Kontrolle der Leckdichtigkeit von flexiblen oder festen Behältern, die mit Flüssigkeit gefüllt sind, bekannt geworden. Es wurde dort vorgeschlagen, zum Detektieren einer Leckflüssigkeit eine Infrarot-Kamera zu verwenden, die eine Vielzahl von Bildpunkten der Behälteroberfläche aufnimmt, die sodann in einer Auswerteelektronik oder in einem Rechner auf Gleichheit untereinander und/oder mit einem Referenzwert verglichen werden. Das Erfordernis, bei der Dichtigkeitsprüfung die zu prüfenden hohlen Bauteile mit Flüssigkeiten zur Lecksuche zu versehen, ist in der Technik unerwünscht, zeitaufwändig und für viele Anwendungsmöglichkeiten sogar unmöglich. Außerdem sind im Falle einer aus dem zu überprüfenden Behälter austretenden Flüssigkeit die durch die Infrarot Kamera festzuhaltenden Temperaturunterschiede sehr klein.
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Die
DE 10 2004 021 681 B3 betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Sprinklerampullen und beschreibt, dass die Sprinklerampulle durch Mikrowellen erwärmt werden kann, wobei eine Veränderung einer Gasblase sensorisch beobachtet wird und die gewonnenen Signale mit einem vorgegebenen Signal verglichen werden. Dieses Verfahren ist auf einen bestimmten in Anwendungsfall spezialisiert.
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Die
US 2009 / 0 273 107 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung einer Leckage an einer Vorform in einem Kunststoffverarbeitungsprozess mit einer Luftaufheizung, der Verteilung der erwärmten Luft entlang einer Verbindungsstelle an der Form und der Ermittlung von Leckstellen aufgrund der Temperaturverteilung.
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Die
DE 10 2007 046 654 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Dichtheit von befüllten Verpackungen, die durch einen Klopfer beansprucht werden, wobei der dabei entstehende Staub abgesaugt und aufgrund der Staubmenge die Dichtheit ermittelt wird.
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Gemäß der
DE 10 2007 057 944 A1 wird ein mit Testgas befüllter Prüfling in eine evakuierte Prüfkammer eingebracht. In diese wird ein Trägergas eingeleitet, das sich mit dem austretenden Prüfgas mischt. Die Gasmischung wird abgesaugt, verdichtet und mit einem Prüfgassensor wird der Partialdruck gemessen. Auch dieses Verfahren ist nicht allgemein anwendbar.
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Diese Verfahren und Vorrichtungen weisen also erhebliche Nachteile auf. Mit dem auf optisch detektierbarer Deformation basierenden Verfahren kann die Leckage am Bauteil nicht lokalisiert werden und das Verfahren mittels der Massenspektroskopie muss auf jedes Bauteil einzeln angewandt werden, so dass eine Dichtheitsprüfung größerer Stückzahlen sehr aufwendig ist und einen Kostennachteil birgt.
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Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem ein geschlossenes hohles Bauteil oder eine Verpackung zerstörungsfrei auf Dichtheit geprüft wird. Zudem soll die Leckage ortbar sein. Desweiteren sollen mehrere Bauteile gleichzeitig geprüft werden können und das Prüfverfahren soll innerhalb kürzester Zeit durchführbar sein, so dass es im Bereich der Massenproduktion angewendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Signalaufbereitungseinheit mit mindestens einem Sensor an das Druckänderungselement gekoppelt ist. derart, dass der mindestens eine Sensor die Aktivitäten des Druckänderungselements detektiert und die Informationen an die Signalaufbereitungseinheit weitergibt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Lokalisierung von Leckagen bei geschlossenen hohlen Bauteilen und Verpackungen möglich ist. So kann mit einer Lokalisierung der Fehlerstellen eine Analyse vorgenommen werden, um die Qualität des Herstellungsprozesses zu verbessern und Fehlerraten zu reduzieren. Mit einer Lokalisierung der Leckagen ist auch eine sofortige Nachbesserung der hohlen Bauteile und Verpackungen möglich, so dass ein geringerer Ausschuss bei der Produktion entsteht. Zudem ist die Anwendungszeit des Verfahrens für die Dichtheitsprüfung von geschlossenen hohlen Bauteilen und Verpackungen kurz und eine anwendungssynchrone Auswertung ist ebenfalls möglich. Desweiteren ist die simultane Dichtheitsprüfung mehrerer geschlossener Bauteile und Verpackungen mittels Infrarothermografie möglich, weil bildgebende Verfahren einen großen Erfassungsbereich abdecken können. Diese Vorteile erlauben eine Anwendung des Verfahrens in der Dichtheitsprüfung von geschlossenen hohlen Bauteilen und Verpackungen mit großen Stückzahlen, wie sie zum Beispiel in der Automobil- oder der Lebensmittelindustrie vorkommen.
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Erfindungsgemäß detektiert mindestens ein Sensor die Aktivitäten der Druckänderungseinheit und überträgt die Information an die Signalverarbeitungseinheit. So kann die Auswerteeinheit mit dem Druckänderungselement synchronisiert werden und Fehler durch Störquellen sind reduzierbar.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Aktoren, die in einer bevorzugten Ausführung als oszillierende Schwingeinheit ausgebildet sind, eine Deformation des geschlossenen hohlen Bauteils oder der Verpackung erzeugen. Der Überdruck, der kurzeitig im Innenraum des Bauteils beziehungsweise der Verpackung aufgrund der Komprimierung des geschlossenen hohlen Bauteils oder der Verpackung auftritt, hat einen Luftstrom an einer Leckage zur Folge. Die dort expandierende Luft führt zu einer lokalen Abkühlung des Bauteils oder der Verpackung. Um die Bewegungen des Aktors an das Bauteil oder die Verpackung zu übertragen, wird dieses auf die oszillierende Schwingeinheit mit einer Halterung gespannt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung und des Verfahrens besteht darin, dass die temporäre Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des geschlossenen hohlen Bauteils beziehungsweise der Verpackung und ihrer Umgebung mit einer Druckkammer erzeugt wird. Bei der Evakuierung der das Bauteil oder die Verpackung umgebenden Luft wird so eine gleichmäßige Belastung auf das Bauteil oder die Verpackung ausgeübt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung und des Verfahrens weist eine Heizeinheit auf, die in einer bevorzugten Ausgestaltung als Mikrowellensender ausgebildet ist, so dass vor allem der Innenraum des geschlossenen hohlen Bauteils oder der Verpackung erwärmt werden kann. Die thermische Anregung des Innenraums des Bauteils beziehungsweise der Verpackung führt ebenfalls zu einer Druckerhöhung im Innenraum und somit zu einer Expansion des Gases an einer Leckage, die wiederum eine lokale Abkühlung der Oberfläche des Bauteils oder der Verpackung zur Folge hat.
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Es ist vorteilhaft, als Signalaufbereitungseinheit zumindest einen Mikroprozessor oder einen Computer zu benutzen um eine Flexibilität der Signalverarbeitungsmethodik zu gewährleisten. Bei einer bevorzugten Variante wird das Signal der Thermografiekamera in einem Computer gepuffert und die Sequenzbildanalyse, vorzugweise die Differenzbildmethode, zur Darstellung und Analyse der Daten verwendet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die temporäre Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und der Umgebung des geschlossenen hohlförmigen Bauteils mittels mechanischer Deformation des Bauteils erzielt wird,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die temporäre Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und der Umgebung des geschlossenen hohlförmigen Bauteils mittels einer umgebenen Druckkammer erzielt wird und
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die temporäre Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und der Umgebung des geschlossenen hohlförmigen Bauteils mittels Mikrowellen erzielt wird, die vorzugweise das Innere des Bauteils erwärmen.
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Die 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung von geschlossenen hohlen Bauteilen. Schematisch dargestellt ist der Querschnitt eines geschlossenen hohlen Bauteils 1 in der Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung, die eine oszillierende Schwingeinheit 6, eine Infrarotthermografiekamera 4, einen Sensor 5, eine Halterung 8 und einen Computer 10 umfasst.
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Mit der Halterung 8 wird das zu prüfende Bauteil 1 auf der oszillierenden Schwingeinheit 8 derart fixiert, dass die oszillierenden Bewegungen an das Bauteil 1 übertragen werden. Schwingeinheit 6 und Halterung 8 sind so konstruiert, dass die Bewegungen der oszillierenden Schwingeinheit 6 eine Deformation 7 des Bauteils 1 erzeugt. Die Deformation 7 des Bauteils 1 ist derart zu wählen, dass diese bei einem leckagefreien Bauteil 1 elastisch ist und das Bauteil 1 nach der Verformung wieder in die ursprüngliche Form zurückkehrt. Aufgrund der Deformation 7 wird der Druck im Innenraum 3 des Bauteils 1 im Vergleich zum Umgebungsdruck des Bauteils 1 temporär erhöht, so dass an einer Leckage 2 des Bauteils 1 das Gas aus dem Innenraum 3 austritt.
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Aufgrund des erhöhten Druckes des Gases im Innenraum expandiert dessen Volumen beim Austreten des Gases, was gemäß der Thermodynamik eine Abkühlung zur Folge hat, so dass an der Oberfläche des Bauteils 1 in radialer Richtung ausgehend von der Leckage 2 ein Temperaturgradient auftritt. Die unterschiedlichen Temperaturen sind mit einer Infrarotthermografiekamera 4 detektierbar. Vorzugweise kann die Infrarotthermografiekamera 4 eine Temperaturdifferenz von 20mK bei zwei aufeinander folgenden Bildern detektieren. Es ist möglich, dass mehrere Infrarotthermografiekameras 4 mehrere Seiten des Bauteils 1 gleichzeitig beobachten, um so eine Überprüfung des Bauteils 1 in einem Druckänderungszyklus zu zulassen. Um die Anzahl der Infrarotthermografiekameras 4 zu reduzieren, aber dennoch das Bauteil 1 von allen Seiten auf Dichtheit zu prüfen, kann die Infrarotthermografiekamera 4 beweglich sein und so zwischen den Druckänderungszyklen ihre Position oder Ausrichtung ändern. Um dennoch mit möglichst wenigen Infrarotthermografiekameras 4 in einem Druckänderungszyklus die Dichtheitsprüfung vorzunehmen, ist es vorstellbar, dass über eine Spiegelanordnung mit der Infrarotthermografiekamera 4 mehrere Seiten des Bauteils 1 gleichzeitig beobachtet werden können.
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Zur Weiterverarbeitung der Bilddaten der Infrarotthermografiekamera 4 werden diese an einen Computer 10 zur Signalaufbereitung übertragen. Dort werden die Bilddaten gepuffert, so dass die Differenzbildmethode angewandt werden kann. Dabei werden mindestens zwei Bilder herangezogen, die das Bauteil 1 mit erhöhtem oder verringertem Druck im Innenraum 3 und im unstimulierten Zustand zeigen. Auch andere Signalbearbeitungsverfahren wie die Fourier-Transformation und die Karhunen-Loeve-Transformation sind anstelle der Differenzbildmethode oder auch in beliebiger Kombination untereinander verwendbar. Die Daten aus der Signalaufbereitungseinheit 10 können dann einem Benutzer mittels eines Bildschirms bereitgestellt werden oder von einer nicht dargestellten Auswerteeinheit automatisiert analysiert werden. Zur besseren Fehleranalyse der Leckage 2 können die Daten aus der Signalaufarbeitungseinheit mit sichtbaren Bilddaten einer weiteren, ebenfalls nicht dargestellten, Kamera überlagert werden, so dass zur Orientierung eine einfachere Lokalisierung der Leckage möglich ist.
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Die 2 zeigt eine Variante der Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung von geschlossenen hohlen Bauteilen 1, die sich in der Erzeugung der temporären Druckdifferenz zwischen dem Innenraum 3 des geschlossenen hohlen Bauteils 1 und seiner Umgebung von dem Ausführungsbeispiel nach 1 unterscheidet. Schematisch dargestellt ist der Querschnitt eines geschlossenen hohlen Bauteils 1 in der Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung, die eine Druckkammer 6' mit einer infrarotdurchlässigen Scheibe 9, eine Infrarotthermografiekamera 4, einen Sensor 5, eine Halterung 8 und einen Computer 10 umfasst.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird mit der Druckkammer 6', die das geschlossene hohle Bauteil 1 umgibt, schlagartig ein Über- oder Unterdruck um das Bauteil 1 erzeugt, so dass eine möglichst große temporäre Druckdifferenz zwischen dem Innenraum 3 des Bauteils 1 und seiner Umgebung entsteht. Diese Druckdifferenz hat wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 eine Abkühlung des Bauteils 1 an der Leckage 2 zur Folge, die ebenfalls mit einer Infrarotthermografiekamera 4 detektiert und an einen Computer 10 zur Signalaufbereitung übertragen wird.
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Als Alternativ zu diesem Ausführungsbeispiel kann die Infrarotthermografiekamera 4 auch im Inneren der Druckkammer 6' angebracht werden und somit wird keine infrarotdurchlässigen Scheibe 9 benötigt.
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Bei einem dritten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung von geschlossenen hohlen Bauteilen 1 erfolgt die temporäre Druckdifferenz zwischen dem Innenraum 3 des geschlossenen hohlen Bauteils 1 und seiner Umgebung aufgrund von Erhitzung des Innenraums 3. Dieses Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist in 3 zu sehen. Hierbei soll mit einem Mikrowellensender 6" vor allem der Innenraum 3 des Bauteils 1 mit Mikrowellen 11 erwärmt werden. Um eine gezieltere Erhitzung zu erzielen, ist denkbar, Materialien bei der Herstellung des Bauteils 1 im Innenraum 3 zu platzieren, die einen ausgeprägten Dipolcharakter haben, so dass sie bei der Mikrowellenstrahlung gut mitschwingen. Die Detektion der Leckage erfolgt wie bei den beiden vorherigen Ausführungsbeispielen nach 1 und 2.
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Um den Einfluss anderer Störquellen zu reduzieren und somit eine genauere Aussage über eine Leckage 2 zu treffen, detektiert ein Sensor 5 die Bewegungen der Schwingeinheit 6, beziehungsweise den Druck in der Druckkammer 6' oder die Emission des Mikrowellensenders 6", um eine entsprechende Zuordnung der Daten der Infrarotthermografiekamera 4 im Computer 10 herzustellen und somit eine optimale Signalaufbereitung zu gewährleisten.
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Um eine möglichst starke Abkühlung an der Leckage 2 zu erzielen, die aufgrund einer großvolumigen Expansion des Gases aus dem Innenraum 3 des Bauteils 1 folgt, muss ein starker Fluss des Gases aus dem Innenraum 3 des Bauteils 1 durch die Leckage 2 erzeugt werden. Eine Verstärkung der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum 3 des Bauteils und seiner Umgebung kann mit einer beliebigen Kombination der drei konzeptionell vorgestellten Ausführungsbeispiele erzielt werden.
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Mit den Vorrichtungen und den Verfahren werden bevorzugt Leckagen 2 in der Größe von 50µm bis 1mm Seitenlänge detektiert.
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Desweiteren ist vorgesehen, dass die Prüfung auf Dichtheit von geschlossenen hohlen Bauteilen 1 in der Serienproduktion eingesetzt werden kann und eine 100%ige Prüfung der geschlossenen hohlen Bauteile 1 oder der Verpackungen möglich ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- geschlossenes hohles Bauteil
- 2
- Leckage
- 3
- Innenraum
- 4
- Infrarotthermografiekamera
- 5
- Sensor
- 6
- Aktor (Schwingeinheit)
- 6'
- Druckkammer
- 6"
- Heizeinheit (Mikrowellensender)
- 7
- Deformation
- 8
- Halterung
- 9
- Fenster der Druckkammer
- 10
- Signalaufbereitungseinheit (Computer)
- 11
- Mikrowellen
