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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Erkennung einer Deformation eines Halbzeugs während einer Umformung des Halbzeugs gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt. Bei einem Verfahren zur optischen Erkennung einer Deformation eines Halbzeugs online während dessen Umformung mithilfe eines Zwei-Kameramesssystems wird vor dem Umformen ein Muster auf dem Halbzeug aufgebracht. Anschließend wird das Halbzeug umgeformt, wobei während der Umformung mindestens zwei Stereoaufnahmen von dem Muster angefertigt werden. Aus diesen kann die erwünschte Umformung und gegebenenfalls auch eine unerwünschte Deformation des Halbzeugs erkannt werden. Jedenfalls ist ein Vergleich des Zustands des Halbzeugs zu den Zeiten der nachfolgenden Stereoaufnahmen mit dem Zustand zu dem Zeitpunkt der ersten Stereoaufnahme möglich. Typischerweise wird eine Vielzahl von Stereoaufnahmen aufgenommen, um nach Möglichkeit den gesamten Umformprozess nahezu kontinuierlich beobachten und dabei auftretende Deformationen erkennen zu können. Das bekannte Verfahren wird typischerweise für Metallhalbzeuge durchgeführt. Diese werden zunächst zumindest im Bereich einer einem Stereosensor oder zwei Kameras zugewandten Oberfläche vollständig weiß lackiert, um einen möglichst hohen Kontrast zu erzeugen. Anschließend wird mit einem Graphit-Lackspray ein schwarzes, stochastisches Muster aus statistisch regellos verteilten Punkten aufgesprüht. Dieses Muster wird während des Verfahrens durch das Messsystem in den einzelnen Aufnahmen wiedergefunden, sodass die Aufnahmen einander zugeordnet beziehungsweise miteinander verglichen werden können, um die Umformung und gegebenenfalls die Deformation des Halbzeugs zu erkennen.
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Sollen mithilfe des Verfahrens Faserhalbzeuge vermessen werden, ist dies mithilfe der bekannten Probenpräparation nicht möglich, weil der zur Kontrasterhöhung aufzubringende weiße Lack ein Drapierverhalten des Faserhalbzeugs durch Verkleben benachbarter Faserbündel, sogenannter Rovings, stark negativ beeinflusst. Hinzu kommt, dass Lichtreflektionen auf der Oberfläche des Faserhalbzeugs die Messung stark stören.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur optischen Erkennung einer Deformation eines Halbzeugs während einer Umformung desselben zu schaffen, welches auch für Faserhalbzeuge, insbesondere Kohlefaserhalbzeuge geeignet ist, um deren Umformung und gegebenenfalls Deformation während einer Drapierung zu verfolgen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird.
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Dadurch, dass als Muster eine Vielzahl lumineszierender, vorzugsweise photolumineszierender Markierungen auf das Faserhalbzeug aufgebracht wird, erübrigt sich das Aufbringen eines kontrasterhöhenden Lacks, weil die Lumineszenz der das Muster bildenden Markierungen in einem anderen spektralen Bereich angeordnet ist als von der Oberfläche des Faserhalbzeugs reflektierte Strahlung. Hierdurch wird zugleich das Problem vermieden, dass Lichtreflexionen an der Oberfläche die Messung stören. Als Halbzeug wird entsprechend ein Faserhalbzeug verwendet, vorzugsweise ein Kohlefaserhalbzeug. Dieses wird während der Messung auf einem Prüfkörper drapiert, um seine Umformeigenschaften und gegebenenfalls Deformationen untersuchen zu können.
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Der Begriff „Faserhalbzeug” spricht im Rahmen des Verfahrens Halbzeuge an, die Einzelfasern oder Faserbündel umfassen. Dies können Kohlefasern, Glasfasern oder andere Fasern sein. Das Verfahren ist auf Faserhalbzeuge anwendbar, unabhängig davon, welches Material die Fasern umfassen und ob das Faserhalbzeug aus Einzelfasern oder Faserbündeln besteht.
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Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens eine Umformung und gegebenenfalls Deformation eines als Gewebe oder als Gelege ausgebildeten Faserhalbzeugs beobachtet beziehungsweise erkannt.
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Als Lumineszenz wird die Eigenschaft von Stoffen bezeichnet, nach energetischer Anregung elektromagnetische Strahlung, insbesondere sichtbares Licht, zu emittieren. Die Anregung kann beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung, radioaktive Teilchenstrahlung, chemische Reaktionen, biologische Vorgänge, thermische Anregung oder sonstige geeignete Mechanismen erfolgen. Im Rahmen des Verfahrens werden bevorzugt photolumineszierende Markierungen eingesetzt, also solche, die durch elektromagnetische Strahlung zur Emission elektromagnetischer Strahlung, insbesondere sichtbaren Lichts, angeregt werden.
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Das Phänomen der Photolumineszenz wird unterteilt in Fluoreszenz einerseits und Phosphoreszenz andererseits. Eine Unterscheidung zwischen den beiden Phänomenen erfolgt abhängig von der Zeitdauer, die zwischen der Anregung des photolumineszierenden Stoffes und der Emission von Lichtquanten vergeht. Dabei beträgt die Zeitskala, auf der bei der Fluoreszenz nach der Absorption eines Anregungsquants die Emission eines Photons erfolgt, typischerweise ungefähr einige Nanosekunden. Entsprechend klingt die Fluoreszenzintensität einer Probe nach dem Ende der Anregung bereits innerhalb von ungefähr einer Mikrosekunde ab. Dagegen kann das Nachleuchten bei der Phosphoreszenz erheblich länger und insbesondere bis zu mehreren Stunden andauern.
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Bezüglich der Emissionswellenlänge im Vergleich zu der Absorptionswellenlänge gilt für photolumineszierende Stoffe die sogenannte Stokes'sche Regel, nach der die emittierte Strahlung längerwelliger ist als die absorbierte Strahlung. Es wird also weniger Energie emittiert, als ursprünglich absorbiert wird. Die verbleibende Energie wird insbesondere in angeregte Schwingungszustände der an dem Vorgang beteiligten Moleküle und somit in Wärme umgesetzt.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass fluoreszierende Markierungen auf das Faserhalbzeug aufgebracht werden. Diese leuchten häufig heller als phosphoreszierende Markierungen, weisen aber – wie bereits ausgeführt – eine deutlich kürzere Nachleuchtdauer auf.
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Alternativ wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass phosphoreszierende Markierungen auf das Faserhalbzeug aufgebracht werden. Diese weisen im Vergleich zu fluoreszierenden Markierungen den Vorteil einer langen Nachleuchtdauer auf.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die photolumineszierenden Markierungen so gewählt werden, dass sie bei einer Anregungswellenlänge von mindestens 280 nm bis höchstens 400 nm anregbar sind. Bevorzugt werden also Markierungen verwendet, die durch ultraviolettes Licht, sogenanntes UV-Licht, angeregt werden können, wobei Objekte, die fluoreszierende Eigenschaften aufweisen, im technischen Sprachgebrauch oft auch als UV-Aktive bezeichnet werden. Die Emission solcher photolumineszierender Markierungen liegt vorzugsweise im optisch sichtbaren Bereich, sodass eine einfache und definierte Kanaltrennung zwischen dem Anregungslicht und dem emittierten Licht möglich ist. Insbesondere ist es möglich, Kameras und/oder Sensoren, die im Rahmen des Verfahrens eingesetzt werden, mit UV-Filtern auszustatten, welche die Anregungswellenlänge herausfiltern. Auch die Verwendung von Kantenfiltern ist möglich, die Wellenlängen unterhalb eines vorherbestimmten Werts blockieren und nur Wellenlängen oberhalb dieses Werts durchlassen.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Vielzahl lumineszierender Markierungen als stochastisches Muster auf das Faserhalbzeug aufgebracht wird. Alternativ ist es möglich, ein regelmäßiges Musters lumineszierender Markierungen auf das Faserhalbzeug aufzubringen. Es zeigt sich jedoch, dass für das Verfahren, insbesondere für die quasi-kontinuierliche Beobachtung einer Umformung, Drapierung und/oder Deformation des Faserhalbzeugs eine stochastische Verteilung der lumineszierenden Markierungen, insbesondere eine statistisch regellose Bepunktung des Faserhalbzeugs mit einem photolumineszierenden Farbstoff besonders geeignet ist, weil sich insbesondere auch lokal unterscheidbare und deutlich identifizierbare Markierungs-Konstellationen, mithin lokale Muster ergeben, die in den verschiedenen Stereoaufnahmen ohne Weiteres erkannt und zugeordnet werden können. Ein reguläres Muster weist demgegenüber keine entsprechenden lokal ausdifferenzierten Bereiche auf, sondern zeichnet sich gerade durch regelmäßig wiederkehrende, identische lokale Strukturen aus.
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Es wird auch verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Markierungen auf das Faserhalbzeug aufgebracht werden, indem dieses mit einem Puder bestäubt wird. Vorzugsweise wird das Faserhalbzeug stochastisch mit dem Puder bestäubt. Dies ist eine besonders einfache und auch kostengünstige Möglichkeit, insbesondere ein stochastisches Muster auf das Faserhalbzeug aufzubringen, weil der Puder beim Aufbringen ohne Weiteres stochastisch auf die Oberfläche des Faserhalbzeugs rieselt.
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Vorzugsweise wird die Bepuderung mit einem Kleber fixiert. Dabei kommt besonders bevorzugt ein Sprühkleber zum Einsatz. Vorzugsweise wird ein möglichst dünner Sprühkleber-Film aufgebracht, um die Bepuderung mit der Faseroberfläche zu verbinden. Hierbei soll nämlich gewährleistet sein, dass das Drapierverhalten des Faserhalbzeugs nicht negativ durch Roving-Verklebungen beeinflusst wird. Der möglichst dünne Auftrag des Sprühklebers soll sicherstellen, dass benachbarte Faserbündel, also Rovings, nicht miteinander verkleben, wobei der Sprühkleber auch nicht in die Faserbündel eindringen soll, sodass diese quasi nicht intrinsisch, also innerhalb der Bündelstruktur, verkleben.
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Es ist möglich, das stochastische Muster, mithin die Vielzahl von Markierungen von Hand oder mithilfe einer maschinellen Vorrichtung auf das Faserhalbzeug aufzubringen. Neben einer Bepuderung kommt hier alternativ oder zusätzlich auch ein Besprühen des Faserhalbzeugs mit einem UV-aktiven Farbstoff infrage.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, dass sich dadurch auszeichnet, dass als Deformation eine translatorische und/oder rotatorische Lagenverschiebung des Faserhalbzeugs erkannt wird. Hierzu ist anzumerken, dass die Fertigung von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere von Glas- oder Kohlefaserverbundwerkstoffen üblicherweise zweistufig erfolgt. Dabei wird zunächst durch Drapieren eines Faserhalbzeugs eine Vorform erzeugt (sogenanntes Preforming), wobei anschließend eine Harzinjektion durchgeführt wird, um das eigentliche Bauteil zu erhalten. In der Vorform kann das Faserhalbzeug aufgrund der Drapierung deformiert sein, wobei die Deformation als Makro-, Meso- oder Mikrophänomen auftreten kann. Dabei spricht der Begriff Makrophänomen an, dass eine Deformation auftritt, die Schichten des Faserhalbzeugs betrifft, wobei beispielsweise verschiedene Schichten gegeneinander verschoben oder rotiert sind. Ein Mesophänomen betrifft eine Deformation auf der Größenskala einer einzelnen Faser beziehungsweise eines Faserbündels, je nachdem, ob das Faserhalbzeug aus einzelnen Fasern oder aus Faserbündeln gebildet ist. Typische Deformationen auf der Mesoebene sind eine Streckung, Verschiebung, Biegung und/oder Dehnung von Fasern beziehungsweise Faserbündeln. Eine Deformation auf der Mikroebene oder ein Mikrophänomen spricht eine Deformation innerhalb eines Faserbündels an, beispielsweise eine Rovingverdrillung oder eine Rovingkompression. Dabei sind bei einer Rovingverdrillung die einzelnen Fasern eines Bündels gegeneinander verdreht, während bei einer Rovingkompression der – in radialer Richtung gemessene – Abstand der einzelnen Fasern eines Bündels zueinander verkleinert ist.
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Eine mithilfe des Verfahrens bevorzugt untersuchte translatorische und/oder rotatorische Lagenverschiebung betrifft also ein Deformationsphänomen auf der Makroebene, das auch als interlaminares Gleiten bezeichnet wird. Eine Verschiebung oder Verdrehung von Schichten des Faserhalbzeugs gegeneinander kann ohne Weiteres mithilfe des Verfahrens beobachtet werden. Auch eine Flächenscherung innerhalb einer Schicht des Faserhalbzeugs kann vorzugsweise mithilfe des Verfahrens erkannt werden, wobei es sich ebenfalls um ein Makrophänomen handelt.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, dass sich dadurch auszeichnet, dass die mindestens zwei Stereoaufnahmen mithilfe von mindestens zwei Kameras, bevorzugt mithilfe eines Zwei-Kameramesssystems aufgenommen werden. Es ist auch möglich, dass ein Stereosensor verwendet wird, in den vorzugsweise zwei Bildaufnahmeeinrichtungen, insbesondere Kameras, integriert sind.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass kontinuierlich während der Umformung des Faserhalbzeugs eine Vielzahl von Stereoaufnahmen aufgenommen werden. Insbesondere wird bevorzugt eine vorherbestimmte Bildrate gewählt, also eine vorherbestimmte Anzahl von Aufnahmen, die pro Sekunde mithilfe des Zwei-Kameramesssystems, der mindestens zwei Kameras und/oder des Stereosensors angefertigt werden. Werden zwei separate Kameras eingesetzt, sind diese vorzugsweise miteinander synchronisiert, sodass gleichzeitig Stereo-Bildpaare aufnehmbar sind. Je höher die Bildrate gewählt wird, desto detaillierter kann die Umformung des Faserhalbzeugs und gegebenenfalls auch dessen Deformation verfolgt werden.
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Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein aktueller Umformzustand und/oder eine aktuelle Deformation des Faserhalbzeugs bestimmt wird, indem eine aktuelle Stereoaufnahme des Musters mit einer ursprünglichen Stereoaufnahme des unverformten Musters und/oder mit einer vorhergehenden Stereoaufnahme verglichen wird. Es ist also möglich, zu jedem Zeitpunkt der Messung oder für jeden Zeitpunkt der Messung die aktuelle Verformung des Faserhalbzeugs durch Vergleich der aktuellen Stereoaufnahme mit der ursprünglichen Stereoaufnahme zu ermitteln. Insbesondere ist es möglich, nach Abschluss des Verfahrens die Endverformung des Faserhalbzeugs mit dem Ausgangszustand zu vergleichen. Um eine kontinuierlichere Auswertung des Umformprozesses beziehungsweise Deformationsverhaltens zu erhalten, ist es auch möglich, einzelne Stereoaufnahmen mit vorhergehenden Stereoaufnahmen zu vergleichen, sodass die Veränderungen quasi zeitlich lokal untersucht werden können.
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Die auf diese Weise gewonnenen Messdaten werden bevorzugt in Form von Bildern oder Filmen grafisch dargestellt. Insbesondere werden für eine Auswertung aus den aufgenommenen Aufnahmesequenzen Filme über den Verlauf der Verformung erstellt, in denen vorherbestimmte Messwerte und Materialkennwerte grafisch anschaulich und detailgetreu dargestellt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung des Verfahrens.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Zwei-Kameramesssystems 1 zur optischen Erkennung einer Deformation eines in einem Drapierprüfstand 3 angeordneten Faserhalbzeugs 5, welches auf einem Prüfkörper 7 drapiert wird. Hierzu wird der Prüfkörper 7 entlang von Pfeilen P verlagert, wobei das Faserhalbzeug 5 in Spanneinrichtungen 9, 11 gehalten beziehungsweise geführt ist, um eine definierte Vorspannung beim Drapieren zu gewährleisten. Während des Drapiervorgangs auf dem Prüfkörper 7 kann das Faserhalbzeug 5 aus den Spanneinrichtungen 9, 11 nachrutschen, wobei es unter der definierten Vorspannung gehalten wird, um ein möglichst faltenfreies Anlegen an einer Oberfläche des Prüfkörpers 7 zu gewährleisten.
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Vor der Umformung wird eine dem Zwei-Kameramesssystem 1 zugewandte Oberfläche 13 mit einem stochastischen Muster versehen, welches eine Vielzahl lumineszierender, vorzugsweise photolumineszierender Markierungen umfasst.
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Die Oberfläche 13 wird während der Umformung beziehungsweise Drapierung von zwei Kameras 15, 15' mit einer vorherbestimmten Bildrate aufgenommen. Dabei sind die Kameras 15, 15' vorzugsweise mit einem Messrechner 17 verbunden, von dem die Aufnahmen ausgewertet werden. Dabei wird das Muster in jeder Stereoaufnahme erkannt, wobei auch lokale Strukturen identifizierbar sind. Eine Umformung und auch Deformation des Faserhalbzeugs 5 ist daher mithilfe des Zwei-Kameramesssystems 1 mit hoher Zeit- und Ortsauflösung sowie hoher Genauigkeit erfassbar.
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Die Oberfläche 13 des Faserhalbzeugs 5 wird mit einer in der Figur nicht dargestellten ultravioletten Beleuchtung angestrahlt, wobei die photolumineszierenden Markierungen im sichtbaren Bereich aufleuchten und durch die Kameras 15, 15' erfassbar sind. Dabei findet eine Kanaltrennung zwischen der Beleuchtungswellenlänge einerseits und der von den Markierungen ausgehenden Wellenlänge andererseits statt, sodass in den Stereo-Aufnahmen, die von den Kameras 15, 15' angefertigt werden, keine störenden Reflexionen der Oberfläche 13 mehr vorhanden sind. Aufgrund der vorzugsweise sehr dünnen Sprühkleberschicht, mit der die photolumineszierenden Markierungen, insbesondere in Form einer photolumineszierenden Bepuderung auf der Oberfläche 13 fixiert werden, ist das Drapierverhalten des Faserhalbzeugs 5 nicht durch die Bemusterung negativ beeinflusst.
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Insgesamt ist es möglich, mithilfe des Verfahrens sehr genau mit hoher Zeit- und Ortsauflösung eine Körpertranslation einer Faserlage des Faserhalbzeugs 1 als wichtigen Indikator zur Bestimmung der Lagenverschiebung, insbesondere des interlaminaren Gleitens, als relevantes Deformationsphänomen auf der Makroebene zu beobachten.
