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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Konzept zur Messung einer Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes wie zum Beispiel zur Qualitätsprüfung und/oder Weiterverarbeitung und für eine Herstellung eines Objekts in Kohlefaserverbundbauweise.
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Im modernen Leichtbau werden zunehmend Kohlefasern zur Erhöhung der Festigkeit sogenannter Kohlefaserverbundwerkstoffe eingesetzt. Insbesondere bei sicherheitskritischen Bauteilen aus diesen Verbundwerkstoffen, wie z. B. im Flugzeugbau, Automobilbau oder dergleichen, sind die korrekte Lage und der korrekte Verlauf, also die Richtung der Kohlefasern, von entscheidender Bedeutung für die mechanische Festigkeit und Belastbarkeit des fertigen Bauteils. An jedem Punkt bzw. an allen relevanten Punkten des Werkstücks ist es nötig, den Faserverlauf bzw. den Winkel, in dem die Kohlefasern liegen, mit einer bestimmten Genauigkeit zu messen. Üblicherweise werden bei der Fertigung mehrere Lagen von Kohlefasergeweben nacheinander übereinander geschichtet und jeweils mit speziellen Kunststoffen getränkt und ausgehärtet. Jede dieser Lagen muss hinsichtlich des Faserverlaufs qualifiziert werden. Da die Kohlefaserlagen für sichtbares Licht nicht transparent sind, muss die Prüfung der Faserrichtung für jede Lage einzeln jeweils nach dem Aufbringen dieser Lage durchgeführt werden.
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Die Faserrichtung wird bisher auf verschiedene Weise gemessen bzw. kontrolliert, nämlich a) visuell durch das Fertigungspersonal, b) durch Aufbringen von Markierungen durch das Fertigungspersonal, Erfassung der Markierungen mittels eines Kamerasystems und Weiterverarbeitung der Kamerabilder durch eine entsprechende Software, und c) durch Aufnahme der Kohlefasern mit einem Kamerasystem, dessen Pixelauflösung allerdings so hoch sein muss, dass die einzelnen Kohlefasern bildhaft aufgelöst werden, so dass aus den Bilddaten mittels einer speziellen Software die Richtung der Kohlefasern an jedem Ort des Bildes bestimmt werden kann.
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Die Lösungen a) und b) bedürfen der Mitwirkung des Fertigungspersonals und sind daher aufgrund der bekannten subjektiven Effekte schlecht reproduzierbar und fehleranfällig. Außerdem sind die Lösungen zeitintensiv und damit teuer. Eine vollständig automatisierte Prüfung ist nicht möglich. Die Lösung c) benötigt eine vergleichsweise hohe Pixelauflösung der verwendeten Kamera. Neben den höheren Kosten für eine Kamera mit hoher Auflösung entstehen bei hohen Pixelzahlen mehr Bilddaten, die bei gleicher Bildrate zu höherer Bildübertragungsgeschwindigkeit sowie höherer Rechenleistung für die Bildauswertung führen. Höhere Datenrate und hohe Rechenleistung führen wiederum zu höheren Kosten. Andersherum betrachtet bedeutet dies, dass bei einem bestimmten Kostenaufwand die Prüfgeschwindigkeit limitiert ist. Letztlich heißt das, dass für die Prüfung einer bestimmten Fläche eines Kohlefaserverbundbauteils die zulässigen Kosten die Prüfgeschwindigkeit bestimmen. Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, dass die Faserrichtung per Software aus den Bilddaten errechnet werden muss. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse hängt also wesentlich von der Qualität der Software ab. Insbesondere bei mit Kunststoff getränktem Gewebe ist die Erkennung der Faserrichtung zudem deutlich ungenauer und weniger zuverlässig als bei ungetränktem, sogenanntem „textilem” Gewebe.
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Die
EP 0160304 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Faserorientierung von Papier, mit Werfen von Infrarotlicht auf Papier, wobei das Infrarotlicht durch das Papier durchgelassen oder reflektiert wird. Das Ergebnis wird gemessen, um den Grad an Dämpfung zu erfassen, der durch Absorptionseffekte des Papiers bewirkt wird. Die Messung wird mit polarisiertem Infrarotlicht durchgeführt und die Polarisationsrichtung wird verändert. Die Erfassungssignale werden verarbeitet, um so die Faserorientierung als eine Darstellung in Polarkoordinaten anzuzeigen. Alternativ kann erst die Polarisation durchgeführt werden, bevor das Infrarotlicht auf eine Papierprobe geworfen, dasselbe linear polarisiert und die Richtung der Polarisation verändert wird. Die Darstellung, die auf Polarkoordinaten angezeigt ist, nimmt die Form eines Ellipsoids an, dessen Hauptachse mit der Achse der Hauptorientierung der Fasern übereinstimmt.
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Die
DE 19913924 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Bestimmen der Faserorientierung in Faserstoffbahnen, insbesondere Papierbahnen, mit wenigstens einer Quelle für elektromagnetische Strahlung und zumindest einem Sensor für von der Quelle ausgesandte und die Faserstoffbahn durchdringende Strahlung, wobei die Quelle auf der einen und der Sensor auf der anderen Seite der Faserstoffbahn positionierbar ist, und wobei im Strahlungsweg zwischen der Quelle und dem Sensor wenigstens eine die Ausbreitung der Strahlung in Abhängigkeit von deren Polarisationseigenschaften beeinflussende optische Einrichtung positionierbar ist. Außerdem ist ein Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung in Faserstoffbahnen beschrieben.
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Die
DE 69532518 T2 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Orientierung von Fasern auf der Oberfläche einer Vielzahl von Papieren, wie z. B. Kopierpapier, Endlospapier und Papiermaterial für beschichtetes Papier, durch Richten von Einfallslicht von einer Projektionseinheit auf die Oberfläche des zu messenden Papiers bei einem vorgegebenen Einfallswinkel und Empfangen der Lichtintensität mittels einer Empfangseinheit, die durch und von der Oberfläche des Papiers mit dem gleichen Winkel der regulären Reflexion als Einfallswinkel reflektiert wird. Das Einfallslicht ist entweder ein linearisierter polarisierter Strahl oder ein unpolarisierter Lichtstrahl.
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Die
DE 60220213 T2 beschreibt eine Analysevorrichtung und ein Analyseverfahren zur Messung von optischen und elektrischen Eigenschaften von Materialien mittels einer spektroskopischen Methode, und im besonderen eine Analysevorrichtung und ein Analyseverfahren zur nichtdestruktiven und berührungslosen Materialmessung ohne Referenzmessung. Dafür weist eine Vorrichtung zum Beaufschlagen einer Probe mit einer elektromagnetischen Welle und zur Analyse einer Polarisation der elektromagnetischen Welle, die von einer Probe kommt, eine Lichtquelle zur Erzeugung optischer Pulse, ein Lichtaufspaltungsteil, ein Kollimationsteil, ein Polarisationsteil, ein Lichtanalysatorteil, ein Kondenserteil und ein optisches Zeitverzögerungsteil auf.
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Die
DE 10 2010 038 522 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen einer Verlaufsrichtung von Fasern eines für die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils vorgesehenen Preformlings, bei dem zumindest eine Prüfelektrode in den Preformling eingebracht wird, um in einem vorbestimmten Prüffeld verlaufende Fasern zu kontaktieren, wobei über die Prüfelektrode ein elektrischer Prüfstrom durch die kontaktierten Fasern geleitet wird, um die Fasern konduktiv aufzuheizen, und wobei eine von den aufgeheizten Fasern emittierte Infrarotstrahlung mittels eines Infrarotsensors in einem vorgegebenen Raster erfasst und von dem Infrarotsensor generierte Messwerte zur Bestimmung der Verlaufsrichtung der Fasern ausgewertet werden. Weiterhin beschrieben ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Wünschenswert wäre demnach ein Konzept zur Messung der Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes oder ein Konzept zur Herstellung eines Objekts in Kohlefaserverbundbauweise, das obige Nachteile überwindet bzw. eine kostengünstigere Herstellung bei gleicher Qualität bzw. Genauigkeit ermöglicht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Konzept zur Messung einer Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes sowie ein Konzept zur Herstellung eines Objekts in Kohlefaserverbundbauweise mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der beigefügten unabhängigen Schutzansprüche gelöst.
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Die vorliegende Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass es möglich ist, die Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes eines zu prüfenden Objektes anhand der Polarisationsrichtung eines von dem zu prüfenden Objekt reflektierten Lichts zu erkennen. Trifft beispielsweise unpolarisiertes Licht auf Kohlefasern bzw. Carbonfasern, so ist das von den Fasern reflektierte Licht in Faserrichtung polarisiert. Die Wellenlänge des Lichts liegt beispielsweise in einem Bereich von 400 bis 1000 Nanometern.
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Es ist möglich, die Faserrichtung des Kohlefaserwerkstoffes, wie z. B. eines Kohlefasergewebes oder eines Kohlefaserverbundwerkstoffes, mittels der Polarisation von Licht bildhaft zu vermessen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird demgemäß als Polarisationssensor eine polarisationssensitive Kamera verwendet, die das zu prüfende Objekt aufnimmt, um eine ortsaufgelöste Erfassung der Polarisationsrichtung und damit eine ortsaufgelöste Abtastung der Faserrichtung zu erhalten. Vorteilhafterweise ist es dazu nicht notwendig, dass die Auflösung der polarisationssensitiven Kamera ausreicht, um die Fasern optisch aufzulösen. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Ortsauflösung der polarisationssensitiven Kamera in der Objektebene des Objektivs der Kamera niedriger sein als notwendig wäre, um die Struktur der Fasern an der Oberfläche des Kohlefaserwerkstoffes aufzulösen, d. h. der Pixelwiederholabstand in der Objektebene des Objektivs kann größer sein als beispielsweise der Faserradius.
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Vorteilhafte Implementierungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Figuren näher erläutert, unter welchen
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Messung einer Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes eines zu prüfenden Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2 eine schematische Zeichnung einer als Polarisationssensor fungierenden polarisationssensitiven Kamera gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, und
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3 ein Blockschaltbild eines Systems zur Herstellung eines Objekts in Kohlefaserverbundbauweise gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt.
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung einer Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes eines zu prüfenden Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Kohlefaserwerkstoff kann es sich beispielsweise um ein Kohlefasergewebe handeln, wie es in 1 durch die Kreuzschraffur versinnbildlicht ist. Allerdings kann es sich auch um einen Kohlefaserverbundwerkstoff handeln. In 1 handelt es sich bei dem zu prüfenden Objekt 10 aus dem Kohlefaserwerkstoff beispielsweise um eine Lage bzw. ein Laminat aus Kohlefasergewebe, das beispielsweise dazu vorgesehen ist, nach Vermessung auf eines oder mehrere andere Kohlefaserlagen angelegt zu werden, um zusammen einen Kohlefaserverbund zu ergeben. Hierzu ist es eben wichtig, die Faserrichtungen des Kohlefaserwerkstoffes zu kennen. Die Faserrichtung kann aber auch aus anderen Gründen benötigt sein. In 1 ist exemplarisch in der gestrichelten Vergrößerung 12 eine Aussicht auf eine Vorderseite 14 des zu prüfenden Objekts 10 und dessen Kohlefaserwerkstoff gezeigt. Darin sind Faserbündel 16 zu einem Gewebe 18 miteinander verwoben. Alternativ kann es sich bei dem Objekt bereits um einen Stapel von vorgenannten Kohlefaserlagen – mit oder ohne Kunststoffmatrix, und zwar einer ausgehärteten oder noch unausgehärteten, handeln, d. h. um ein Produkt oder Zwischenprodukt aus Kohlefaserverbundwerkstoff.
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Die Vorrichtung zur Messung der Faserrichtung des Kohlefaserwerkstoffes 18 des zu prüfenden Objekts 10 von 1 ist allgemein mit 20 angezeigt und umfasst eine Lichtquelle 22, einen Polarisationssensor 24 und optional einen Computer 26 sowie optional einen Monitor 28. Die Lichtquelle 22 ist dazu ausgebildet, das zu prüfende Objekt 10 zu beleuchten. Der Polarisationssensor 24 ist dazu ausgebildet, eine Polarisationsrichtung eines von dem zu prüfenden Objekts 10 reflektierten Lichtes zu erfassen, also insbesondere des Lichts, mit dem das zu prüfende Objekt durch die Lichtquelle 22 beleuchtet wurde und das dann in den Polarisationssensor 24 reflektiert wird, wobei die Polarisationsrichtung die Faserrichtung des Objekts 10 an dessen beleuchteten Vorderseite 14 angibt.
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Im aufgebauten Zustand ist also die Lichtquelle 22 so ausgerichtet, dass sie das zu prüfende Objekt 10 ausleuchtet. Das von der Lichtquelle 22 ausgestrahlte Licht 30 ist beispielsweise unpolarisiert. Es handelt sich beispielsweise um eine Halogenlampe, Glühemissionslampe, LED oder dergleichen. Es können auch gleichzeitig mehrere Lampen gleicher oder unterschiedlicher Art aus verschiedenen Richtungen das Objekt 10 beleuchten, oder mithilfe anderer Vorrichtungen wie Spiegel, Lichtleitfasern oder dergleichen eine Beleuchtung aus mehreren Richtungen realisiert sein, d. h. die Lichtquelle kann mehrere Lampen und/oder zusätzliche Lichtführungseinrichtungen, wie z. B. Spiegel etc., aufweisen, um eine Beleuchtung des Objekts 10 aus unterschiedlichen Richtungen zu realisieren und um dadurch zu einer vollständigeren Ausleuchtung der von dem Polarisationssensor 24 abgetasteten bzw. letzterem zugewandten Oberfläche 14 zu gelangen, also unter Vermeidung von Abschattungen usw. Das Lichtspektrum des Lichts 30, wie z. B. dessen mittlere Wellenlänge, liegt beispielsweise in dem Bereich von 400 bis 1000 nm. Insbesondere kann es sich bei der Lichtquelle 22 um eine breit- oder schmalbandige Lichtquelle handeln. Es ist auch möglich, eine monochromatische Lichtquelle 22 zu verwenden. Vorzugsweise liegt eine Halbwertsbreite des Spektrums der Lichtquelle 22 in einem Bereich kleiner als oder gleich 100 nm.
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Sobald das Licht 30 auf das zu prüfende Objekt 10 trifft, macht sich die günstige Eigenschaft des Kohlefaserwerkstoffes 18 positiv bemerkbar, wonach letzteres polarisierend für das auf dasselbe treffende Licht wirkt. Insbesondere ist das Licht 30 nach seiner Reflektion an dem Kohlefaserwerkstoff des zu prüfenden Objekts 10 entlang einer Polarisationsrichtung polarisiert, die entlang der Faserrichtung an der beleuchteten Oberfläche 14 verläuft. In dem vergrößerten Ausschnitt 12, das eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Oberfläche 14 des Objekts 10 aus der Richtung des Polarisationssensors 24 zeigt, ist dies exemplarisch für zwei unterschiedliche Stellen A und B des zu prüfenden Objekts veranschaulicht. Das an der Stelle A reflektierte und auf den Polarisationssensor 24 treffende Licht 32 weist eine Polarisationsrichtung 34 A auf, die parallel zu der Faserrichtung 36 A des Faserbündels 16 verläuft, das die Stelle A quert. An der Stelle B verläuft die Faserrichtung 36 B und somit auch die parallel dazu verlaufende Polarisationsrichtung 34 B in einer anderen Richtung, nämlich senkrecht zur Richtung 36 A bzw. 34 A, da die Stelle B exemplarisch an einem anderen Faserbündel 16 liegt.
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Bei dem Polarisationssensor 24 kann es sich um einen solchen handeln, der lediglich punktweise die Faserrichtung des Kohlefaserwerkstoffes 10 über die Polarisationsrichtung des an diesem Punkt reflektierten Lichts 32 misst oder um einen Zeilen- oder Flächensensor bzw. eine polarisationssensitive Kamera. In dem erstgenannten Fall könnte, falls gewünscht, zur ortsaufgelösten Abtastung der Faserrichtung beispielsweise ein Manipulator bzw. ein Roboter (nicht gezeigt) verwendet werden, um durch den durch den Polarisationssensor 24 abgetasteten Punkt bzw. Ort, von dem aus reflektiertes Licht durch den Polarisationssensor 24 erfasst wird, lateral zu verschieben bzw. zu variieren, und somit an unterschiedlichen Stellen A und B entsprechende Faserrichtungsmessungen zu erhalten.
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2 zeigt, dass es sich bei dem Polarisationssensor 24 um eine polarisationssensitive Kamera handeln kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die polarisationssensitive Kamera 24 ein Pixelarray 38 und ein Objektiv 40 zum Abbilden des zu prüfenden Objekts 10 auf das Pixelarray 38. Wie es in der vergrößerten Draufsicht 42 auf das Pixelarray 38 in 2 gezeigt ist, können die Pixel 44 des Pixelarrays 38 beispielsweise in Superpixel 46 gruppiert sein, so dass die Superpixel 46 jeweils Pixel 44 des Pixelarrays 38 aufweisen, die für unterschiedlich polarisiertes Licht sensitiv sind, also zumindest ein erstes Pixel für eine erste Polarisationsrichtung und ein zweites Pixel für ein zweite, dazu unterschiedliche Polarisationsrichtung. 2 stellt exemplarisch dar, dass jedes Superpixel 46 beispielsweise vier Pixel 44 aufweist, die zu Polarisationsrichtungen sensitiv sind, die untereinander mit 45°-Winkeldifferenzen voneinander beabstandet sind. Eine andere Anzahl von Pixeln mit unterschiedlicher Polarisationssensitivität ist natürlich ebenfalls möglich, ebenfalls wie eine nicht äquiangulare Verteilung der Polarisationsrichtungen dieser Pixel. Es sei darauf hingewiesen, dass es nicht wesentlich ist, ob, wie in 2 dargestellt, die Pixel regelmäßig in Zeilen und Spalten, in einer anderen regelmäßigen Anordnung oder unregelmäßig angeordnet sind, und ob wiederum die Anordnung der Pixel innerhalb der Superpixel 46 gleich ist, oder ob die Anordnung des für die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen sensitiven Pixel innerhalb der Superpixel 46 über das Pixelarray 38 hinweg variiert. Ebenso ist es auch möglich, dass die Superpixel 46 nicht in Zeilen- und Spaltenrichtung regelmäßig angeordnet sind, sondern selbige könnten auch anders regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sein.
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Die Abtastung durch den Polarisationssensor 24 ist nicht auf eine punktmäßige oder flächenmäßige Abtastung, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, beschränkt. Denkbar wäre auch eine zeilenweise bzw. eindimensionale Abtastung der Faserrichtung des Kohlefaserwerkstoffes des zu prüfenden Objekts 10 an der beleuchteten Vorderseite 14. Auch hier könnte eine Relativbewegung zwischen Objekt 10 und Polarisationssensor 24 verwendet werden, um insgesamt zu einer zweidimensionalen Abtastung der Faserrichtung zu gelangen.
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Der Polarisationssensor
24 könnte zudem ein Filtersystem aufweisen, um aus dem reflektierten Licht
32 das Licht einer bestimmten Wellenlänge, wie z. B. das Licht einer Wellenlänge in dem vorerwähnten Bereich zwischen 400 bis 1000 nm, herauszufiltern. Das Pixelarray
38 könnte beispielsweise ein Array aus lichtempfindlichen Bereichen aufweisen, über welchem sich wiederum ein Array aus Filterstrukturen befindet, so dass jeder lichtempfindliche Bereich zusammen mit einer Filterstruktur ein Pixel ergibt. Die den einzelnen lichtempfindlichen Bereichen vorgeschalteten Filterstrukturen könnten beispielsweise Gitterstrukturen sein. Insbesondere wäre es möglich, dass die Filterstrukturen Strukturelemente mit Abmessungen aufweisen, die im Subwellenlängenbereich liegen, d. h. kleiner als die Wellenlänge des Lichts
30. Die Filterstrukturen könnten Eigenschaften eines photonischen Kristalls aufweisen. Lichtempfindliche Bereiche und Filterstrukturen könnten zusammen in einem Chip integriert sein. Die lichtempfindlichen Bereiche könnten beispielsweise durch ein Photodiodenarray, ein CCD-Array oder ein CMOS-Pixel-Array gebildet sein. Ein solcher Polarisationssensor wird beispielsweise in der
DE 10 2008 014 334 beschrieben.
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Der Polarisationssensor 24 könnte auch aus einem handelsüblichen CCD- oder CMOS-Bildsensor, d. h. einem polarisationsunempfindlichen Sensor, d. h. Einzel-, Zeilen- oder Bildsensor, und einer zwischen dem Sensor und dem Objekt 10 angeordneten Vorrichtung zur stetigen oder stufenweisen Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts 32 bestehen, d. h. einem Polarisationsfilter, dessen Durchlasspolarisationsrichtung zeitlich variiert wird. Die Vorrichtung zur Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts bzw. der Polarisationsfilter mit variierender Durchlasspolarisationsrichtung ermöglicht es, nacheinander, also zeitlich sequentiell, mehrere Bilder aufzunehmen und diese miteinander in geeigneter Weise zu verrechnen, um auf diese Weise den lokalen Polarisationswinkel an jeder Stelle der Oberfläche 14 zu gewinnen.
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Wie es in 1 gezeigt wurde, kann die Vorrichtung 20 optional einen Computer 26 und eine Anzeigevorrichtung 28 aufweisen. Der Computer 26 kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, die Pixelwerte der Superpixel in dem Fall der Ausgestaltung des Polarisationssensors 24 als Flächensensor in geeignete skalare Werte, nämlich einem oder mehrere pro Superpixel, umzuwandeln, die u. a. ein Maß für den lokalen Polarisationswinkel des reflektierten Lichts 32 an dem dem Superpixel zugeordneten Ort der Oberfläche 14 bzw. die Faserrichtung an diesem Ort sind. Auf der Anzeigevorrichtung könnte dann die ortsaufgelöste Abtastung der Faserrichtung farbcodiert angezeigt werden. Der Computer 26 bzw. ein darin ablaufendes Programm könnte ferner den vorerwähnten optional vorhandenen Manipulator 48 zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Objekt 10 und Polarisationssensor 24 ansteuern.
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Der Computer 26 könnte insbesondere auch als eine Steuerung fungieren, die die aus der via den Polarisationssensor 24 ermittelten Faserrichtung des Kohlefaserwerkstoffs des Objekts 10 und Lageinformationen über das Objekt 10 die Orientierung der Faserrichtung des Objekts 10 in Bezug zu der Form bzw. Gestalt des Objekts 10 bestimmt und abhängig von dieser Orientierung einen Manipulator ansteuert, der das Objekt hält. Anders ausgedrückt kann die Steuerung abhängig von Lageinformationen über eine Lage des Objekts 10 relativ zu dem Polarisationssensor 24 und der Faserrichtung des Objekts einen Manipulator zum Halten und Verändern der Lage des Objekts steuern, einen Manipulator zum Aneinanderlegen des Objekts und eines anderen Objekts zu steuern, so dass im aneinandergelegten Zustand die Faserrichtung relativ zu dem anderen eine vorbestimmte Orientierung aufweist und/oder abhängig von Lageinformationen über eine Lage des Objekts 10 relativ zu dem Polarisationssensor 24 und der Faserrichtung des Objekts eine Orientierung der Faserrichtung relativ zu einer Gestalt des Objekts 10 bestimmen. Das Aneinanderlegen könnte so geschehen, dass die Seite 14 im aneinandergefügten Zustand am anderen Objekt anliegt und zwar beispielsweise so, dass die Faserrichtung zu einer ausgezeichneten Vorzugsrichtung der entsprechenden zugewandten Seite der anderen Objekts, wie z. B. ebenfalls einer Kohlefaserrichtung eine vorbestimmte Richtungsbeziehung aufweist, wie z. B. quer dazu verläuft. Natürlich könnte vorerwähnter Manipulator auch derjenige sein, der das Objekt an der durch die Lageinformationen definierten Lage im Augenblick der Erfassung der Polarisationsrichtung und damit der Faserrichtung hält. Im Folgenden wird dafür ein Beispiel im Rahmen eines Herstellungssystems beschrieben.
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3 zeigt ein System zur Herstellung eines Objekts 50 in Kohlefaserverbundbauweise gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das System, das allgemein mit 52 angezeigt ist, verwendet bzw. umfasst die Vorrichtung 20 aus 1 sowie einen Manipulator oder Roboter 54. Die Vorrichtung 20 übernimmt wie beschrieben die Messung einer Faserrichtung von Kohlefaserlagen 56. Der Roboter 54 ist dazu ausgebildet, die Kohlefaserlagen 56 unter Justage der Kohlefaserrichtungen derselben zueinander gemäß der Messung durch die Vorrichtung 20 auseinanderzulegen, um auf diese Weise das Objekt 50 zu ergeben. Beispielsweise kann eine Steuerung vorgesehen sein, die den Roboter 54 ansteuert und die via Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts bestimmten Kohlefaserrichtungen auswertet.
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Die Steuerung 58 würde beispielsweise den Manipulator oder Roboter 50 so ansteuern, dass die Vorrichtung 20 die Faserrichtung der Kohlefaserlage 56 bestimmen kann, d. h. dass das Objekts 10 beleuchtet ist und im Visier des Polarisationssensors 24 steht. Unter dieser Kenntnis von Lage des Objekts relativ zum Polarisationssensor bei Erfassung der Polarisationsrichtung und erfasster Polarisationsrichtung würde dann die Steuerung 58 Kenntnis über eine Orientierung der Faserrichtung relativ zu einer Form bzw. Gestalt des Objekts 10 gelangen und könnte beispielsweise den Roboter 54 so ansteuern, dass die aktuelle Kohlefaserlage 56 auf bereits aufeinandergelegte andere Kohlefaserlagen 60 so aufgelegt wird, dass die Faserrichtung der aktuell aufzulegenden Kohlefaserlage 56 mit der Faserrichtung der aktuell freiliegenden Kohlefaserlage einen vorbestimmten Winkel aufweist, der beispielsweise zu einer besonders stabilen Form des Objekts 50 führt. Bei dem Objekt 50 handelt es sich beispielsweise, wie in 3 angedeutet, um den Rumpf eines Schiffes oder um einen Teil eines Flugzeugkörpers oder einen Teil eines Kraftfahrzeugs.
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Eine in 3 mit den gestrichelten Kästchen 60 angedeutete und gegebenenfalls ebenfalls durch die Steuerung 58 gesteuerte Einrichtung 60 könnte dazu vorgesehen sein, die Kohlefaserlagen mit Kunststoff zu versehen, so dass die Kohlefaserlagen nach einem Aushärten des Kunststoffes in dem Kunststoff, der sogenannten Matrix, eingebettet sind. Das Versehen der Kohlefaserlagen mit dem Kunststoff kann einzeln vor dem jeweiligen Auflegen der jeweiligen Lage geschehen, einzeln jeweils nach dem Auflegen der jeweiligen Kohlefaserlage oder für mehrere Kohlefaserlagen zusammen in einem Schritt nach ihrem Aufeinanderlegen.
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Vorteilhaft ist an den obigen Ausführungsbeispielen der unmittelbare Erhalt der Information über die Faserrichtung, ohne auf eine Mustererkennung oder dergleichen angewiesen zu sein. Die gemessene Polarisationsrichtung ergibt unmittelbar die Faserrichtung an dem jeweiligen Ort des zu prüfenden Objekts und die Vermessung kann deshalb schnell und zuverlässig durchgeführt werden und verzögert insbesondere die Herstellung in dem Fall von 3 nicht.
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Obige Ausführungsbeispiele beruhen also anders ausgedrückt darauf, dass Kohlefasern die Eigenschaft haben, einfallendes, im Allgemeinen nicht polarisiertes Licht teilweise zu reflektieren und dabei parallel zur Faserlängsrichtung zu polarisieren. Diese Eigenschaft des polarisierenden Verhaltens wird bei obigen Ausführungsbeispielen genutzt, um die Faserrichtung zu bestimmen. Dazu wird eine bildhafte Messung der Polarisation verwendet. Mittels einer Vorrichtung, die zu einer solchen bildhaften Messung geeignet ist, wird das von den Kohlefasern, wie z. B. eines Kohlefasergewebes, reflektierte Licht hinsichtlich der Richtung der Polarisationsrichtung analysiert. Das Ergebnis stellt dann direkt die Richtung der Kohlefasern am entsprechenden Ort dar. Die Vorrichtung kann zur bildhaften, zweidimensionalen Erfassung und Analyse des polarisierten Lichts geeignet sein, wie es Bezug nehmend auf 2 beschrieben wurde, die eine polarisationssensitive Kamera bzw. eine „Polarisationskamera” zeigt. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen wird also das zu prüfende Objekt aus Kohlefasern von einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet, wobei eine Polarisationskamera auf das Objekt gerichtet ist. Die an jedem Ort des Objekts von der Kamera gemessene Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts gibt direkt die Richtung der Kohlefaser an diesem Ort an. Die Wellenlänge des Lichts kann beispielsweise in dem Bereich von 400 bis 1000 nm liegen. Wie es oben bereits hervorgehoben worden ist, ist es vorteilhafterweise nicht nötig, dass die Auflösung der Kamera so hoch ist, dass die Fasern im Einzelnen erkannt werden müssen, um die Richtung der Fasern per Software berechnen zu können. Im Gegenteil polarisieren die Fasern selbst das Licht in Faserlängsrichtung und die Kamera muss lediglich in der Lage sein, die Polarisation ortsaufgelöst analysieren zu können. Das bedeutet, dass in dem Fall von 2 die Pixelauflösung der Kamera deutlich niedriger sein kann als in dem Fall der in der Beschreibungseinleitung der vorliegenden Anmeldung erwähnten Verfahren gemäß c). Das führt aufgrund der geringeren Datenrate und geringem Rechenaufwand zu niedrigeren Systemkosten. Oder, anders betrachtet, kann bei gleichen Kosten in dem Fall der obigen Ausführungsbeispiele in der gleichen Zeit eine größere Fläche an Kohlefasern überprüft werden, was zu einer höheren Stückzahl bei der Stückprüfung führt und damit zu niedrigeren Stückkosten. Ein weiterer Aspekt ist die Tatsache, dass die Erkennung der Faserrichtung aufgrund physikalischer Gesetze erfolgt und nicht durch Berechnungen mittels einer Software, wodurch die Erkennung der Faserrichtung wesentlich sicherer ist. Dies gilt insbesondere bei mit Kunststoff getränktem Gewebe, bei dem die bisherige Methode c) aus der Beschreibungseinleitung relativ schlecht und ungenau funktioniert.
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Allgemein sind die obigen Ausführungsbeispiele in den unterschiedlichsten Technikbereichen einsetzbar. Denkbar wäre beispielsweise ein Einsatz im Leichtbau, wo Kohlefasern zu sogenannten CFK (kohlefaserverstärkten Kunststoffen) verarbeitet werden und die Qualität der Produkte sichergestellt werden muss. Beispiele sind eben die Luft- und Raumfahrt, der Automobilbau, Windkraftanlagen etc.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
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Ohne darauf im vorhergehenden hingewiesen zu haben, könnte es sein, dass beispielsweise der Computer 26 in 1 oder eine sonstige Verarbeitungseinrichtung aus der erhaltenen Polarisationsrichtung, die die Polarisationsrichtung zweidimensional in einer Projektion entlang der Richtung anzeigt, entlang welcher das reflektierte Richtung auf den Polarisationssensor 24 trifft, also beispielsweise in der Ebene parallel zur Bildebene der Kamera, eine dreidimensionale Faserrichtung oder eine Faserrichtung in einer Flächenparametrisierung der Oberfläche 14 des Objekts 10 bestimmt, indem sie der erfassten Polarisationsrichtung einen Ort in einer Parametrisierung der Oberfläche 14 des Objekts 10 zuordnet und die Faserrichtung so bestimmt, dass sie in diesem Punkt tangential zur Oberfläche 14 und in der Ebene liegt, die durch die Richtung des reflektierten Lichts und die bestimmte Polarisationsrichtung aufgespannt wird. Natürlich könnte auch schon dafür gesorgt werden, dass die Oberfläche 14 – beispielsweise zumindest am aktuell abgetasteten Ort – im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des reflektierten Lichts ausgerichtet ist.
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Obige Ausführungsbeispiele konzentrierten sich bisher auf die Messung von Faserrichtungen und die Ausnutzung der dadurch gewonnen Kenntnis zu Zwecken der Handhabung Ausrichtung des Objekts gegenüber anderen Objekten. Es ist allerdings zusätzlich oder alternativ möglich, die Kenntnis zu anderen Zwecken zu verwenden, wie z. B. zu Zwecken der Qualitätskontrolle. Die polarisierende Wirkung von Kohlefasern auf reflektiertes Licht kann verwendet werden, um die Richtung der Kohlefasern während der Fertigung von kohlefaserverstärkten Bauteilen zu prüfen und mit vorgegebenen Werten zu vergleichen. Nicht nur an Zwischenprodukten, wie z. B. den einzelnen Kohlefaserlagen, sondern auch an fertigen Bauteilen kann diese Prüfung durchgeführt werden. Es kann insbesondere geprüft werden, ob die Winkel der Kohlefasern in dem Bauteil bzw. Objekt an jeder Stelle des Bauteils einen vorgeschriebenen Wert haben, oder ob die gegenseitige Ausrichtung der Fasern in einem Gewebe an jeder Stelle einen vorgeschriebenen Winkelwert aufweist.
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Somit könnte in 1 beispielsweise der Computer 26 auch als Analyseeinrichtung fungieren, wie z. B. durch eine entsprechende darauf ablaufende Software, und die Vorrichtung 20 könnte eine Qualitätsmessvorrichtung darstellen. Die Analyseeinrichtung könnte prüfen, ob die ermittelte Faserrichtung in eine vorbestimmten Bedingung erfüllt, um, wenn ja, das Objekt 10 als von ausreichender Qualität einzustufen und, wenn nicht, das Objekt 10 als von nicht ausreichender Qualität einzustufen. Je nach dem, kann die Analyseeinrichtung einen Manipulator veranlassen, das Objekt 10 zu einem Ort A für Ausschuss-Objekte oder zu einem Ort B zu transportieren, wie z. B. einem Montage-Ort.
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Die Überprüfung, ob die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, sieht beispielsweise ein Vergleich der Faserrichtung an einer Position der Oberfläche 14 des Objekts mit einer benachbarten Position vor, wie z. B. die Überprüfung, ob der Winkel zwischen beiden Richtungen in einem vorbestimmten Winkelbereich liegt. Die Auswertung kann auch statistisch erfolgen: ein Histogramm von Faserrichtungen an abgetasteten Positionen der Oberfläche des Objekts wird erstellt und statistisch überprüft. Beispielsweise werden zwei Modi bestimmt und überprüft, ob der Winkelabstand zwischen beiden Modi in einem vorbestimmten Bereich liegt.
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Die Überprüfung, ob die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, könnte aber auch zusätzlich oder alternativ eine charakteristische Oberflächenrichtung des Objekts 10 miteinbeziehen, wie z. B. eine Kante, eine Hauptkrümmung oder ein Umfang der Oberfläche 14. Es könnte dann überprüft werden, ob die Faserrichtung relativ zu der charakteristischen Oberflächenrichtung in einem vorbestimmten Winkelbereich liegt. Die charakteristische Oberflächenrichtung könnten durch die Analyseeinrichtung per Mustererkennung automatisch erkannt werden. Die automatische Erkennung könnte insbesondere anhand einer polarisationsunabhängigen Aufnahme des Objekts 10 durchgeführt werden. Im Fall der Verwendung einer Kamera als Teil des Polarisationssensors 24 ist dies ohne weiteres möglich.
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Abschließend wird noch zu obigen Ausführungsbeispielen darauf hingewiesen, dass es ebenfalls sein könnte, dass die Lichtquelle nicht Teil der Vorrichtung bzw. des Systems ist, sondern gegebenenfalls Teil der Umgebung ist. In anderen Worten ausgedrückt, könnte das Umgebungslicht selbst genutzt werden. Wir oben beschrieben könnte die Auswertung der Polarisierenden Wirkung dennoch auf einen Wellenlängenbereich, wie z. B. in dem oben angegebenen bevorzugten Wellenlängenbereich, eingegrenzt werden, indem das von dem Objekt reflektierte Licht nicht nur in dem Polarisationssensor hinsichtlich seiner Polarisation zerlegt, sondern auch spektral gefiltert wird. Das Durchlassband des Spektralfilters könnte also insbesondere in dem Bereich zwischen 400 und 1000 nm liegen und eine Halbwertsbreite von kleiner oder gleich 100 nm besitzen.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Das gilt vor allem für die oben erwähnten Verarbeitungseinrichtung, Steuerungen, Analyseeinrichtungen usw. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
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Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
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Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
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Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
