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Technisches Feld
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Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Qualität eines Bauteils in einer Serienprüfung, auf eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Qualität eines Bauteils, und auf ein Testsystem, das ausgebildet ist, um zu entscheiden, ob ein jeweiliges Bauteil entweder in einem Produktionsprozess verbleiben soll oder nicht.
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Hintergrund der Erfindung
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In der (Serien-)Prüfung von Bauteilen oder insbesondere Gussteilen, insbesondere derjenigen auf Basis von Leichtmetallen, wird häufig die Röntgentechnik zur Sicherung der Qualität eingesetzt. Viele Abnehmer aus dem Bereich der Automobilherstellung und der Luftfahrt verlangen diese Art der Untersuchung.
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Die Prüfung der Bauteile wird mit dem Ziel durchgeführt, Fehlstellen zu detektieren und auf Basis dieses Detektionsergebnisses eine Entscheidung zu treffen, ob das Bauteil im Produktionsprozess verbleiben kann oder nicht (→ Ausschuss). Diese Entscheidung wird etwa herbeigeführt, indem die detektierte Fehlstelle in ein Maß wie Länge und Breite bzw. Fläche überführt und mit vorgegebenen Zulässigkeitswerten verglichen wird. Da eine Standardprüfmethode, die heute Verwendung findet, die Radioskopie ist, die nur zweidimensionale Bildinformationen liefert, stehen weitergehende Informationen, z. B. über das Fehlervolumen, nicht zur Verfügung. Aus diesem Grund beschränken sich die Zulässigkeitswerte oder Qualitätsparameter, die in entsprechenden Qualitätsvorschriften festgehalten werden, derzeit ausschließlich auf zweidimensionale Maße.
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Aktuell etabliert sich ein neues Verfahren zur Serienprüfung von Bauteilen oder Gussteilen, welches im Labor bereits Verbreitung gefunden hat. Dabei handelt es sich um die Computertomographie (CT).
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Eine Betrachtung einer Relevanz eines Fehlers oder einer Fehlstelle erfolgt dabei bislang jedoch nur in Bezug auf die räumlichen Maße des Fehlers. Diese können mit einer entsprechenden Qualitätsvorschrift oder einem sogenannten Fehlerkatalog abgeglichen werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Prüfung von Bauteilen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung einer Qualität eines Bauteils in einer Serienprüfung, mit folgenden Schritten:
Erhalten eines dreidimensionalen Modells des Bauteils unter Verwendung eines dreidimensionalen bildgebenden Verfahrens;
simulatives Analysieren einer Belastbarkeit des Bauteils unter Verwendung des dreidimensionalen Modells und unter Berücksichtigung einer Fehlstelle, um einen Einfluss der Fehlstelle auf die Belastbarkeit des Bauteils oder die Belastbarkeit des Bauteils mit der Fehlstelle zu bestimmen; und
Treffen einer Gut-Schlecht-Entscheidung für das Bauteil, basierend auf einem Ergebnis des simulativen Analysierens und der Anforderungen an das Bauteil in Bezug auf Betriebsfestigkeit.
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Die Serienprüfung kann allgemein eine sequentielle oder taktweise Prüfung von beispielsweise stückweise zugeführten Bauteilen umfassen. Standardverfahren der dreidimensionalen Bildgebung umfassen etwa eine Untersuchung unter Verwendung von Computertomografie (CT). Falls eine CT-Untersuchung beispielsweise erfolgt, während das Bauteil in einem Produktionsprozess inbegriffen ist, so kann man von einer „Inline-CT-Untersuchung”, einer „Inline-Computertomographie” oder kurz einer „Inline-CT” sprechen.
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Die simulative Analyse kann beispielsweise eine strukturmechanische Untersuchung oder allgemein eine Untersuchung auf Basis strukturmechanischer oder bruchmechanischer Eigenschaften umfassen. Dies kann etwa unter Verwendung einer Finite-Elemente-Methode-Simulationssoftware erfolgen. Die Belastbarkeit des Bauteils kann dabei beispielsweise eine Reaktion auf eine Beanspruchung durch Zug-, Druck-, Biegungs-, Scherungs-, Torsionsspannung oder sonstige mechanische Spannungen umfassen. Ebenfalls denkbar ist eine Betrachtung des Lastszenarios, dem das Bauteil voraussichtlich im Betrieb ausgesetzt sein wird. Außerdem können zulässige Festigkeitswerte einfließen, die beispielsweise von einer Wahl des Materials und einer Herstellungsmethode beeinflusst sein können. Die Belastbarkeit kann ferner auch als Festigkeit bezeichnet werden.
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Die Gut-Schlecht-Entscheidung kann etwa implizieren, dass ein Bauteil aus dem Produktionsprozess ausgegliedert wird (Ausschuss). Das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Reduzierung von falsch positiven Erkennungen ermöglichen. Dies kann potenziell Kosten einsparen. In anderen Worten kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob ein Bauteil für eine geplante konkrete Verwendung entweder funktionserfüllend („Fit for purpose”) ist oder nicht. Alternativ kann dieser Schritt beispielsweise auch als „Go-NoGo”- oder „Pass-Fail”-Entscheidung bezeichnet werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Qualität eines Bauteils in einer Serienprüfung, mit einem Analysator, der ausgelegt ist, um ein unter Verwendung eines dreidimensionalen bildgebenden Verfahrens bestimmtes dreidimensionales Modell des Bauteils zu erhalten, und um eine Belastbarkeit des Bauteils unter Verwendung des dreidimensionalen Modells und unter Berücksichtigung einer Fehlstelle simulativ zu analysieren, um einen Einfluss der Fehlstelle auf die Belastbarkeit des Bauteils oder die Belastbarkeit des Bauteils mit der Fehlstelle zu bestimmen, und einem Entscheider, der ausgebildet ist, um basierend auf einer Ausgabe des Analysators eine Gut-Schlecht-Entscheidung für das Bauteil zu treffen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft ein Testsystem, das ausgebildet ist, um eine Serienprüfung von stückweise nacheinander zugeführten, sich jeweils in einem Produktionsprozess befindlichen Bauteilen zu ermöglichen, und um zu entscheiden, ob ein jeweiliges Bauteil entweder im Produktionsprozess verbleiben soll oder nicht, mit einem Computertomographie-Untersuchungsgerät, das ausgebildet ist, um ein dreidimensionales Modell eines jeweiligen Bauteils zu bestimmen, und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ausgebildet ist, um das dreidimensionale Modell des Bauteils zu erhalten, und um dem Testsystem die getroffene Gut-Schlecht-Entscheidung bereitzustellen.
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Das Testsystem kann beispielsweise in eine Fertigungsstraße oder allgemein in einen Produktionsablauf integrierbar ausgebildet sein.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft ein Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass eine Serienprüfung von Bauteilen effizienter durchgeführt werden kann, wenn eine Fehlstelle nicht nur anhand ihrer räumlichen Ausdehnung betrachtet wird, sondern in einem simulativen Analyseschritt berücksichtigt wird. Das Verfahren, das fähig ist, den Einfluss der Fehlstelle auf die Belastbarkeit resp. Festigkeit eines individuellen Bauteils schnell zu bestimmen bzw. berechnen, kann den Prüfprozess signifikant verändern, da es beispielsweise zu einer Reduzierung des Ausschusses führen kann. Vorteilhafterweise können hierbei beispielsweise reale Fehler und keine idealisierten Fehler betrachtet werden. Somit kann möglicherweise – ohne beispielweise einen allgemeinen Fehlerkatalog zur Bewertung heranzuziehen – eine individuelle Gut-Schlecht-Entscheidung für das Bauteil getroffen werden.
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Das Verfahren ermöglicht somit eine individuelle Betrachtung eines Fehlers. Eine individualisierte Betrachtung des Einflusses eines Fehlers auf die Bauteilfestigkeit („Effect of defect”) kann beispielsweise zu einer Optimierung der Produktion und damit zu einer Energieeinsparung oder Ressourcenschonung führen.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das simulative Analysieren eine Detektion der Fehlstelle. Das bietet den Vorteil, dass eine einfache Abbruchbedingung für das Verfahren geschaffen werden kann, wenn ein zu prüfendes Bauteil beispielsweise keine Fehlstelle aufweist. Ebenfalls denkbar ist, dass in einem konkreten Anwendungsfall eine gewisse Anzahl von Fehlstellen mit bestimmten Eigenschaften (z. B. kugelförmige Poren) als tolerierbar erachtet werden. Umgekehrt können besondere Ausprägungen von Fehlstellen sofort zum Ausschuss führen (z. B. große dendritische Lunker).
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das simulative Analysieren eine Berücksichtigung einer Form der Fehlstelle. Das bietet den Vorteil, dass eine Beurteilung der Form der Fehlstelle und des erwarteten Einflusses auf die Belastbarkeit des Bauteils erfolgen kann, wodurch das Verfahren beispielsweise effizienter durchgeführt werden kann. Außerdem ist beispielsweise eine Erfassung einer inneren Oberfläche der Fehlstelle möglich und damit die Extraktion eines Fehlermodells bzw. einer vollständigen Fehlerbeschreibung.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das simulative Analysieren eine Berücksichtigung einer Lage der Fehlstelle. Das ist vorteilhaft, da die Lage des Fehlers u. U. einen Einfluss auf die Belastbarkeit des Bauteils haben kann. Daher kann möglicherweise auf einfache Art und Weise eine Vorhersage über die erwartete Belastbarkeit des Bauteils getroffen werden, wenn dieses beispielsweise eine Fehlstelle in einem unkritischen Bereich aufweist.
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Weiterhin vorteilhaft ist beispielsweise die Möglichkeit, eine Bewertung auf Basis von dreidimensionalen Daten, möglicherweise in nahezu Echtzeit durchzuführen. Hier kann sich die Möglichkeit eröffnen, die exakte Lage des Fehlers und dessen Volumen exakt zu erfassen. Somit wird beispielsweise eine genaue(re) Betrachtung einer Relevanz des Fehlers möglich.
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Gemäß Ausführungsbeispielen wird die Lage der Fehlstelle in Bezug auf eine Oberfläche des Bauteils, in Bezug auf ein funktional wichtiges Gebiet des Bauteils oder in Bezug auf eine Lage einer weiteren Fehlstelle berücksichtigt. Vorläufige Untersuchungen an Prototypsystemen einer Inline-CT haben gezeigt, dass der Ausschuss möglicherweise um mehr als 20% gesenkt werden kann, wenn das Qualitätskriterium beispielsweise insofern gelockert wird, dass ein geringfügig größeres Fehlermaß zugelassen wird, wenn der Fehler beispielsweise einen gewissen Mindestabstand zu einer Oberfläche des Bauteils aufweist.
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Weitere Vorteile können sich ergeben, wenn eine Fehlstelle beispielsweise nicht nur in Bezug auf eine räumliche Ausdehnung bzw. Größe, sondern auch in Bezug auf Form und Lage berücksichtigt wird. So beeinflusst eine kugelförmige Pore in einem Gussteil die Festigkeit möglicherweise nur in geringen Maße. Im Gegensatz dazu kann ein dendritischer Lunker oder ein Riss die Festigkeit potenziell signifikant herabsetzen.
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Es wird somit beispielsweise eine individuelle Betrachtung eines Fehlers unter Berücksichtigung seiner Lage und Ausprägung (z. B. Form) ermöglicht. Die Entscheidung, ob ein Fehler zum Ausschuss führt (ob ein Bauteil entweder „Gut” oder „Schlecht” ist) kann somit potenziell extrem individualisiert und optimiert werden.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das simulative Analysieren eine gebietsweise adaptive Vernetzung des Modells. Das bietet den Vorteil, dass der simulative Schritt beispielsweise beschleunigt werden kann.
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Gemäß Ausführungsbeispielen erfolgt die adaptive Vernetzung in einer Umgebung der Fehlstelle. Das bietet den Vorteil, dass eine Auswirkung oder ein Einfluss der Fehlstelle auf die Belastbarkeit des Bauteils detaillierter betrachtet werden kann.
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Gemäß Ausführungsbeispielen wird eine Ausbildung der adaptiven Vernetzung von einer Lage der Fehlstelle abgeleitet. Das kann vorteilhaft sein, wenn eine Fehlstelle beispielsweise in einem funktional wichtigen Bereich oder Gebiet des Bauteils auftritt.
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Gemäß Ausführungsbeispielen wird eine Ausbildung der adaptiven Vernetzung von einer Form der Fehlstelle abgeleitet oder der Form der Fehlstelle angepasst. Das bietet den Vorteil, dass beispielsweise Rechenaufwand vermieden werden kann, wenn die Form der Fehlstelle eine vergleichsweise grobe Vernetzung zulässt.
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Gemäß Ausführungsbeispielen ist eine Vernetzungsdichte in einer Umgebung der Fehlstelle höher ist als eine weitere Vernetzungsdichte in einem Gebiet, das nicht die Umgebung der Fehlstelle umfasst. Daran ist vorteilhaft, dass eine genauere Betrachtung oder Berücksichtigung der Fehlstelle im simulativen Schritt in vielen Anwendungsfällen – u. U. auch unabhängig von einer genauen Ausprägung der Fehlstelle – sinnvoll sein kann.
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Gemäß Ausführungsbeispielen erfolgt die adaptive Vernetzung in einem Gebiet, das nicht eine Umgebung der Fehlstelle umfasst. Daran ist vorteilhaft, dass man so bei beispielsweise punktuell hoch beanspruchten bzw. belasteten Bauteilen möglicherweise kein hoch aufgelöstes Netz über das gesamte Bauteilmodell legen muss, sondern in für die Belastbarkeit unkritischen Bereichen gröber auflösen kann. So kann wiederum Rechenzeit eingespart werden.
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Gemäß Ausführungsbeispielen erfolgt die Berücksichtigung der Fehlstelle automatisch oder automatisiert. Das bietet den Vorteil, dass beispielsweise eine Beschleunigung einer Serienprüfung erreicht werden kann.
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Gemäß Ausführungsbeispielen wird der Einfluss der Fehlstelle auf die Belastbarkeit des Bauteils numerisch berechnet. Das bietet den Vorteil, dass das Verfahren beispielsweise unter Verwendung einer Simulationssoftware durchgeführt werden kann, die beispielsweise durch Anpassung (zum Beispiel durch Hinzufügen einer Echtzeitfähigkeit und einer adaptiven Vernetzung) basierend auf einer kommerziell verfügbaren Simulationssoftware erhalten werden kann. In anderen Worten kann beispielsweise eine numerische In-Line-Bewertung der Fehlstelle, möglicherweise in Echtzeit, erreicht werden.
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Gemäß Ausführungsbeispielen wird der berechnete Einfluss mit einem vordefinierten Grenzwert verglichen. Auf diese Art könnte beispielsweise eine Prüfung einer komplexen strukturmechanischen Eigenschaft in einen einfachen Kennwertvergleich überführt werden. Weiterhin können die Qualitätsparameter, die heute wie bereits beschrieben meist ausschließlich Maße von Fehlern umfassen, somit beispielsweise durch Festigkeitsparameter abgelöst werden. Es werden zwar aktuell Qualitätsvorschriften erarbeitet, um Grenzwerte für die dreidimensionalen Maße festzulegen, die festgelegten Grenzwerte stellen jedoch eine extreme Verallgemeinerung dar, da die Form und Lage von Fehlern in Bezug auf funktionale Bereiche des Bauteils nicht (oder nur rudimentär) berücksichtigt wird. Eine resultierende Beschleunigung des Mess- und Rekonstruktionsverfahrens sowie die Möglichkeit, eine Bewertung auf Basis von dreidimensionalen Daten durchzuführen, könnte bei Anwendern auf großes Interesse stoßen.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das dreidimensionale Modell einen Voxel-Datensatz, wobei der Voxel-Datensatz eine Anzahl von Datenpunkten umfasst. Da von vielen bildgebenden Verfahren ein Voxel-Datensatz generiert und ausgeben wird, kann eine Ausbildung einer adaptiven Vernetzung hierdurch möglicherweise beschleunigt werden, da keine Konvertierung in beispielsweise einen STL („Surface Tesselation Language”) – Datensatz erforderlich ist.
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Gemäß Ausführungsbeispielen wird in einer Umgebung der Fehlstelle zumindest ein weiterer Datenpunkt durch Interpolation gewonnen, um eine räumliche Auflösung in einer Umgebung der Fehlstelle zu erhöhen, oder es wird aus einem Gebiet, das nicht die Umgebung der Fehlstelle umfasst, zumindest ein Datenpunkt nicht für das Analysieren verwendet, um eine weitere räumliche Auflösung zu verringern. Das bietet den Vorteil, dass beispielsweise eine Präzision des Verfahrens erhöht werden kann.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das simulative Analysieren eine Finite-Elemente-Analyse. Das bietet den Vorteil, dass Finite-Elemente-Analysen häufig gut zur Durchführung von Belastbarkeitsanalysen geeignet sind.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das dreidimensionale bildgebende Verfahren eine röntgenografische Untersuchung oder eine Computertomographie-Untersuchung. Da in vielen Anwendungsfällen eine vollständige (100%) Röntgenprüfung bzw. röntgenografische Untersuchung durch den Gesetzesgeber vorgeschrieben ist, kann das Verfahren z. B. auf vorteilhafte Weise in einen bereits bestehenden Prüfungsablauf integriert werden.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das Bauteil ein Gussteil. Gussteile weisen fertigungsbedingt häufig Fehlstellen wie Poren, Lunker und Fremdkörper auf. Die Verwendung des Verfahrens kann daher vorteilhaft sein.
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Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist weiterhin und insbesondere die Kombination der erfindungsgemäßen Schritte, die aber nicht notwendigerweise in einer bestimmten Reihenfolge oder sequentiell ausgeführt werden müssen.
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Fiqurenkurzbeschreibung
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 simulative mechanische Belastungen zweier beispielhafter dreidimensionaler Modelle von Bauteilen, die jeweils eine Fehlstelle aufweisen;
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3a eine simulative mechanische Belastung eines Modells, das beispielhaft eine runde Fehlstelle aufweist;
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3b eine simulative mechanische Belastung eines Modells, das beispielhaft einen Fremdkörper als Fehlstelle aufweist;
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3c eine simulative mechanische Belastung eines Modells, das beispielhaft einen Riss als Fehlstelle aufweist;
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3d eine simulative mechanische Belastung eines Modells, das beispielhaft eine dendritische Fehlstelle aufweist;
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4a Lagen von Fehlstellen bezüglich funktional wichtiger Bereiche beispielhafter Modelle;
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4b Lagen von Fehlstellen bezüglich Lagen weiterer Fehlstellen;
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5a eine schematische Teilansicht eines Rades;
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5b eine beispielhafte adaptive Vernetzung eines Modells des Rades aus 5a;
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6 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Qualität eines Bauteils in Form eines Blockdiagramms; und
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7 ein Ausführungsbeispiel eines Testsystems.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1. Beschreibung der Fig. 1
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1.1. Erläuterung des gezeigten Ausführungsbeispiels
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren erhält als eine Eingangsgröße ein dreidimensionales Modell des Bauteils. Dieses kann mit einem 3-D-bildgebenden Verfahren bestimmt werden. In einem konkreten Anwendungsfall kann dies beispielsweise unter Verwendung einer Computertomographie(CT)-Untersuchung erfolgen. Denkbar ist es aber auch, das Modell des Bauteils über eine andere röntgenographische Untersuchung zu bestimmen. Dies wird durch den Schritt 12, Modell des Bauteils bestimmen, veranschaulicht. Dieser Schritt ist kein Bestandteil eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Daher ist der entsprechende Schritt 12 gestrichelt gezeichnet. Das bestimmte Modell des Bauteils dient nun jedoch als eine der Eingangsgrößen des Ausführungsbeispiels. Dies ist durch den abschnittsweise gestrichelten Pfeil 13 dargestellt. Dieser tritt durch eine abwechselnd gepunktete und gestrichelte Linie hindurch, die beispielhafte erfindungsgemäße Schritte umfängt.
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Dem Schritt 14 wird also das bestimmte dreidimensionale Modell des Bauteils bereitgestellt. Nun erfolgt ein simulativer Analyseschritt. Dieser verwendet nicht nur das dreidimensionale Modell, sondern es wird auch eine Fehlstelle berücksichtigt. In anderen Worten wird also eine Belastbarkeit des Modells bzw. des Bauteils unter Berücksichtigung einer Fehlstelle bestimmt. Dies geschieht, um einen Einfluss der Fehlstelle auf die Belastbarkeit des Bauteils zu bestimmen, oder alternativ um eine Belastbarkeit des Bauteils mit der Fehlstelle zu bestimmen. Wesentlich ist hierbei die simulative Komponente. Im Gegensatz zu der eingangs erläuterten Prüfung von Bauteilen unter Verwendung eines Fehlerkatalogs kann hierbei also ein realer Fehler statt eines idealisierten Fehlers betrachtet werden. Je nach Anwendungsfall kann die simulative Bestimmung der Belastbarkeit unterschiedlich detailliert erfolgen oder unterschiedlich viel Zeit beanspruchen. Hinsichtlich einer Optimierung eines Prüfverfahrens kann es beispielsweise zweckmäßig sein, eine möglichst kurze Simulationszeit zu erreichen. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn eine Zeit, die das dreidimensionale bildgebende Verfahren zur Bestimmung des Modells braucht, vergleichsweise kurz ist.
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Ein Ergebnis des simulativen Analysierens wird nun einem Entscheidungsschritt 18 bereitgestellt. Dies ist durch den Pfeil 16, der von dem Schritt 14 zu dem Schritt 18 zeigt, dargestellt. Der Schritt 18 steht nun exemplarisch für das Treffen einer Gut-Schlecht-Entscheidung für das Bauteil, die basierend auf einem Ergebnis des simulativen Analysierens (14) erfolgt. Dies wird durch einen Pfeil 22, der zu einem weiteren Schritt 24 zeigt, angedeutet. Der Schritt 24 ist hierbei exemplarisch mit ”Gut” gekennzeichnet. Eine andere Entscheidungsmöglichkeit wird durch den Pfeil 26 exemplarisch veranschaulicht. Dieser führt von dem Entscheidungsschritt 18 zu dem Schritt 28, der ebenfalls veranschaulichend mit ”Schlecht” beschriftet ist.
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1.2. Alternative Ausführungsbeispiele
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Das Ergebnis dieser Gut-Schlecht-Entscheidung kann weitreichende Auswirkungen auf ein sich in einem Produktionsprozess befindliches Bauteil haben, wenn dieses beispielsweise aufgrund dieser Entscheidung als Ausschuss deklariert wird. In vielen konkreten Anwendungsfällen werden hohe Anforderungen an eine Qualität eines Bauteils gestellt. Entsprechend kann die Entscheidung, ob ein Bauteil Ausschuss ist oder nicht, kritisch sein, etwa aus wirtschaftlichen Gründen oder Erwägungen. Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung kann eine Ausschussquote möglicherweise gesenkt werden. Dies wird in den nun folgenden Figurenbeschreibungen näher erläutert werden.
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2. Beschreibung der Fig. 2
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2.1. Beschreibung des ersten gezeigten Ausführungsbeispiels
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2.1.1. Erläuterung des gezeigten Ausführungsbeispiels
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2 zeigt in einem oberen linken Bildbereich eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen Modells 10 eines Bauteils, wie es unter Verwendung eines bildgebenden Verfahrens erhalten werden könnte. Das Modell 10 ist hier aus Gründen der Anschaulichkeit näherungsweise würfelförmig mit einer homogenen inneren Struktur aufgebaut. Es könnte sich hierbei z. B. um ein Modell eines metallischen Gussteils handeln, das gerade in einer Serienprüfung inbegriffen ist.
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Innerhalb des Bauteilmodells 10 ist eine exemplarische Fehlstelle 32 angeordnet. Diese ist aus Gründen der Anschaulichkeit durch eine vergleichsweise kleine, ebenfalls nahezu würfelförmige Aussparung dargestellt. Sie befindet sich in der Zeichnung näherungsweise in der Mitte des Modells 10, dergestalt, dass eine Entfernung der Fehlstelle 32 von einer beliebigen Oberfläche des Modells 10 näherungsweise gleich ist. Gestrichelt gezeichnet ist eine Schnittebene 34, die das Bauteil exemplarisch in der Mitte, d. h. von einer dem Betrachter zugewandten Seite und einer dem Betrachter abgewandten Seite des Modells 10 näherungsweise gleich weit entfernt und näherungsweise parallel zu denselben, durchschneidet.
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In einem linken unteren Bildbereich der 2 ist ein entsprechendes Schnittbild schematisch dargestellt. In Folge der würfelförmigen Ausbildung des Modells 10 ergibt sich ein näherungsweise quadratisches Querschnittsbild. Ähnliches gilt für die Fehlstelle 32, die nun also durch ein bezüglich des Querschnittbilds des Modells 10 konzentrisch und zentral angeordnetes Quadrat dargestellt ist.
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In anderen Worten ist die Fehlstelle 32 auch im Querschnittsbild von jeder Oberfläche des Bauteilmodells 10 annähernd gleich beabstandet, wie es durch die Bemaßungen 42 und 44 veranschaulicht wird, die also annähernd gleich groß ausgeführt sind. Die Abstände 42 und 44 entsprechen also jeweils etwa einer halben Kantenlänge des Schnittquadrates.
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Erfindungsgemäß kann nun eine simulative Analyse des Bauteilmodells 10 unter Berücksichtigung der Fehlstelle erfolgen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dabei eine Lage der Fehlstelle berücksichtigt, also in diesem Fall beispielsweise die Abstände 42 und 44.
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Die simulative Analyse umfasst nun beispielsweise eine Prüfung einer Belastbarkeit des Bauteilmodells 10. Diese Belastbarkeitsprüfung kann beispielsweise simulative Belastungen mit unterschiedlichen mechanischen Spannungen umfassen. Denkbar ist beispielsweise eine simulative Beanspruchung durch Zug-, Druck-, Scherung-, Biegung- oder Torsionsspannung, oder auch durch andere, möglicherweise anwendungsspezifische mechanische Spannungen. Es werden im Folgenden verschiedenartige mechanische Beanspruchungen gezeigt und erläutert werden.
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Hier soll zunächst eine Belastung durch eine Scherungsspannung simulativ betrachtet werden. Das Bauteilmodell 10 wird folglich mit zwei Kraftvektoren belastet. Dies ist durch den dick gezeichneten Pfeil 46 und den ebenfalls dick gezeichneten Pfeil 48 angedeutet. Der Pfeil 46 wirkt dabei an einem rechten oberen Bereich des Bauteilmodells 10 und der Pfeil 48 in einem linken unteren Bereich des Bauteilmodells 10. Die Kraftvektoren 46 und 48 sind weiterhin antiparallel in der Schnittebene 34 angeordnet und stehen jeweils näherungsweise lotrecht auf einer jeweiligen Oberfläche des Bauteilmodells 10.
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In dem Bauteilmodell 10 auftretende mechanische Spannungen, die aus der Belastung mit den Kraftvektoren 46 und 48 resultieren könnten, sind exemplarisch durch kleine Pfeile angedeutet. Dabei sind exemplarisch drei Pfeile 52 an der oberen Ecke angeordnet, die aus der Belastung mit dem Kraftvektor 46 resultieren können und von der Spitze desselben ausgehende in das Bauteilmodell hineintreten, jeweils nach diagonal links oben, nach links und nach diagonal links unten. Entsprechend sind in einem unteren linken Bereich des Schnittbildes drei Pfeile 54 eingezeichnet, die wiederum in entsprechender Weise aus der Belastung des Bauteils mit dem Kraftvektor 48 resultieren könnten.
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Sowohl die Spannungsvektoren 52 als auch die Spannungsvektoren 54 erstrecken sich dabei in einer unmittelbaren Umgebung der sie möglicherweise bedingenden Kraftvektoren 46 und 48. Von der Lage der Fehlstelle 32 sind sie entsprechend beabstandet. Demzufolge hat die Fehlstelle 32 hier u. U. nur eine geringe Auswirkung auf eine Belastbarkeit eines entsprechenden Bauteils.
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2.1.2. Alternative Ausführungsbeispiele
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Die soeben erläuterte Berücksichtigung der Lage der Fehlstelle könnte daher im Vergleich zu dem eingangs beschriebenen Verfahren, bei dem ein Abgleich mit einem Fehlerkatalog erfolgt, Auswirkungen auf den Ablauf der Serienprüfung haben, wenn die Fehlstelle 32 bspw. eine räumliche Ausdehnung aufweist, die gemäß dem Fehlerkatalog nicht tolerierbar ist, aber ein Einfluss auf eine Festigkeit des modellierten metallischen Gussteils, möglicherweise in Folge der Beabstandung 42, dennoch gering oder zumindest tolerierbar ist, oder die Belastbarkeit des Gussteils mit der Fehlstelle als ausreichend groß erachtet wird.
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Ebenfalls denkbar ist, dass die Fehlstelle 32 keinen oder nur einen vernachlässigbar kleinen Einfluss auf die Bauteilbelastbarkeit hat. Basierend auf einem solchen Ergebnis der simulativen Analyse könnte dann beispielsweise eine Gut-Entscheidung für das Bauteil getroffen werden.
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2.2. Beschreibung des zweiten qezeigten Ausführungsbeispiels
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2.2.1. Erläuterung des gezeigten Ausführungsbeispiels
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In einem rechten oberen Bereich der 2 ist nun ein weiteres Modell 20 perspektivisch dargestellt. Hierbei könnte es sich beispielsweise um ein unter Verwendung eines bildgebenden Verfahrens erhaltenes Modell eines sich in einer Prüfungsphase befindlichen metallischen Gussteils handeln, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde.
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Das Modell 20 weist eine abermals würfelförmige Fehlstelle 56 auf. Diese ist im Bereich einer linken unteren Ecke des würfelförmigen Modells 20 angeordnet.
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Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Bauteil gemäß Modell 20 um den gleichen Bauteiltyp (Material und Abmessungen) wie bei dem Bauteil gemäß Modell 10 und um die gleiche Fehlstelle (Abmessung, Ausprägung) handeln kann, wobei sich nur die Lage der Fehlstelle im Bauteil unterscheidet.
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Weiterhin dargestellt ist eine Schnittebene 36, die das Modell 20 abermals parallel zu und zwischen einer dem Betrachter zugewandten Seite und einer dem Betrachter abgewandten Seite des Bauteils 20 durchschneidet. Die Anordnung der Ebene 36 ist dabei dergestalt, dass diese die Fehlstelle 56 wiederum mittig durchschneidet, und so, dass sie einer dem Betrachter zugewandten Seite des Modells 20 näher ist als einer dem Betrachter abgewandten Seite.
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In einem rechten unteren Bereich der 2 ist das entstehende Schnittbild gezeigt. Das Bauteil 20 kann im Rahmen einer simulativen Analyse wiederum mit den Kraftvektoren 46 bzw. 48 belastet werden. Die sich ergebende Verteilung der mechanische Spannungsvektoren innerhalb des Bauteils, 52 und 54, ist im Vergleich zum Modell 10 unverändert dargestellt. Dies ist jedoch nur vereinfachend so ausgeführt, es wäre ebenfalls denkbar, dass sich in Folge der im Vergleich zu dem Bauteil 10 veränderten Lage der Fehlstelle eine veränderte Spannungsverteilung im Inneren des Bauteils ergibt. Die Lage der Fehlstelle 56 wird durch Bemaßungen 64 und 66 veranschaulicht, die nun einen Abstand der Fehlstelle 56 zu einer linken bzw. unteren Oberfläche des Modells 20 angeben. Die Fehlstelle 56 ist dabei exemplarisch näherungsweise gleich weit von diesen beiden Oberflächen entfernt angeordnet, so dass die Bemaßungen 64 und 66 wiederum annähernd gleich groß ausgeführt sind.
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Die Fehlstelle 56 ist nun in einer Umgebung der Spannungsvektoren 54 angeordnet. Dies kann negative Auswirkungen haben, wenn die Spannungsvektoren 54 beispielsweise eine starke strukturelle, mechanische oder strukturmechanische Belastung oder Beanspruchung in diesem Bereich des Modells 20 repräsentieren.
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Anhand der obigen Ausführungen werden die besonderen Vorteile der Erfindung deutlich: der gleiche Fehler (bzw. Fehlertyp) führt nur aufgrund seiner Lage zu einer anderen Bewertung (im Hinblick auf die Belastbarkeit bzw. Brauchbarkeit des Bauteils).
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2.2.2. Alternative Ausführungsbeispiele
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Wenn ein in der Serienprüfung befindliches und hier unter Verwendung des dreidimensionalen Modells 20 analysiertes Bauteil später im Betrieb einer solchen starken Belastung ausgesetzt ist, könnte bspw. ein Bruch in einer Umgebung der Fehlstelle 56 die Folge sein. Bei stark beanspruchten Bauteilen oder allgemein bei sicherheitskritischen Anwendungsfällen ist es daher denkbar, dass einer simulativ bestimmter Einfluss der Fehlstelle 56 auf die Belastbarkeit des Bauteils, beispielsweise in Folge der Lage der Fehlstelle 56, nicht tolerierbar ist.
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Die Belastbarkeit eines analysierten Bauteils mit der Fehlstelle 56 kann also beispielsweise kleiner sein als im vorhergehend erläuterten Fall (siehe den linken Bereich der 2). Basierend auf einem Ergebnis der Belastbarkeitsanalyse kann weiterhin eine Gut-Schlecht-Entscheidung für das analysierte Bauteil getroffen werden. In Folge der Nähe der Fehlstelle 56 zu den mechanischen Spannungen 54 könnte diese Entscheidung beispielsweise dazu führen, dass das entsprechende Bauteil als Ausschuss deklariert und aus einem Produktionszyklus ausgegliedert wird.
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3. Beschreibung der Fig. 3a bis Fig. 3d und Fig. 4a und Fig. 4b
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In den nun folgenden 3a bis 3d und 4a und 4b soll gezeigt werden, wie verschiedene Ausprägungen oder Lagen von Fehlstellen im Rahmen einer simulativen Analyse berücksichtigt werden können. Dafür wird jeweils ein Modell eines sich in einer Serienprüfung befindlichen Bauteils betrachtet werden. Es wird dabei exemplarisch davon ausgegangen, das jedes Bauteil einen würfelförmigen homogen Aufbau vergleichbar der in der Beschreibung der 2 eingangs erläuterten Konfiguration aufweist. Die einzelnen Bauteile können sich dabei aber jeweils durch eine Lage oder eine Form einer oder mehrerer Fehlstellen voneinander unterscheiden.
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Aus Gründen der Anschaulichkeit und Kürze sind weiterhin lediglich zweidimensionale Querschnitte von dreidimensionalen Modellen dargestellt. Diese Schnitte sind entsprechend der in der Beschreibung der 2 erläuterten Schnittebenen durch die Modelle 10 und 20 so ausgeführt, dass sie jeweils parallel zu einer Bildebene liegen und eine oder mehrere Fehlstelle(n) jeweils mittig durchschneiden.
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Ausführungen anhand zweidimensionaler Darstellungen sollen dabei weiterhin sinngemäß auf einen entsprechenden dreidimensionalen Fall übertragbar sein.
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3.1. Beschreibung der Fig. 3a bis Fig. 3d
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3.1.1. Beschreibung der Fig. 3a
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3a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Modells 30. Wiederum in der Mitte, d. h. einen annähernd gleichen Abstand zu jeder Bauteiloberfläche aufweisend, ist eine Fehlstelle bzw. der Schnitt durch eine Fehlstelle 72 angeordnet. Die Fehlstelle 72 hat die Form einer kugelförmigen Aussparung oder Pore. Die dargestellte Ebene durchschneidet die kugelförmige Fehlstelle bspw. am Ort ihres größten Durchmessers. Der resultierende Querschnitt ist annähernd kreisförmig.
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Es soll nun eine Belastung mit vier Kraftvektoren 74, 76, 78 und 82 simulativ analysiert werden, wobei ein Kraftvektor jeweils lotrecht und mittig an einer Oberfläche des Modells 30 angeordnet wird. Dies geschieht exemplarisch dergestalt, dass jeweils zwei Kraftvektoren sich diametral gegenüberstehen bzw. an gegenüberliegenden Oberflächen des Bauteils 68 angreifen. Dabei stehen sich beispielsweise der Kraftvektor 74 und der Kraftvektor 78 oder der Kraftvektor 76 und der Kraftvektor 82 gegenüber. Die Vektoren 74, 76, 78 und 82 zeigen weiterhin jeweils in die Richtung der Fehlstelle 72.
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Eine mechanische Belastung durch die Vektoren 74, 76, 78 und 82 könnte im Inneren des Bauteils beispielsweise eine mechanische Spannung in vier entsprechende Richtungen hervorrufen. Dies wird durch die vergleichsweise dünn gezeichneten Pfeile 84, 86, 88 und 92 veranschaulicht. Diese Pfeile können beispielsweise eine jeweils von einem der großen Kraftvektoren hervorgerufenen mechanische Spannung oder allgemein eine von einer mechanischen Belastung hervorgerufene mechanische Spannung oder Spannungsverteilung repräsentieren.
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Die Spannungspfeile 84 bis 92 greifen hierbei exemplarisch so an einem Rand der Fehlstelle 72 an, dass sie ähnlich wie die Kraftvektoren 74, 76, 78 und 82 ausgerichtet sind.
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Durch eine Querschnittsform der Fehlstelle 72 könnte sich in einer Umgebung der Selbigen eine ausgeglichene statische Belastung ergeben. Dadurch bedingt hätte die Fehlstelle 72 möglicherweise nur einen geringen Einfluss auf die Belastbarkeit oder Festigkeit eines entsprechenden Bauteils. Ebenfalls denkbar ist, dass die Belastbarkeit mit der Fehlstelle 72 höher ist als beispielsweise die Belastbarkeit eines Bauteils mit einer würfelförmigen Fehlstelle (siehe 2).
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3.1.2. Beschreibung der Fig. 3b
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3b zeigt eine schematische Ansicht eines Modells 40, das eine Fehlstelle 71 aufweist. Diese ist abermals näherungsweise in der Mitte des Modells 40 angeordnet. Der Querschnitt der Fehlstelle 71 ähnelt exemplarisch einem gespiegelten „L”. Die Fehlstelle 71 ist weiterhin diagonal schraffiert dargestellt. Dies soll andeuten, dass es sich hier beispielsweise um einen eingeschlossenen Fremdkörper handeln kann. Ein solcher Fremdkörper kann ebenfalls als Fehlstelle identifiziert werden, sein Einfluss auf die Belastbarkeit des Bauteils kann sich jedoch von dem Einfluss einer hohlen Fehlstelle (bzw. Aussparung) gleicher oder ähnlicher Form oder Lage unterscheiden, abhängig beispielsweise von einem Material des Fremdkörpers und dessen spezifischen Eigenschaften oder Werkstoffkenngrößen. Das Modell 40 könnte im Rahmen einer simulativen Analyse mit den bereits bekannten Kraftvektoren 74, 76, 78 und 82 belastet werden, um den genauen Einfluss der Fehlstelle 71 auf die Belastbarkeit eines entsprechenden Bauteils zu bestimmen.
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3.1.3. Beschreibung der Fig. 3c
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3c zeigt eine schematischen Querschnitt eines Modells 50, das einen abermals näherungsweise mittig angeordneten Riss 75 aufweist. Der Riss 75 liegt dabei exemplarisch in der gezeigten Schnittebene des Modells. Diese Darstellung ist stark vereinfachend, da die Ausbildung eines realen Risses in einem realen Bauteil normalerweise nichtdeterministisch verlaufen wird. Wird ein reales Bauteil mit einem realen Riss weiterhin in einem realen Lastszenario betrachtet, so können mechanische Spannungen in einer Umgebung des Risses unvorhersehbare oder unvorteilhafte Auswirkungen haben, wenn sich der Riss beispielsweise vergrößert. Dies ist in der Zeichnung durch die gestrichelte Linie 77 angedeutet.
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Im Verlauf einer simulativen Belastungsprüfung mit den bereits bekannten Kraftvektoren 74, 76, 78 und 82 könnten (resultierende) mechanische Spannungen in einer Umgebung des Risses 75 daher genau analysiert werden, um möglicherweise eine Aussage über den Einfluss der rissförmigen Fehlstelle 75 auf die Belastbarkeit eines realen Bauteils zu treffen. Entsprechend den vorher erläuterten möglicherweise unvorteilhaften Auswirkungen kann in diesem Fall eine möglichst umfassende Berücksichtigung der Fehlstelle sinnvoll sein. Dies könnte z. B. durch eine in einer Umgebung der Fehlstelle hochaufgelöste adaptive Vernetzung erreicht werden (siehe 5b und die zugehörige Beschreibung).
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3.1.4. Beschreibung der Fig. 3d
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3d zeigt eine schematische Ansicht eines Schnitts durch ein Modell 60, das eine sich verästelnde oder dendritische Fehlstelle 96 umfasst. Die Fehlstelle 96 ist näherungsweise in der Mitte des Modells 60 angeordnet.
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Dendritische Fehlstellen oder Lunker sind häufig unvorteilhaft, da sie eine Ausbildung von Rissen begünstigen können. Die exakte (örtliche) Ausprägung eines Risses kann dabei normalerweise nur schwer vorhergesagt werden. Der gestrichelt gezeichnete sich ausbildende Riss 98 soll daher nur als Veranschaulichung dienen. In einem realen Bauteil könnten bedingt durch die sich verästelnde Struktur der Fehlstelle bspw. eine Anzahl verschiedenartiger Risse entstehen, wenn eine entsprechende mechanische Belastung groß genug ist.
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Wird das Modell 60 mit den bereits bekannten Kraftvektoren 74, 76, 78 und 82 simulativ belastet, so könnte u. U. entsprechend ein hoher Einfluss der Form der Fehlstelle 76 auf die Festigkeit eines entsprechenden Bauteils bestimmt werden. Auch hier kann eine adaptive Vernetzung oder allgemein eine hohe Vernetzungsdichte in einer Umgebung der Fehlstelle 76 vorteilhaft sein (siehe abermals 5b).
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3.2. Beschreibung der Fig. 4a und Fig. 4b
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3.2.1. Beschreibung der Fig. 4a
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4a zeigt in einem linken Bereich einen schematischen Schnitt durch ein Bauteilmodell 70, das in einer Umgebung der rechten oberen Ecke eine abermals rund ausgeformte Fehlstelle 104 aufweist. In einem linken oberen Bereich des Modells 70 dagegen ist exemplarisch gestrichelt gezeichnet ein funktional wichtiger Bereich 106 angeordnet.
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Eine funktionale Wichtigkeit dieses Bereichs 106 ergibt sich hier exemplarisch aus einer Belastung mit mechanischen Spannungen, durch eine Anzahl von an einem Rand des näherungsweise quadratischen Bereichs 106 wirkenden kleinen Pfeilen 108 angedeutet. Ebenfalls denkbar wäre, dass der Bereich 106 besonders sensibel ist und daher nur mit geringen mechanischen Spannungen belastet werden soll, oder dass der Bereich 106 aus einem empfindlichen Material hergestellt wurde. Alternativ könnte sich bei dem Bereich 106 beispielsweise auch um einen hoch beanspruchten Bereich eines realen Bauteils handeln, der im Rahmen einer simulativen Analyse möglichst genau betrachtet werden soll, oder beispielsweise um einen tragenden Bereich oder ein Lager.
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Die Fehlstelle 104 ist außerhalb des funktional wichtigen Bereichs 106 angeordnet. Ihr Abstand 102 von einem rechten Rand des Bereiches 106 beträgt näherungsweise ein Drittel der Kantenlänge des Modells 70. Die Fehlstelle 104 hat möglicherweise nur einen geringen Einfluss auf die Belastbarkeit eines durch das Modell 70 repräsentierbaren Bauteils.
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Ein Einfluss einer Fehlstelle auf die Festigkeit eines realen Bauteils könnte allgemein direkt von einem Abstand der Fehlstelle von einem funktional wichtigen Bereich abhängig sein, dergestalt, dass ein kleiner Abstand einen hohen Einfluss und ein großer Abstand einen kleinen Einfluss bedingt.
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In einem rechten Bereich der 4a dagegen ist ein Bauteilmodell 80 zu sehen, das eine Fehlstelle 114 innerhalb des funktional wichtigen Bereichs 106 aufweist. Infolge der in diesem Gebiet auftretenden mechanischen Spannungen 108 könnte die gezeigte Lage der Fehlstelle 114, obwohl die Form derselben statisch vorteilhaft sein kann, kritisch sein.
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Es ist denkbar, dass das entsprechende Bauteil deswegen nach erfolgter simulativer Analyse als Ausschuss deklariert wird, basierend auf einem Ergebnis dieser Analyse. Ebenfalls denkbar wäre ein automatisiertes Verfahren, das bei Vorliegen einer Fehlstelle in einem funktional wichtigen Bereich eine Schlecht-Entscheidung für das Bauteil trifft, möglicherweise auch unabhängig von einer Ausprägung oder Form der Fehlstelle.
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3.2.2. Beschreibung der Fig. 4b
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4b zeigt schematische Querschnittsansichten zweier beispielhafter Modelle, die jeweils eine Mehrzahl von Fehlstellen aufweisen. Im Rahmen einer Festigkeitsanalyse soll eine Beanspruchung durch jeweils drei parallele äquidistant angeordnete Kraftvektoren, die jeweils von oben auf eine jeweilige obere Bauteiloberfläche wirken, simulativ untersucht werden.
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In einem linken Bereich der 4b zu sehen ist ein Bauteilmodell 90, das in einem linken oberen Bereich eine dendritische Fehlstelle 118 und in einem unteren rechten Bereich eine dendritische Fehlstelle 122 aufweist.
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Die Lage der Fehlstelle 118 in der Nähe der drei Kraftvektoren 124, 126 und 128 könnte hierbei einen vergleichsweise großen Einfluss der Fehlstelle 118 auf die Bauteilbelastbarkeit bedingen. Die Fehlstelle 122 hingegen ist von den Kraftvektoren 124, 126 und 128 mehr als eine halbe Kantenlänge entfernt angeordnet, so dass möglicherweise keine Beeinflussung oder nur eine geringe Beeinflussung der Bauteilfestigkeit hervorgerufen wird. Die Fehlstelle 118 könnte während des simulativen Analysierens stärker berücksichtigt werden als die Fehlstelle 122.
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In einem rechten Bereich der 4b dagegen ist ein Modell 100 dargestellt, das zwei lateral nebeneinander angeordnete dendritische Fehlstellen 134 und 136 aufweist. Die Fehlstelle 134 ist bezüglich ihrer Lage im Modell 100 ähnlich angeordnet wie die Fehlstelle 118 bezüglich ihrer Lage im Modell 90, während die Fehlstelle 136 in einer rechten oberen Ecke des Bauteils 100 eingezeichnet ist.
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Beide Fehlstellen sind in der Umgebung einer oberen Oberfläche des Bauteils 100 und damit in räumlicher Nähe zu den Kraftvektoren 124, 126 und 128 angeordnet. In einem realen Anwendungsfall könnte diese Konfiguration unvorteilhaft sein, da sich so bspw. eine hohe mechanische Spannung oder allgemein unvorteilhaft hohe mechanische Spannungen in der Nähe der beiden Fehlstellen ergeben kann bzw. ergeben könnten. Es ist weiterhin denkbar, dass die räumliche Nähe der Fehlstellen 134 und 136 die Ausbildung eines Risses 138, gestrichelt gezeichnet, begünstigt. Dies könnte unabsehbare oder gar negative Auswirkungen auf die Belastbarkeit eines realen Bauteils haben.
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Dementsprechend kann es beispielsweise bei einer Prüfung eines Gussteils mit einer ähnlichen oder vergleichbaren Fehlstellenkonfiguration vorteilhaft sein, die Relevanz jeder detektierten Fehlstelle möglichst genau zu bewerten. In anderen Worten kann die Form und Lage von Fehlern berücksichtigt werden.
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4. Beschreibung der Fig. 5a und Fig. 5b
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4.1. Beschreibung der Fig. 5a
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5a zeigt eine schematische Ansicht eines Bauteilquerschnitts. Dargestellt ist ein Teil eines Rades, das aus Gründen der Anschaulichkeit eine homogene Dichteverteilung aufweisen soll. Es könnte sich beispielsweise um ein Leichtmetallgussteil handeln.
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Im gezeigten Ausschnitt zu sehen ist eine Felge 142 sowie eine Speiche 144. Sowohl die Felge 142 als auch die Speiche 144 sind exemplarisch nur abschnittsweise gezeigt, dies ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Weiterhin in der 5a zu sehen ist eine abermals exemplarisch rund ausgeformte Fehlstelle 146. Diese befindet sich räumlich näherungsweise in der Mitte des gezeigten Ausschnitts der Speiche 144.
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Die nun folgenden Erläuterungen beziehen sich aus Gründen der Anschaulichkeit auf den zweidimensionalen Querschnitt des gezeigten Bauteils bzw. des gezeigten Modells des Bauteils. Sie sind aber sinngemäß auf einen dreidimensionalen Fall übertragbar.
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4.2. Beschreibung der Fig. 5b
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4.2.1. Erläuterung der Fig. 5b
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5b zeigt nun eine schematische Ansicht eines entsprechenden Modells des Rades, wie sie beispielsweise während des simulativen Analyseschrittes in einem Computerprogramm bzw. einer FEM-Simulationssoftware vorliegen könnte.
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Während des simulativen Analyseschrittes kann es vorteilhaft sein, eine adaptive Vernetzung durchzuführen. Dies kann abhängig von verschiedenen Voraussetzungen geschehen. Insbesondere kann die Art bzw. Ausbildung der adaptiven Vernetzung von einer Lage oder Form einer jeweiligen Fehlstelle abgeleitet sein. Aber auch eine höhere Vernetzungsdichte in einer Umgebung der Fehlstelle kann sinnvoll sein, unabhängig von der Lage oder Form der Selbigen. Alternativ könnte die adaptive Vernetzung in einem Gebiet erfolgen, das nicht eine Umgebung der Fehlstelle umfasst.
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Die adaptive Vernetzung kann beispielweise basierend auf verschiedenen geometrischen Mustern erfolgen. Häufig verwendet wird eine Parkettierung eines entsprechenden Oberflächenbereichs mit Dreiecken. Diese Dreiecke können je nach Anforderung größer oder kleiner ausgebildet werden. Dabei ist es denkbar, dass eine Rechenzeit zum Ausführen der simulativen Analyse von einer Größe der Dreiecke oder von einer respektiven Auflösung oder Vernetzungsdichte abhängt.
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Beispielsweise kann die (adaptive) Vernetzung durch die Fehlstellen und ihre Lage im Raum gesteuert werden. Dies ist im Unterschied zu Vernetzungsverfahren, die bei den heutigen Systemen eingesetzt werden, und bei denen die Vernetzung von der Krümmung der Oberfläche abhängig ist.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann exemplarisch vorausgesetzt werden, dass eine Randbedingung, die beispielsweise von dem Hersteller oder Abnehmer des sich in Produktion befindlichen Bauteils bestimmt ist oder aus bekannten Werkstoffkenngrößen abgeleitet werden kann, im Bereich der Felge 142 eine vergleichsweise grobe Vernetzungsdichte bedingt. Dies ist durch die Dreiecke 148 angedeutet, die also exemplarisch so innerhalb der Felge 142 angeordnet sind, dass ihre Höhe jeweils einer Höhe der Felge 142 entspricht.
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Die Speiche 144 kann als funktional wichtiger Bereich des Bauteils bzw. Rades bezeichnet werden. Daher sind Dreiecke 152 in diesem Bereich zunächst kleiner als die Dreiecke 148. Die Dreiecke 152 sind weiterhin in einem Bereich, der der Felge 142 nah ist sowie in einem Bereich rechts unterhalb der Fehlstelle 146 mit einer annähernd gleichen Größe ausgeführt. Genaue Größen oder Abmessungen der Dreiecke könnten bspw. von einem Grad der funktionalen Wichtigkeit abhängen.
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In einer Umgebung der Fehlstelle 146 sind kleinere Dreiecke 154 angeordnet. Dies kann vorteilhaft sein, da diese Fehlstelle in dem funktional wichtigen Bereich 144 unter Umständen einen hohen Einfluss auf eine Belastbarkeit des Rades haben kann, der entsprechend berücksichtigt werden kann. Ebenso könnte eine Ausbildung der adaptiven Vernetzung von der Form der Fehlstelle 146 abgeleitet werden oder durch dieses bestimmt sein.
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4.2.2. Alternative Ausführungsbeispiele
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Die Vernetzung könnte weiterhin direkt anhand eines Voxel-Datensatzes durchgeführt werden. Dies ist vorteilhaft, da viele bildgebende Verfahren einen Voxel-Datensatz generieren, wodurch keine Umwandlung in ein anderes Datensatz-Format (wie etwa STL) durchgeführt werden muss. Dabei könnten in einer Umgebung der Fehlstelle zusätzliche Datenpunkte durch Interpolation gewonnen werden, um eine räumliche Auflösung zu erhöhen, oder es könnten beispielsweise in einem für die Belastbarkeit unkritischen Gebiet Datenpunkte nicht für die simulative Analyse verwendet werden, um eine räumliche Auflösung zu verringern. Eine beschleunigte Ausführung der für die Simulation notwendigen (numerischen) Berechnungen kann die Folge sein.
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In anderen Worten könnte basierend auf dem Voxel-Datensatz eine automatische Vernetzung mit einem adaptiven Vernetzungsanteil im Bereich der Fehlstelle(n) erfolgen. Eine höhere Vernetzungsdichte im zu bewertenden Bereich wird bspw. von der Form der Fehlstelle abgeleitet. (Auch) basierend auf möglicherweise bereits bekannten Randbedingungen (Belastung, Lagerung) kann eine FE-Analyse und eine Bewertung Gut oder Schlecht der Fehlstelle(n) erfolgen. Eine Neuartigkeit liegt in einer numerischen Inline-Bewertung in Echtzeit der Fehlstelle und der adaptiven, d. h. beispielsweise der Fehlstelle angepassten, Vernetzung basierend auf dem Voxel-Datensatz, ohne einen Umweg über einen STL-Datensatz zu gehen, der u. U. mit einem zusätzlichen zeitlichen Aufwand verbunden wäre. Damit kann möglicherweise – ohne einen allgemeinen Fehlerkatalog zur Bewertung heranzuziehen – eine individuelle Gut-Schlecht-Entscheidung für ein Bauteil getroffen werden.
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5. Beschreibung der Fig. 6
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 110 zur Bestimmung einer Qualität eines Bauteils in Form eines Blockdiagramms.
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Unter Verwendung eines 3-D-Bildgebers 156 wird zunächst ein dreidimensionales Modell des Bauteils bestimmt. Anschließend wird dieses über eine Schnittstelle 158 der Vorrichtung 110 zur Verfügung gestellt.
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Die Vorrichtung 110 umfasst dabei exemplarisch einen Analysator 162 sowie einen Entscheider 164. Nachdem der Analysator das dreidimensionale Modell des Bauteils über die Schnittstelle 166 erhalten hat, kann er eine Belastbarkeit des Bauteils unter Verwendung des soeben erhaltenen dreidimensionalen Modells und unter Berücksichtigung einer Fehlstelle simulativ analysieren und einen Einfluss der Fehlstelle auf die Belastbarkeit des Bauteils oder die Belastbarkeit des Bauteils mit der Fehlstelle bestimmen. Anschließend stellt er ein Ergebnis der simulativen Analyse über eine weitere Schnittstelle 168 dem Entscheider 164 zur Verfügung. Der Entscheider, der die Ausgabe des Analysators über die Schnittstelle 172 erhalten kann, ist ausgebildet, um basierend auf einer Ausgabe des Analysators 162 eine Gut-Schlecht-Entscheidung für das Bauteil zu treffen.
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6. Beschreibung der Fig. 7
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6.1. Allgemeine Erläuterung des gezeigten Ausführungsbeispiels
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7 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel eines Testsystems 120. Das Testsystem 120 ist ausgebildet, um eine Serienprüfung von stückweise nacheinander zugeführten Bauteilen oder speziell Gussteilen zu ermöglichen, die sich jeweils in einem jeweiligen Produktionsprozess befinden. Ziel ist, zu entscheiden, ob das jeweilige Bauteil entweder im Produktionsprozess verbleiben soll oder als Ausschuss deklariert wird. Dies kann im Rahmen einer Inline-CT des Bauteils geschehen. Das Testsystem 120 ist in anderen Worten also ausgebildet, um ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines Gussteils auf Basis bruchmechanischer Eigenschaften in der Serienprüfung mit Inline-Computertomographie durchzuführen. 7 verdeutlicht diesen Ablauf.
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6.2. Detaillierte Erläuterung des gezeigten Ausführungsbeispiels
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Das System 120 umfasst dabei zunächst ein Computertomographieuntersuchungsgerät 130, das eine Röntgenquelle 174 sowie einen Röntgendetektor 176 aufweist. Die Röntgenquelle 174 ist ausgebildet, um einen Kegelstrahl 171 auszusenden, der ein auf einem Manipulator 174 drehbar gelagertes Bauteil durchstrahlen und so eine Projektion 175 auf dem Röntgendetektor erzeugen kann. Der Manipulator 174 ist ausgebildet, um ein darauf befindliches Bauteil im Rahmen einer CT-Untersuchung entlang des rund ausgeführten Pfeils 178 oder allgemein um eine Drehachse, die beispielsweise entlang einer z-Richtung verlaufen kann, zu drehen und dadurch ein Erzeugen von aus verschiedenen Perspektiven aufgenommene Projektionen des Bauteils auf dem Röntgendetektor 176 zu ermöglichen.
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Das CT-Untersuchungsgerät 130 ist weiterhin ausgebildet, um anhand dieser Projektionen ein dreidimensionales Modell des sich auf dem Manipulator befindlichen Bauteils zu bestimmen. Das CT-Untersuchungsgerät 130 kann als 3-D-Bildgeber bezeichnet werden (siehe 6 oben).
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Das System 120 weist weiterhin exemplarisch einen Greifarm 150 auf. Dieser ist ausgebildet, um im Produktionsprozess befindliche Gussteile 140, 160 und 170 nacheinander oder stück- oder taktweise in das CT-Untersuchungsgerät zu befördern. Dies ist lediglich ein Ausführungsbeispiel, die Zuführung könnte auf verschiedene andere Arten und Weisen erfolgen. Denkbar wäre etwa die Verwendung eines Fließ- oder Förderbandes oder einer anders gearteten automatischen oder mechanischen Zuführung.
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Das gezeigte Ausführungsbeispiel stellt eine Momentaufnahme dar; hier wurde das Bauteil 170 noch nicht geprüft, das Bauteil 140 wird gerade geprüft und bei dem Bauteil 160 ist die Prüfung bereits mit einem positiven Ergebnis („Gut”) abgeschlossen. Das sich in der Prüfungsphase befindende Bauteil 140 weist hier exemplarisch mehrere Fehlstellen auf. Dies kann unter Verwendung einer Vorrichtung 110 zur Bestimmung einer Qualität eines Bauteils herausgefunden werden.
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Die Vorrichtung 110 ist dabei mit dem CT-Untersuchungsgerät 130 verkoppelt oder ausgebildet, um von diesem ein dreidimensionales Modell zu erhalten. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Modell des sich momentan auf dem Manipulator 173 befindlichen Bauteils 140 handeln.
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Die Vorrichtung 110 ist hier exemplarisch durch einen Computer dargestellt. Dieser weist einen Monitor 182 auf. Auf dem Monitor 182 könnte beispielsweise ein dreidimensionales Modell des Bauteils 140 zu sehen sein, wie es von dem CT-Untersuchungsgerät 130 bestimmt worden ist. Dies wird durch Vergrößerung des Bildschirminhalts 184 exemplarisch verdeutlicht: zu sehen ist das dreidimensionale Modell 186 des Bauteils 170. Dieses weist exemplarisch eine Anzahl von Fehlstellen auf, die hier als schwarze Wolke dargestellt ist. Eine Detektion dieser Fehlstellen könnte dabei beispielsweise durch eine automatische oder automatisierte Fehlererkennung erreicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens könnte in einem weiteren Schritt eine Fehlerextraktion bzw. eine Erstellung eines Fehlermodells durchgeführt werden. Dies ist durch den Bildschirminhalt 188 dargestellt. Zu sehen ist eine schematische Darstellung der Fehlstellen, ohne das Modell 186. Veranschaulichend ist weiterhin ein Pfeil 192 zu sehen, der einen zeitlichen Ablauf andeuten soll.
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Ist ein Fehlermodell oder eine umfassende Fehlerbeschreibung gefunden, so kann in einem exemplarisch nachfolgenden (durch den Pfeil 194 angedeutet) weiteren Schritt eine simulative Belastbarkeitsanalyse des Bauteils mit der Fehlstelle oder den Fehlern erfolgen. Dies wird durch den Bildschirmausschnitt 196 veranschaulicht. Zu sehen ist eine beispielhafte Finite-Elemente-Analyse, wie sie beispielsweise in einem Simulationsprogramm erfolgen kann. Dabei ist ein Ausschnitt 191 des Modells 186 dargestellt, mit einer gebietsweisen adaptiven Vernetzung 193 (siehe 5b und die zugehörige Beschreibung) und einer Fehlstelle 195. Es wird eine Berechnung des Einflusses des Fehlers auf die Bauteilfestigkeit ermöglicht. Dieser Einfluss kann numerisch berechnet werden und eine Kennwertermittlung kann erfolgen. Anschließend könnte dieser Kennwert mit einem vordefinierten Grenzwert verglichen werden.
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Alternativ kann eine Betrachtung des Lastszenarios, dem das Bauteil 140 voraussichtlich im Betrieb ausgesetzt sein wird, erfolgen. Außerdem können zulässige Festigkeitswerte einfließen, die von der Wahl des Materials und der Herstellungsmethode beeinflusst werden. Ziel kann beispielsweise die Festlegung von Fehlergrößen sein, die eine Funktionsfähigkeit des Bauteils über die gesamte Lebensdauer nicht beeinträchtigen. Gleichzeitig kann beispielsweise aber auch versucht werden, die kostengünstige Produktion des Bauteils 140 sicherzustellen. In diesem Fall würden somit u. U. keine überzogenen Anforderungen festgelegt werden.
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Alternativ kann die Festlegung der vordefinierten Grenzwerte oder der Zulässigkeitswerte durch die Abnehmer der Bauteile erfolgen und sie können dem Hersteller zur Verfügung gestellt werden.
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Letztendlich kann durch die Festlegung der zulässigen Grenzwerte (maximal zulässige Fehlergrenzen) eine Übersetzung von strukturmechanischen Kennwerten und des Einflusses von Fehlern auf diese Eigenschaften in Zahlenwerte erfolgen, die von den Gießern (des Gussteils 140 oder allgemein eines Bauteils) zu berücksichtigen sind.
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Basierend auf einem Ergebnis der simulativen Untersuchung wird anschließend (Pfeil 198) eine Entscheidung für das zu prüfende bzw. in der Prüfung befindliche Gussteil 140 getroffen. Dies wird durch den Haken 202 bzw. das Kreuz 204 angedeutet. Abhängig von der in diesem Schritt getroffenen Entscheidung ist denkbar, dass das Bauteil 140 entweder (so wie das Bauteil 160) als geeignet eingestuft wird oder aber als Ausschuss deklariert wird. Es erfolgt in anderen Worten also eine Gut/Schlecht Entscheidung auf Basis von Festigkeitswerten.
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6.3. Zusammenfassung
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In anderen Worten kann der Einsatz der Computertomographie (CT) eine Voraussetzung für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Serienprüfung (Inline-CT) sein, bei der jedes Bauteil inspiziert wird (100%-Prüfung). Durch die CT kann ein dreidimensionales Volumenmodell des Bauteils und auch der potenziell enthaltenen Fehlstellen entstehen. Dieses Volumenmodell ermöglicht beispielsweise die Erfassung der Lage eines Fehlers sowie z. B. den Abstand des Fehlers zu einer Oberfläche oder eines funktional wichtigen Bereichs des Bauteils. Außerdem ist die Erfassung der inneren Oberfläche eines Fehlers möglich und damit die Extraktion eines Fehlermodells bzw. vollständigen Fehlerbeschreibung.
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7. Computerimplementierung
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. 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. 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. 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. 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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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.
