DE102015006697A1

DE102015006697A1 - Optisches Verfahren und Anordnung zur Eigenspannungsmessung, insbesondere an beschichteten Objekten

Info

Publication number: DE102015006697A1
Application number: DE102015006697.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Osten; Giancarlo Pedrini; Rainer Gadow; Klaus Körner
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: DE102015006697B4; WO2016184578A1; US10481020B2; US20180202872A1; EP3298372A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in Objekten, insbesondere in beschichteten Objekten, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Objekten. Das Verfahren umfasst: Beaufschlagen einer Oberfläche (8) des Objekts (5) mit Laserlicht und Erzeugen eines Lochs oder eines Musters von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt (5); Ermitteln der Oberflächenverformungen nach dem Beaufschlagen des Objekts (5) mit dem Laserlicht mittels eines optischen Verformungs-Messverfahrens; Ermitteln der im Objekt (5) vorliegenden Eigenspannungen aus den gemessenen Oberflächenverformungen, wobei das Erzeugen des Lochs Musters mittels einer optischen Abtastvorrichtung erfolgt, welche eine optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung zur steuerbaren Ablenkung und/oder Modulation des Laserlichts; und/oder eine Fokussieranordnung zur steuerbaren Fokussierung des Laserlichts umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in Objekten, insbesondere in beschichteten Objekten, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Objekten.
Beschichtungen werden häufig verwendet, um funktionale (z. B. beim Korrosions- oder Verschleißschutz oder in der Sensorik) oder dekorative Eigenschaften einer Objektoberfläche zu gewährleisten. Schichten besitzen jedoch häufig herstellungsbedingte Eigenspannungen, die unerwünschte Effekte erzeugen (z. B. Schichtabplatzung, Rissbildung). Es ist deshalb von Interesse, die Eigenspannungen und ihre Auswirkungen im Schichtenverbund zu kennen, um die Schichtherstellung in geeigneter Weise durchzuführen.
Zur Bestimmung von Eigenspannungen in Schichten und Schichtverbundwerkstoffen ist eine Vielzahl von Techniken bekannt. Viele Methoden, wie z. B. der Einsatz von Beta-Strahlern oder die Röntgenfluoreszenz-Technik, sind jedoch reine Labormessverfahren, die für den industriellen Einsatz weniger geeignet sind. Techniken wie z. B. Wirbelstrommessverfahren, Barkhausen-Rauschen oder induktive Messverfahren können nur für Messungen auf leitenden bzw. magnetischen Proben eingesetzt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [1]). Sehr hohe Genauigkeiten können mit der Röntgen-Diffraktometrie erzielt werden. Diese Methode basiert auf der Beugung von Röntgenstrahlung (Bestimmung des Bragg-Winkels), welche durch Gitterverzerrungen aufgrund von Eigenspannungen beeinflusst wird. Mit der Röntgen-Diffraktometrie können Eigenspannungen und die verschiedenen Anteile der Eigenspannungen I., II. und III. Art (makro-, meso- und mikroskopisch) am Gesamt-Eigenspannungszustand mit sehr hoher räumlicher Auflösung bestimmt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [2]). Diese Untersuchungen sind jedoch sehr zeitaufwendig und daher nicht für Messungen während eines Schichtentstehungsprozesses geeignet.
Vergleichsweise kostengünstig können Bohrloch- oder Ringkernverfahren eingesetzt werden.
Das Bohrlochverfahren (in klassischer Form oder in Form des Mikrozirkularfräsverfahrens) ist eine „minimal-destruktive” Methode, die in der Praxis oft verwendet wird und den Stand der Technik in der praktischen Anwendung darstellt (vgl. Nicht-Patentschriften [3] bis [5]). Durch die Bohrung eines Loches werden Eigenspannungen freigesetzt, also relaxiert. Dabei ergibt sich eine resultierende Verformung (z. B. Dehnung) der Oberfläche. Die Messung der Oberflächenverformungen (z. B. Dehnungen) erlaubt, in Kombination mit geeigneten Kalibrierfunktionen (welche für Schichtverbunde simuliert werden müssen), die quantitative Bestimmung der Eigenspannungen. Durch inkrementelles Bohren oder Fräsen in kleinen Schritten können Eigenspannungstiefenprofile ermittelt werden. Die Oberflächendehnungen werden traditionell mit Dehnmessstreifen (DMS) gemessen. Deren Einsatz ist jedoch nur auf ebenen und relativ glatten Oberflächen möglich. Neben dem praktischen Nachteil des notwendigen direkten Aufbringens der DMS auf das Testobjekt ist die Beschränkung auf eine Messung von 2D-Deformationen (lateral zur Oberfläche) als weiterer Nachteil zu werten. Weil hierbei der Messabstand von der Bohrung stets vergleichsweise groß ist, bestehen zudem Einschränkungen sowohl hinsichtlich der örtlichen Auflösung als auch hinsichtlich der praktischen Anwendbarkeit. Weiterhin sind diese Messungen sehr fehleranfällig gegenüber Asymmetrien der Bohrung bzw. der Positionierung der DMS-Messgitterrosette.
Anstelle einer Bohrung können die Eigenspannungen auch durch lokale Erwärmungen der Objektoberfläche (z. B. mittels eines Lasers) freigesetzt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [6] und US 5,920,017 ). Wenn die Materialparameter und der Erwärmungs- bzw. Abkühlungszyklus bekannt sind, kann aus den gemessenen Verformungen auf die Eigenspannungen rückgeschlossen werden.
Optische Techniken erlauben eine hochaufgelöste flächenhafte Erfassung von dreidimensionalen Oberflächenverformungen und wurden daher mit verschiedenen Methodiken für die Bestimmung von Eigenspannungen eingesetzt. Normalerweise basieren diese Verfahren auf klassischer holografischer Interferometrie, Speckle-Interferometrie (Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI) oder digitaler Holografie. Durch Auswertung der Hologramme/Specklegramme ist es möglich, die Verformung der Oberfläche nach der Bohrung zu bestimmen. Im Zusammenhang mit z. B. Finite-Elemente-Simulationen können dann die Eigenspannungen berechnet werden (vgl. Nicht-Patentschrift [5]). Für die Messung von Verschiebungen kann ebenfalls die Bildkorrelation eingesetzt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [7]).
In der Patentschrift AU 4147289 A wird ein Kamera-basiertes holografisches Speckle-Interferometer beschrieben, mit welchem Mikrodeformationen, die durch Belastung (Erzeugung mechanischer Spannungen) induziert sind, simultan und in verschiedenen Skalen durch Kombination unterschiedlicher optischer Messverfahren erfasst werden können. Der Grad der Belastung des Objekts wird dabei variiert.
In der Patentschrift US 5,339,152 A wird eine bewegliche interferometrische Anordnung, welche geeignet ist, die bei zeitlich variierender Belastung auftretenden Eigenspannungen in vergleichsweise großen, gebohrten Löchern für Befestigungen zeitaufgelöst zu ermitteln. Die Anordnung ist insbesondere für den Einsatz im Flugzeugbau geeignet.
In der Patentschrift JP 2004-170210 A wird ein Verfahren zur Ermittlung von Spannungen durch die Messung der Verformung eines Bohrloches beschrieben. Dabei kommt ein miniaturisierter Laser-Abstandssensor zur Anwendung.
In der Patentschrift US 7,154,081 B1 wird ein optisches Messsystem zur zeitaufgelösten Messung von Eigenspannungen an Beschichtungen, beispielsweise an Isolator-Schichten für elektrische Leiter, beschrieben. Das optische Messsystem umfasst mehrere räumlich verteilte optische Faser-Sensoren, wobei Bragg-Gitter zum Einsatz kommen. Ein Nachteil dieses Messsystems ist die geringe Ortsauflösung. Ferner ist es für Fertigungsprozesse mit hohem Material-Durchsatz nicht geeignet.
In der Nicht-Patentschrift [8] ist eine Methode zum Bestimmen von Eigenspannungen in der Mikrometer-Skala beschrieben, welche auf der Messung von Verformungen basiert, die durch inkrementelles Bohren von Nano-Löchern (Durchmesser 50 nm) unter Verwendung von fokussierter Ionenstrahlung („Focused Ion Beam”, FIB) erzeugt werden. Die Verformungen werden mit einem Raster-Elektronen-Mikroskop („Scanning Electron Microscope”, SEM) unter Anwendung von Bildkorrelations-Verfahren gemessen.
Die Patentanmeldung WO 2013-108208 (A1) beschreibt ein anderes Verfahren zum Erfassen von Eigenspannungen in Oberflächenbeschichtungen in der Mikrometer-Skala. Hierzu werden zwei Streifen-Paare des Materials durch Elektronen- oder Ionenstrahl-Abtragstechniken aus der Oberfläche entfernt. Die durch die freigesetzten Eigenspannungen sich ergebenden lateralen Verschiebungen werden mittels digitaler Bild-Korrelation auf der Basis von REM-Bildern gemessen (REM: Raster-Elektronen-Mikroskop). Der Einsatz der Raster-Elektronen-Mikroskopie ermöglicht jedoch kein schnelles Messen der Eigenspannungen von Oberflächenbeschichtungen in einem Fertigungsprozess mit hohem Materialdurchsatz, da Raster-Elektronen-Mikroskope üblicherweise im Vakuum arbeiten.
Eigenspannungsbehaftete Schichten werden zum Teil durch thermokinetische Beschichtung hergestellt („thermisches Spritzen”). Thermokinetisch abgeschiedene Schichten weisen Inhomogenitäten, Porositäten und mehrphasige Strukturen auf, wobei die ursprünglichen schmelzflüssigen Spritzpartikel teilweise ausgeprägt texturierte Schichten ausbilden. Sie sind anisotrop und weichen daher in ihren Eigenschaften deutlich von den entsprechenden Massivwerkstoffen ab. Ferner werden sie hinsichtlich ihrer Anwendungseigenschaften (Belastbarkeit, Zuverlässigkeit) stark von ihrem Eigenspannungszustand nach der Schichtapplikation und Fertigbearbeitung beeinflusst, welcher wiederum von den Materialeigenschaften der beteiligten Schichtverbundpartner sowie den Prozessparametern abhängig ist.
Nicht-Patentschriften:

[1] M. Rabung, I. Altpeter, C. Boller, G. Dobmann, H. G. Herrmann," Non-destructive evaluation of the micro residual stresses of IIIrd order by using micro magnetic methods", NDT & E International, Volume 63, April 2014, Pages 7–10
[2] M. E. Fitzpatrick, A. T. Fry, P. Holdway, F. A. Kandil, J. Shackleton and L. Suominen, "Determination of Residual Stresses by X-ray Diffraction – Issue 2", Measurement Good Practice Guide No. 52, National Physical laboratory.
[3] ASTM Standard E 837-01, „Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method"
[4] M. Wenzelburger, D. López, R. Gadow, "Methods and application of residual stress analysis on thermally sprayed coatings and layer composites", Surf. Coat. Technol., 201 (5), 1995–2001, 2006.
[5] G. S. Schajer, "Relaxation Methods for Measuring Residual Stresses: Techniques and Opportunities", Experimental Mechanics, 1117–1127, 2010
[6] M. Viotti, R. Suterio, A. Albertazzi, G. Kaufmann, "Residual stress measurement using a radial in-plane speckle interferometer and laser annealing: preliminary results", Optics and Laser in Engineering, 42, pp 71–84, 2004
[7] A. Baldi, "Residual Stress Measurement Using Hole Drilling and Integrated Digital Image Correlation Techniques", Experimental Mechanics (2014) 54: 379–391.
[8] A. M. Korsunsky, M. Sebastiani, E. Bemporad, "Residual stress evaluation at the micrometer scale: Analysis of thin coatings by FIB milling and digital image correlation", Surface & Coatings Technology 205 (2010) 2393–2403
[9] J. Matejicek, S. Sampath, „In situ measurement of residual stresses and elastic moduli in thermal sprayed coatings. Part 1: apparatus and analysis", Acta Mater., Vol. 51, Nr. 3, 863–872, 2003

Bisherige Arbeiten zur Eigenspannungskontrolle während thermischer Spritzprozesse konzentrieren sich hauptsächlich auf die Messung der resultierenden Eigenspannungen, z. B. auf den zeit- und schichtdickenabhängigen Verlauf der Eigenspannungen im Prozess unter Verwendung geometrisch vereinfachter Referenzproben (vgl. Nicht-Patentschrift [9]) oder auf die Ermittlung des Eigenspannungszustands nach dem Beschichtungsprozess in realen Bauteiloberflächen durch Messung von Eigenspannungstiefenprofilen, z. B. anhand der Bohrlochmethode oder der Röntgen-Diffraktion. Weiterhin existiert eine Vielzahl theoretischer und numerischer Untersuchungen zum Einfluss der Werkstoffeigenschaften sowie der Prozessparameter und der Substratvorbehandlung.
Die bisher entwickelten Systeme zum Ermitteln von Eigenspannungen erlauben keine zeit- und ortsaufgelöste Untersuchung während eines Herstellungsprozesses, z. B. eines Beschichtungsprozesses. Die auf Bohrung basierten Messverfahren sind zwar minimal invasiv, werden jedoch mit einem Hochgeschwindigkeitsfräser vorgenommen. Das ist zeitaufwendig und verlangt mechanischen Kontakt mit der Oberfläche des Objekts. Weiterhin müssen die erzeugten Bohrlöcher in der Regel später wieder aufwendig geschlossen werden. Ferner wird eine Kombination von experimentellen 3D-Verformungsdaten mit modellgestützten Simulationsrechnungen nicht vorgenommen, sondern es werden mit DMS nur 2D-Verformungen ermittelt und über simulierte Kalibrierfunktionen mit den auslösenden Eigenspannungen korreliert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zeitlich und räumlich hochaufgelöste Ermittlung von Eigenspannungen, insbesondere in den Oberflächen beschichteter Objekte, mittels kontaktlosem Messverfahren zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine In-Prozess-Erfassung (z. B. während eines Beschichtungsprozess) von Eigenspannungen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Eigenspannungen eines Objekts, insbesondere eines beschichteten Objekts und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Objekts mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Eigenspannungen eines Objekts, vorzugsweise eines beschichteten Objekts. Das Verfahren umfasst
Beaufschlagen einer Oberfläche des untersuchten Objekts mit Laserlicht und Erzeugen eines Lochs oder eines Musters von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt;
Ermitteln der Oberflächenverformungen nach dem Beaufschlagen des Objekts mit dem Laserlicht mittels eines optischen Verformungs-Messverfahrens;
Ermitteln der im Objekt vorliegenden Eigenspannungen aus den gemessenen Oberflächenverformungen,
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in einem Objekt, vorzugsweise in einem beschichteten Objekt. Die Vorrichtung umfasst:
ein Laserbelastungssystem mit zumindest einem Laser und einer optischen Abtastvorrichtung zum Beaufschlagen einer Oberfläche des Objekts mit Laserlicht und Erzeugen eines Lochs oder eines Musters von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt;
ein optisches Messsystem zum Ermitteln der Verformung der Oberfläche des Objekts mit dem erzeugten Muster.
Das Beaufschlagen des Objekts mit Laserlicht und das Erzeugen des Lochs oder des Musters erfolgt mittels einer optischen Abtastvorrichtung. Die optische Abtastvorrichtung umfasst eine optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung zur steuerbaren Ablenkung und/oder Modulation des Laserlichts (z. B. durch Reflexion, Refraktion und/oder Lichtbeugung) und/oder eine Fokussieranordnung zur steuerbaren Fokussierung des Laserlichts auf der Oberfläche des Objekts (d. h. eine Fokussieranordnung mit steuerbarem Fokus).
Ein dritter Aspekt betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Objekts. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Aufbringen einer Teilschicht auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Objekts;
Ermitteln der Eigenspannungen im teilbeschichteten Objekt nach dem Verfahren zum Ermitteln von Eigenspannungen gemäß einem Aspekt der Erfindung; und
Steuern zumindest eines der Parameter des Beschichtungsverfahrens anhand der ermittelten Eigenspannungen.
Ein vierter Aspekt betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten eines Objekts umfassend:
eine Beschichtungsanordnung zum Aufbringen einer Teilschicht auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Objekts;
eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen gemäß einem Aspekt der Erfindung; und
eine Steueranordnung zum Steuern zumindest eines der Parameter des Beschichtungsverfahrens anhand der ermittelten Eigenspannungen.
Die Parameter des Beschichtungsverfahrens, welche anhand der ermittelten Eigenspannungen gesteuert bzw. variiert werden können insbesondere umfassen:

– die Temperatur des Substrates bzw. das Erwärmen oder Kühlen des Substrates (normalerweise mittels einer Luftkühlung); und/oder
– die Auftragsrate und/oder Temperatur des Beschichtungsmaterials; und/oder
– die Bewegungsgeschwindigkeit des Beschichtungsarms (Kinematik); und/oder
– die Schichtdicke.

Das Beschichtungsverfahren kann ein thermisches, mechanisches, thermomechanisches bzw. thermokinetisches oder chemisches Verfahren sein, z. B. ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzenverfahren, ein Plasmaverfahren, etc.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die (z. B. beschichtete) Oberfläche des untersuchten Objekts mit Hilfe eines Lasers (z. B. eines Pulslasers) zu beaufschlagen. Dabei wird ein Teil der Oberschicht des Objekts (z. B. ein Teil der Beschichtung eines beschichteten Objekts) lokal entfernt und/oder erwärmt, um eine Verformung der Oberfläche durch Relaxation von Eigenspannungen zu erreichen. Die zwei- oder drei-dimensionalen Oberflächenverformungen werden mittels optischer Verformungs-Messverfahren gemessen. Die optischen Verformungs-Messverfahren bzw. das optische Messsystem zum Ermitteln von Oberflächenverformungen basieren z. B. auf der digitalen Holografie, der Speckle-Korrelations-Technik, der Speckle-Interferometrie, der Bild-Korrelations-Technik oder auf anderen bekannten optischen Messverfahren. Aus den optisch gemessenen Verformungen (z. B. mittels aufgenommener Hologramme, Shearogramme, Specklegramme, Bildern zur Bild-Korrelation, etc.) und gegebenenfalls weiteren Daten bezüglich der Oberfläche nach der Laserbeaufschlagung und/oder des Materials des Objekts und/oder der Objektbeschichtung können die in dem Objekt und insbesondere in der Beschichtung eines beschichteten Objekts vorliegenden Eigenspannungen numerisch bestimmt werden. Die Daten bezüglich der Oberfläche nach der Laserbeaufschlagung können insbesondere die Geometrie (Form und/oder Tiefe) des erzeugten Lochs und/oder der Position und/oder Topographie des erzeugten Musters, Form des Objekts oder der untersuchten Oberfläche umfassen. Zum Bestimmen der Eigenspannungen können z. B. Kontinuums-mechanische Berechnungen durchgeführt werden, wobei mittels Finite-Elemente-Modellen definierte Eigenspannungszustände vorgegeben werden. Die eingesetzten numerischen Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Der vom Laser erzeugte Lichtstrahl wird steuerbar abgelenkt, moduliert und/oder auf dem Objekt fokussiert, wobei die Steuerung vorzugsweise in Video-Echtzeit erfolgt. So ist es möglich, gezielt einen Teil der Oberflächenschicht des Objekts lokal zu entfernen und/oder zu erwärmen, auch im Fall, dass das zu untersuchende Objekt merklich uneben, also auch stark gekrümmt ist.
Die Nutzung eines Lasers zur Belastung des untersuchten Objekts bzw. der Beschichtung des Objekts in Kombination mit steuerbarer optischer Ablenkung, Modulation und/oder Fokussierung und mit optischen Oberflächenverformungs-Messverfahren erlaubt eine schnelle, präzise und kontaktlose Ermittlung von Eigenspannungen innerhalb von Beschichtungen und Schichtsystemen. Die zu untersuchenden Objekte können dabei dreidimensional geformt sein und eine komplexe Form aufweisen. So kann die Oberfläche des Objekts sowohl eine reguläre Oberfläche (z. B. eine Kugel-, Zylinder- oder Kegeloberfläche) oder eine Freiformfläche sein. Die Laserstrahlung kann ferner an schwer zugänglichen Stellen zum Bohren und/oder lokalen Erwärmen eingesetzt werden. Des Weiteren ist das Messverfahren minimal invasiv, da das Erzeugen von kleinsten Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen mit hoher Präzision und Lagegenauigkeit möglich ist. Ferner ist es möglich, die Laserleistung, die Geometrie der erzeugten Löcher und/oder erwärmten Stellen und/oder die Form bzw. Topographie des erzeugten Musters schnell und präzise zu ändern und an die untersuchten Objekte anzupassen. So können Eigenspannungen z. B. während eines Beschichtungsprozesses (in-line) und mit hoher Ortsauflösung ermittelt werden (Quasi-Echtzeit-Messverfahren). Das Verfahren und die Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen ermöglichen somit eine hohe Mess- und Auswertegeschwindigkeit, Zuverlässigkeit und hohe Skalierbarkeit sowie eine hohe Flexibilität.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen:

– frei wählbare flexible Anordnung komplexer Muster auf der Oberfläche des untersuchten Objekts;
– Echtzeit-fähige, feldweise Auswertung der Eigenspannungszustände ausgedehnter Oberflächen mit frei wählbarer anpassbarer Verteilung (örtlich hochaufgelöst) der Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen und Gestaltung der Lochgeometrie oder der Geometrie der lokal erwärmten Stelle;
– hohe Präzision der Anordnung und Ausprägung der erzeugten Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen; und
– adaptiv bezüglich Anordnung, Dichte, Geometrie und/oder Tiefe der einzelnen Löcher oder lokal erwärmten Stellen;
– hohe Sensitivität und Präzision.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontaktlosen und schnellen Ermitteln von Eigenspannungen mittels Laserbelastung können in einfacher Weise in einen Herstellungsprozess (z. B. in einen Beschichtungsprozess) integriert werden. insbesondere in einen Hochgeschwindigkeitsprozesses. Anhand der ermittelten Eigenspannungen können ein oder mehrere Parameter des Herstellungs- oder Beschichtungsprozesses gesteuert werden. Die Prozessparameter können auch lokal, anhand der, vorzugsweise parallel, ermittelten Eigenspannungen an unterschiedlichen räumlichen Positionen auf der Objektsoberfläche lokal, mit vergleichsweise hoher Ortsauflösung gesteuert werden. Dadurch kann z. B. die Qualität der Beschichtung eines Objekts erheblich verbessert werden. Da die Laserleistung und Strahlqualität sowie die Parameter des Abtastsystems mit hoher Genauigkeit und Präzision eingestellt und kontrolliert werden können, kann die Stabilität des Herstellungsprozesses (z. B. des Beschichtungsprozesses) gewährleistet werden.
Vorzugsweise werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontaktlosen und schnellen Ermitteln von Eigenspannungen mittels Laserbelastung in einen Beschichtungsprozess integriert, z. B. in einen Beschichtungsprozess mittels thermischen Spritzens. Durch die flexible In-Prozess-Messung der Eigenspannungen (parallel und in nahezu frei wählbarer Topologie und räumlicher sowie zeitlicher Auflösung) kann die Prozessregelung verbessert werden.
Insbesondere weist die Beschichtung von Werkstücken nahezu jedweder Art mit Verfahren des thermischen Spritzens einen intensiven Wärme- und Stoffübergang sowie einen intensiven Impulsaustausch auf, z. B. mit Hartstoffpartikeln bei der Vorbehandlung der Oberflächen. Durch die mechanische, thermische und chemische Wechselwirkung (hier vor allem latente Wärmeübergangsphänomene) kommt es in Abhängigkeit von den thermophysikalischen Stoffeigenschaften von Schicht und Substrat einerseits und von der Dynamik der o. g. Wärme und Stoffübergangsprozesse anderseits zur Ausbildung von prozessbedingten Eigenspannungen im Werkstück bzw. in dessen Randzone(n). Da diese Eigenspannungen ortsaufgelöst betrachtet und bewertet werden müssen, ist die Bahnführung der Brenner bzw. deren Trajektorien direkt für die Ausbildung der Eigenspannungen mitverantwortlich.
Traditionell konnten die Eigenspannungsverteilung und das räumliche Profil derselben nur durch größere Serien von mikroskopisch zerstörenden Prüfungen am erkalteten Bauteil, d. h. mit erheblichem Zeitversatz zur Genese der Eigenspannungen bestimmt werden. Die Trägheit des traditionellen Messverfahrens der Oberflächenspannungsrelaxation (taktil gemessen über hochsensible Dehnungsmessstreifen in Rosettenanordnung) kann zwar für viele Anwendungen zeitlich weniger kritisch sein, bedeutet aber eine vielfach minimalinvasive Zerstörung der fertigen Oberfläche.
Eine Vermessung der Eigenspannungen während eines Beschichtungsprozesses und eine Anpassung der Prozessparameter anhand der vermessenen Eigenspannungen sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontaktlosen und schnellen Ermitteln von Eigenspannungen mittels Laserbelastung ermöglichen eine schnelle, minimal invasive Vermessung von Eigenspannungen mit hoher örtlicher Auflösung während eines laufenden Beschichtungsverfahrens. Die ermittelten Eigenspannungen werden gezielt zur lokalen Steuerung der Prozessparameter mit vergleichsweise hoher örtlicher Auflösung eingesetzt. So kann z. B. die Temperaturführung durch simultane Kühlung oder Heizung, beides mit örtlich definiert aufgelösten Verfahren gesteuert werden. Ferner kann die Trajektorienplanung und Durchführung dem Wärmeverlauf direkt angepasst werden.
Vorzugsweise wird dabei eine Kompilierung bzw. eine Zusammenführung der Geometriedaten des Werkstücks aus CAD-Daten mit den Trajektorien beim Beschichtungsprozess durchgeführt.
Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt in der Echtzeit der Eigenspannungsermittlung während der fortlaufenden Beschichtung (Echtzeit/In-Prozess) durch berührungslose und zerstörungsfreie online Messung mit optischen Messverfahren. Das örtliche Auflösungsvermögen der optischen Messverfahren ist sehr hoch und frei wählbar. Die Topologie eines Flächeninkrements kann derart rasch bestimmt und ausgewertet werden, dass der Beschichtungsprozess unmittelbar variiert und nachgeführt werden kann. Dadurch kann ein verbessertes bzw. ein gezielt eingestelltes eigenspannungsabhängiges Beschichtungsergebnis erzielt werden. Der Beschichtungsprozess muss ferner nicht unterbrochen und nachjustiert werden. Es können direkte reale Bauteilgeometrien und Oberflächenmorphologien erzeugt werden.
Das Muster von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen kann punktweise sequentiell oder parallel erzeugt werden. Vorzugsweise wird das Muster nicht punktweise sequentiell (wie z. B. im mechanischen Fall) sondern parallel (simultan) erzeugt, z. B. mittels eines räumlichen Lichtmodulators. So kann simultan eine ganze Reihe, Matrix oder sogar auch mehrere Matrizen von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen, vorzugsweise mit adaptiver Verteilung und/oder definierter Lochgeometrie generiert werden.
Das durch Laserbestrahlung erzeugte Loch und die lokal erwärmte Stelle können verschiedene Geometrien (Form und/oder Tiefe) aufweisen, die lokal variabel sein können. So kann das Loch oder die lokal erwärmte Stelle kreisförmig, ellipsenförmig, strich-förmig oder eine andere komplexere Form haben. Vorzugsweise durchdringt das Loch und/oder die lokal erwärmte Stelle dabei nur die Oberfläche des untersuchten Objekts, z. B. nur ein Teil der Beschichtung eines beschichteten Objekts.
Die erzeugten Muster von Löchern oder lokal erwärmten Stellen können ebenfalls verschieden sein. So kann das Muster ein Kreis oder eine Mehrzahl von konzentrischen Kreisen, eine Spirale (z. B. archimedische), eine Rosette, eine Reihe oder eine Matrix, ein Schlitz oder Kreuz oder eine andere komplexere Form aufweisen. Die Verteilung der Löcher und/oder der lokal erwärmten Stellen innerhalb des Musters kann homogen oder inhomogen sein.
Die Muster können in Abhängigkeit von der Topographie der untersuchten Oberfläche und der erwarteten oder vermuteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten ausgewählt werden. Das Verfahren kann dementsprechend ein Anpassen bzw. Adaptieren der Geometrie der einzelnen Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen und/oder der Form bzw. der Topographie des erzeugten Musters (z. B. der Verteilung der Löcher und/oder der lokal erwärmten Stellen) an die Topographie der Oberfläche des untersuchten Objekts und/oder an die erwarteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten im untersuchten Objekt bzw. in der untersuchten Oberfläche umfassen. So können mittels der steuerbaren optischen Ablenk- und/oder Modulationsanordnung und/oder Fokussieranordnung unterschiedliche Muster mit unterschiedlichen Topographien und/oder Geometrien der Bohrlöcher oder lokal erwärmten Stellen auf die unterschiedlichen Objekte projiziert und angebracht bzw. eingeschrieben werden. Ebenfalls ist es möglich, das erzeugte Bohrloch oder Muster gezielt an einen vermuteten oder sehr wahrscheinlichen Ort hoher Eigenspannungen zu positionieren bzw. zu zentrieren. Dies ist in der Regel ein Ort großer lokaler Krümmung der Oberfläche. Durch den Verlauf des Herstellungsprozesses bzw. Beschichtungsprozesses können jedoch große Eigenspannungen an Orten auftreten, die nicht den Orten großer bzw. größter lokaler Krümmung der Oberfläche entsprechen. In diesem Fall kann das erzeugte Bohrloch oder Muster an solchen Orten erwarteter großer Eigenspannungen positioniert werden.
Beispielsweise kann das Muster eine Vielzahl von Linien (vorzugsweise zumindest drei Linien die z. B. in einem Gitter angeordnet sind) umfassen, die auf die Oberfläche des untersuchten Objekts eingeschrieben bzw. angebracht werden. Die Oberfläche kann eine Regelfläche sein oder eine Freiformfläche (auch in Kombinationen). Die Linien des Musters können zumindest näherungsweise senkrecht zur Richtung der größten lokalen Krümmung(en) der Oberfläche stehen.
Das Muster kann ferner Spiralen, z. B. archimedische Spiralen, oder konzentrische Kreise umfassen. Ein solches Muster ist insbesondere für die Ermittlung von Eigenspannungen in Objekten geeignet, deren Oberfläche durch eine Kugel approximiert werden kann. Vorzugsweise wird das Zentrum dieser Strukturen an einen vermuteten oder sehr wahrscheinlichen Ort hoher Eigenspannungen gesetzt. Das ist in der Regel ein Ort großer bzw. größter lokaler Krümmung(en) der Oberfläche.
Ist die Oberfläche des untersuchten Objekts eine Oberfläche, bei der ein Oberflächenelement durch einen Zylinder approximiert werden kann, kann als Muster ein Gitter beaufschlagt werden, bei welchem die Gitterlinien bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse angeordnet sind. Es ist hierbei von Vorteil, wenn die Ortsfrequenz des Gitters vergleichsweise hoch ist, vorzugsweise zumindest etwa 5 Linienpaare/mm, noch mehr bevorzugt zumindest etwa 10 Linienpaare/mm. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Tastverhältnis (Lücke-Gittersteg-Längen) gegen 1 geht. Bevorzugt wird die doppelte Lückenbreite, aber nicht die 10fache Lückenbreite in Relation zur Stegbreite.
Die Verteilung der einzelnen Löcher und/oder erwärmten Stellen innerhalb des Musters kann homogen oder inhomogen sein. So kann z. B. die Gitterkonstante bei einem Muster von Strichen bzw. Linien variieren. Die Verteilung der Löcher und/oder erwärmten Stellen an die Kanten einer Oberfläche kann zum Beispiel eine andere sein, als in der Fläche, die der Kante folgt bzw. orthogonal ist.
Durch die adaptive Geometrie und/oder Verteilung der einzelnen Löcher und/oder erwärmten Stellen (d. h. durch das adaptive Muster) ist es möglich, eine Messung auch an merklich unebenen und stark gekrümmten beschichteten Objekten zuverlässig und effizient durchzuführen. Ferner ist es möglich, die Belastung des untersuchten Objekts in-line, z. B. während eines Beschichtungs- oder Herstellungsprozesses zu ändern.
Eine vielfach-Anmessung bei der Verwendung eines Musters kann ferner die Ergebnisse sowohl der in-plane-Oberflächenverformungssmessungen als auch der out-of-plane-Oberflächenverformungsgsmessungen verbessern, da ein Mittelungseffekt auftritt. Es ergibt sich folglich eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch Parallelisierung.
Das Muster kann vorzugsweise holografisch durch einen, vorzugsweise in Video-Echtzeit, ansteuerbaren, räumlichen Lichtmodulator erzeugt werden. Der steuerbare Lichtmodulator kann z. B. ein elektrooptischer Lichtmodulator (wie z. B. Flüssigkristall-Lichtmodulator), ein akustooptischer Modulator (AOM) oder ein Digitales-Mikrospiegelsystem (DMD Lichtmodular, DMD = Digital Micro Mirror Device) sein. Alternativ oder zusätzlich können opto-mechanische Vorrichtungen, wie z. B. eine rotierende Keilplatte, Spiegel, Prismen, etc. zur Ablenkung des Laserlichts eingesetzt werden. Die optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung kann dementsprechend ein steuerbarer Lichtmodulator (beispielsweise ein Flüssigkristal-Lichtmodulator, ein DMD-Lichtmodulator oder akustooptischer Modulator) oder eine rotierende Keilplatte umfassen.
Die Fokussieranordnung kann eine Linse, ein Objektiv, ein Spiegel-Objektiv und/oder andere optische Elemente umfassen. Vorzugsweise weist die Fokussieranordnung eine rechnergesteuerte Fokussier-Funktion auf. Somit können die Tiefe und/oder die Form des erzeugten Lochs variiert werden und z. B. an die untersuchte Beschichtung und/oder Geometrie des Objekts angepasst werden.
Vorzugsweise erfolgt das Erzeugen des Lochs und/oder des Musters mit dem gleichen Laser, der zum Ermitteln der Oberflächenverformungen eingesetzt wird. Anders ausgedrückt dient ein Laser als Lichtquelle für das Laserbelastungssystem und für das optische Messsystem zum Ermitteln der Verformung der Oberfläche des Objekts. Die Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen kann somit einfacher, kompakter und kostengünstiger realisiert werden.
Das Verfahren kann ferner ein Erfassen mittels einer optischen 3D-Messanordnung von zwei- oder drei-dimensionalen Daten betreffend:
die Geometrie einzelner Löcher und/oder Musterelemente bzw. Strukturen; und/oder
die räumliche Position einzelner Löcher und/oder Musterelemente bzw. Strukturen auf der Oberfläche des Objekts; und/oder
die Topographie des Musters; und/oder
die Positionierung des Musters auf der Oberfläche des Objekts; und/oder
die Form des Objekts und/oder der Oberfläche des Objekts umfassen.
Die so gewonnenen 3D-Daten können zur Versorgung mit Eingangs-Daten für das Erstellen des Eigenspannungsmodells genutzt werden. Die optische 3D-Messanordnung kann z. B. ein konfokales Mikroskop, ein optisches System, basierend auf Streifenprojektion, auf digitaler Holographie, beispielsweise Letzteres basierend auf der Zwei-Wellenlängen-Methode, sein. Die optische 3D-Messanordnung kann Bestandteil der Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen sein.
Einsatzgebiete und Applikationen der erfinderischen Lösung des optischen Verfahren und der Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen, insbesondere an beschichteten Oberflächen umfassen:

– die Materialwissenschaften,
– die Produktions-Überwachung, z. B. in Beschichtungs-Anlagen,
– und sicherheitsrelevante Anwendungen, z. B. im Flugzeugbau.

Insbesondere eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in der Beschichtung von beschichteten Objekten. Die Beschichtung kann dabei eine Dicke von insbesondere 10 Mikrometer bis zu 500 Mikrometer aufweisen. Die Beschichtung kann eine oder mehrere Schichten umfassen.
Weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus einer detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen, welche zeigen:
1 eine beispielhafte Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in beschichteten Objekten;
2 beispielhafte Belastungsanordnungen;
3 eine weitere beispielhafte Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in beschichteten Objekten;
4 beispielhafte Muster auf einer beschichteten zylindrischen Fläche;
5 beispielhafte Muster auf einer beschichteten sphärischen Fläche;
6 beispielhafte Muster auf einer beschichteten Freiformfläche.
Unter den Begriffen Messstrahlung, Belastungsstrahlung und Licht wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung elektromagnetische Strahlung vom tiefen UV- über den VIS-, NIR-, MIR-, FIR- bis zum Terahertz-Bereich verstanden.
1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in beschichteten Objekten. Die Vorrichtung umfasst eine Anordnung zur Belastung eines beschichteten Objekts 5 (Detail A) und ein optisches Messsystem zur Messung von 3D-Verformungen bzw. 3D-Oberflächeverformungen, die durch die Belastung des beschichteten Objekts 5 erzeugt werden (Detail B).
Das Objekt kann ein beliebiges beschichtetes Objekt sein, einschließlich ein stark gekrümmtes Objekt. Nicht einschränkende Beispiele sind Beschichtungen für den Korrosionsschutz, Schutzschichten für die elektrische Isolation und/oder den thermischen Schutz. Die Beschichtung kann eine Dicke im Bereich von 10 Mikrometer bis 500 Mikrometer aufweisen. Die Anzahl und die Anordnung der Schichten in der Beschichtung können variieren.
Für die Belastung des beschichteten Objekts 5 können unterschiedliche Belastungsanordnungen (Laserbelastungssysteme) eingesetzt werden. Drei beispielhafte Belastungsanordnungen sind in den 2a, 2b und 2c dargestellt. 2.a zeigt eine beispielhafte Belastungsanordnung, welche einen einfachen Aufbau aufweist. Die Belastungsanordnung umfasst einen Pulslaser 1.1, welcher eine Folge von kurzen Laserpulsen 1.2 emittiert. Das kann sowohl im Pico- als auch im Mikro-Sekunden-Bereich erfolgen, hier im Ausführungsbeispiel mit Pulslängen im 10-Nanosekunden-Bereich. Die vom Pulslaser 1.1 emittierte Belastungsstrahlung wird durch eine Linse 1.3 auf das Objekt 5 mit einer Beschichtung 6 fokussiert. Der Farbfilter 3, dargestellt in 1, Detail A, lässt das Licht für die Belastung transmittieren. Die Leistung der Laserpulse 1.2 des Pulslasers 1.1 kann je nach untersuchten Objekt und/oder Beschichtung geeignet ausgewählt werden. Die Intensitätsdichte auf der Oberfläche 8 des Objekts 5 kann z. B. mindestens 10⁸ W/cm² betragen, so dass dabei Material aus der Oberfläche 8 des Objekts 5 entfernt wird und ein Loch 7 mit kreisförmiger Form 7.1 entsteht.
2.b zeigt eine beispielhafte Belastungsanordnung mit einer rotierenden Keilplatte 1.4. Die Keilplatte 1.4 ändert die Laserstrahlrichtung durch deren Rotation. Bei rotierender Keilplatte 1.4 gelangt eine Folge von Laserpulsen 1.2 auf diese Keilplatte 1.4. Dabei wird jeder Puls durch die Linse 1.3 auf eine andere Stelle der Oberfläche 8 des Objekts 5 fokussiert. Das erlaubt dort die Entfernung von Material längs einer feinen kreisringförmigen Linie 7.2.
2.c zeigt eine beispielhafte Belastungsanordnung, bei welcher der Lichtstrahl zuerst durch einen Spiegel 1.5 in Richtung eines räumlichen Lichtmodulators 1.6 reflektiert wird. In den räumlichen Lichtmodulator 1.6 werden 2D-Muster in Form von Hologrammen, also Lichtbeugende Gitter, eingeschrieben. Diese Hologramme können in weiten Grenzen gewählt werden, so dass der einfallende Lichtstrahl durch die Beugung ein gewünschtes Muster 7.3. mit einer nahezu beliebig programmierbaren Form, z. B. in Form eines Ringes, in Form eines „X”, in Form eines Kreuzes oder auch in Doppelkreuz-Form (”#”) und mit einer dabei in weiten Grenzen wählbaren Tiefe auf der Oberfläche 8 des Objekts 5 erzeugt. Bei hinreichend genügend hoher Laser-Leistung pro Objektoberflächenbereich kann auf der Oberfläche 8 des Objekts 5 auch Material an verschiedenen Stellen gleichzeitig abgetragen werden. Einerseits erlaubt die Linse 1.3 in 2.c die Fokussierung des gebeugten Laserstrahlenbündels auf die Oberfläche 8 des Objekts 5. Andererseits kann die Fokussierung jedoch auch durch den räumlichen Lichtmodulator 1.6 selbst erzeugt werden. In diesem Fall ist die Linse 1.3 nicht notwendig. Die Entfernung von Material von der Oberfläche 8 des Objekts 5 erzeugt eine 3D-Verformung der Oberfläche 8 in der unmittelbaren Umgebung des Loches 7.
1 stellt im Detail B ein beispielhaftes optisches Messsystem 2 zur Messung der Oberflächenverformung dar, das auf digitaler Holographie basiert. Ein Laser 2.1 emittiert ein Laserstrahlenbündel, welches durch den ersten Strahlteiler 2.2 in zwei Teilstrahlenbündel aufgeteilt wird. Ein Teilstrahlenbündel wird durch die Linse 2.3 in eine optische Monomode-Faser 2.4 eingekoppelt. Das Licht wird durch die Monomode-Faser 2.4 geführt und der Ausgang der Monomode-Faser 2.4 mündet in ein kleines Loch 2.5, sodass das Licht, welches hier das Referenzstrahlenbündel 2.6 für die holografische Messanordnung darstellt, auf einen CCD- oder einen CMOS Detektor 2.7 gelangt.
Das andere Teilstrahlenbündel vom ersten Strahlteiler 2.2 wird wieder in mindestens 3 Teil-Lichtstrahlenbündel durch den zweiten Strahlteiler 2.8 geteilt. In 1 sind vier Teil-Lichtstrahlenbündel 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 dargestellt. Diese Teil-Lichtstrahlenbündel 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 beleuchten die Oberfläche 8 des Objekts 5 aus mindestens drei unabhängigen Richtungen. Diese Beleuchtung kann gleichzeitig mit allen Teil-Lichtstrahlenbündel 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 erfolgen oder auch nacheinander. Das von der Oberfläche 8 des Objekts 5 gestreute Licht wird vom Farbfilter 3 in Richtung des Messsystems 1 reflektiert. Die Linse 2.9 bildet die Oberfläche 8 des Objekts 5 auf den Detektor 2.7 ab. Die Aperturblende 2.10 bestimmt die laterale Auflösung des Abbildungssystems. Das von der Oberfläche 8 des Objekts 5 gestreute Licht interferiert mit dem Referenzstrahlenbündel 2.6. Das Interferenzmuster wird vom Detektor (2.7) aufgezeichnet und stellt danach ein digitales Hologramm dar. Es werden vor der Belastung des Objekts 5 mehrere Hologramme bei verschiedenen Beleuchtungen aus mindestens drei unabhängigen Richtungen registriert. Nach der Belastung werden weitere Hologramme bei unterschiedlichen Beleuchtungen registriert. Nach Auswertung der Hologramme wird die 3D-Verformung zwischen dem unbelasteten und dem belasteten Zustand ermittelt. Dieser Prozess kann wiederholt werden, so dass verschiedene Belastungszustände erzeugt werden und so die 3D Verformung als Funktion der Belastung ermittelt wird.
Die Geometrie (Tiefe, Form) des durch die Laserbelastung entstehenden Lochs und/oder die Topographie des entstehenden Musters wird durch eine Messanordnung für die 3D-Form 9 gemessen. Diese Messanordnung 9 kann z. B. ein konfokales Mikroskop oder ein System, basierend auf Streifenprojektion oder auf digitaler Holographie, Letzteres beispielsweise basierend auf der Zwei-Wellenlängen-Methode, sein.
Die 3D-Verformung in Verbindung mit der Messung der Geometrie (Tiefe, Form) der Löcher und/oder der Topographie oder Tiefenprofilierung des Musters, welche durch die Laserbelastung entstehen, und Materialparameter des Objektes 5 und der Beschichtung 6 werden ausgewertet und die in der Beschichtung vorhandenen Eigenspannungen wird ermittelt, z. B. mit Hilfe einer Finite-Elemente-Methode. Weitere Verfahren zum Ermitteln der Eigenspannungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
3 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in beschichteten Objekten, bei welcher ein Pulslaser mit 2 Wellenlängen (10), λ₁ und λ₂ sowohl zur Belastung des Objekts als auch zur optischen Messung verwendet wird. Der Farbteiler 2 reflektiert den Strahl mit der Wellenlänge λ₂ und transmittiert den Strahl mit der Wellenlängen λ₁. Der Strahl mit der Wellenlänge λ₁ wird für das Laserbelastungssystem 13 verwendet. Der Strahl mit der Wellenlänge λ₂ wird für das optische Messsystem 14 verwendet.
4 zeigt eine beschichtete zylindrische Fläche 15, auf welcher Strichmuster (radial 16, axial 17), Kreuz-Muster 18 oder/und ellipsen-förmige oder ringförmige Muster 19 für die lokale Entfernung von Material eingeschrieben werden. 5 zeigt eine beschichtete sphärische Fläche 20 auf der Spiralen 21, Doppel- oder multi-Spiralen 22 für die lokale Entfernung von Material eingeschrieben werden. 6 zeigt eine beschichtete Freiformfläche 30 auf der angepasste Strichmustern für die lokale Entfernung von Material eingeschrieben werden.

Die beispielhaften Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen können, wie oben beschrieben, z. B. in einen Beschichtungsprozess integriert werden. Anhand der ermittelten Eigenspannungen können in-line (d. h. während des Beschichtungsprozesses) die Parameter des Beschichtungsprozesses (wie z. B. Kühlen oder Erwärmen des Substrats, Auftragsrate und Temperatur der Beschichtung, Schichtdicke, Kinematik, etc.) gesteuert werden. So ist es möglich, Beschichtungen mit hoher Qualität und geringen Eigenspannungen schnell und effizient zu erzeugen. Bezugszeichenliste

Bezugszeichen	Bezeichnung
1	Laserbelastungssystem (Belastungsanordnung)
1.1	Pulslaser
1.2	Laserpulse
1.3	Linse
1.4	rotierende Keilplatte
1.5	Spiegel
1.6	räumlicher Lichtmodulator (SLM)
2	Optisches Messsystem zum Ermitteln der Oberflächenverformungen (z. B. auf Basis der digitalen Holographie)
2.1	Laser
2.2	erster Strahlteiler
2.3	Linse für Lichteinkopplung in eine Faser
2.4	optische Monomode-Faser
2.5	kleines Loch für Faser
2.6	Referenzstrahlenbündel
2.7	Detektor (CCD oder CMOS)
2.8	zweiter Strahlteiler
2.9	Abbildungslinse
2.10	Aperturblende
3	Farbteiler
4.1 bis 4.4	Teil-Lichtstrahlenbündel für die Objektbeleuchtung zur Verformungsmessung
5	beschichtetes Objekt
6	Beschichtung
7	lasergebohrtes Loch auf dem beschichteten Objekt
7.1	lasergebohrtes kreisförmige Loch auf dem beschichteten Objekt
7.2	lasergebohrter Ring auf dem beschichteten Objekt
7.3	lasergebohrte Muster auf dem beschichteten Objekt
8	Oberfläche des Objekts 5 bzw. 3D-Verformung der Oberfläche des Objekts 5
9	Optische 3D-Messanordnung zur 3D Messung bzw. Erfassung der Oberfläche des Objekts
10	Pulslaser mit zwei Wellenlängen, λ₁ und λ₂
11	Farbteiler
12	Spiegel
13	Optik für Laserbelastungssystem (ohne Laser) (als Teil der Abtastvorrichtung)
14	Messsystem für digitale Holographie (ohne Laser)
15	zylindrische Oberfläche
16	Strich-Muster (radial)
17	Strich-Muster (axial)
18	Kreuz-Muster
19	Ringförmiges-Muster
16.a	Multi-Strich-Muster (radial)
17.a	Multi-Strich-Muster (axial)
18.a	Multi-Kreuz-Muster
19.a	Vielfach-Ellipsen-Muster, bzw. Vielfach-Ring-Muster,
20	Sphärische Oberfläche
21	Spirale auf sphärischer Oberfläche
21.a	Doppel-Spirale auf sphärischer Oberfläche
30	Freiform-Oberfläche
31	Angepasste Muster (adaptierte)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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JP 2004-170210 A [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Verfahren zum Ermitteln von Eigenspannungen eines Objekts (5), vorzugsweise eines beschichteten Objekts (5), umfassend Beaufschlagen einer Oberfläche (8) des Objekts (5) mit Laserlicht und Erzeugen eines Lochs (7; 7.1) oder eines Musters (7.2; 7.3; 16–21; 31) von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt (5); Ermitteln der Oberflächenverformungen nach dem Beaufschlagen des Objekts (5) mit dem Laserlicht mittels eines optischen Verformungs-Messverfahrens; Ermitteln der im Objekt (5) vorliegenden Eigenspannungen aus den gemessenen Oberflächenverformungen, wobei das Erzeugen des Lochs (7; 7.1) oder Musters (7.2; 7.3; 16–21; 31) mittels einer optischen Abtastvorrichtung erfolgt, welche eine optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung zur steuerbaren Ablenkung und/oder Modulation des Laserlichts; und/oder eine Fokussieranordnung zur steuerbaren Fokussierung des Laserlichts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Muster (7.2; 7.3; 16–21; 31) von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen punktweise sequentiell öder parallel erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ferner Anpassen der Geometrie der einzelnen Löcher (7; 7.1) und/oder lokal erwärmten Stellen und/oder der Form des erzeugten Musters (7.2; 7.3; 16–21; 31) an die Topographie der Oberfläche des Objekts (5) und/oder an die erwarteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten in dem Objekt (5).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Muster eine Vielzahl von Linien (16.a; 17.a; 31) aufweist, welche zumindest näherungsweise senkrecht zur Richtung der größten lokalen Krümmung(en) der Oberfläche des Objekts (5) stehen; zumindest eine Spirale (21; 21a), einen Kreis oder eine Mehrzahl von konzentrischen Kreisen aufweist, wobei das Zentrum der Spirale (21; 21a), des Kreises oder der konzentrischen Kreise am Ort der größten lokalen Krümmung(en) der Oberfläche des Objekts (5) positioniert ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Muster eine Linie (16; 17), ein Liniengitter (16.a; 17.a; 31), eine Matrix, eine Rosette, einen Schlitz oder ein Kreuz (18.a) aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Muster (7.2; 7.3; 16–21; 31) durch einen, vorzugsweise in Video-Echtzeit, ansteuerbaren, räumlichen Lichtmodulator (1.6) erzeugt wird; und/oder das Erzeugen des Musters (7.2; 7.3; 16–21; 31) mit dem gleichen Laser (10) erfolgt, der zum Ermitteln der Oberflächenverformungen eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche umfassend ferner Erfassen mittels einer optischen Messanordnung von zwei- oder drei-dimensionalen Daten betreffend die Geometrie einzelner Löcher und/oder Musterelemente; und/oder die räumliche Position einzelner Löcher und/oder Musterelemente auf der Oberfläche des Objekts (5); und/oder die Topographie des Musters (7.2; 7.3; 16–21; 31); und/oder die Positionierung des Musters (7.2; 7.3; 16–21; 31) auf der Oberfläche des Objekts; und/oder die Form des Objekts und/oder der Oberfläche des Objekts.
Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen eines Objekts, vorzugsweise eines beschichteten Objekts (5), umfassend ein Laserbelastungssystem (1; 13) mit zumindest einem Laser (1.1; 10) und einer optischen Abtastvorrichtung zum Beaufschlagen einer Oberfläche (8) des Objekts (5) mit dem Laserlicht und Erzeugen im Objekt (5) eines Lochs (7; 7.1) oder eines Musters (7.2; 7.3; 16–21; 31) von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen; ein optisches Messsystem (2; 14) zum Ermitteln der Verformung der Oberfläche (8) des Objekts (5) mit dem erzeugten Muster (7.2; 7.3; 16–21; 31), wobei die optische Abtastvorrichtung eine optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung zur steuerbaren Ablenkung und/oder Modulation des Laserlichts (z. B. durch Reflexion, Refraktion und/oder Lichtbeugung); und/oder eine Fokussieranordnung zur steuerbaren Fokussierung des Laserlichts umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die optische Abtastvorrichtung ausgelegt und eingerichtet ist, ein Muster (7.2; 7.3; 16–21; 31) sequentiell oder parallel zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die optische Abtastvorrichtung ausgelegt und eingerichtet ist, die Geometrie der einzelnen Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen und/oder der Form des erzeugten Musters (7.2; 7.3; 16–21; 31) an die Topographie der Oberfläche des Objekts (5) und/oder an die erwarteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten im Objekt (5) zu variieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die optische Abtastvorrichtung ausgelegt und eingerichtet ist, ein Muster mit einer Vielzahl von Linien (16.a; 17.a; 31) zu erzeugen, wobei die Linien zumindest näherungsweise senkrecht zur Richtung der größten lokalen Krümmung(en) der Oberfläche des Objekts (5) stehen; und/oder ein Muster zu erzeugen, welches zumindest eine Spirale (21; 21a), einen Kreis oder eine Mehrzahl von konzentrischen Kreise aufweist, wobei das Zentrum der Spirale (21; 21a), des Kreises oder der konzentrischen Kreise am Ort der größten lokalen Krümmungen des Objekts (5) positioniert ist; und/oder ein Muster zu erzeugen, welches eine Linie (16; 17), ein Liniengitter (16.a; 17.a; 31), eine Rosette, eine Matrix, einen Schlitz oder ein Kreuz (18.a) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 umfassend ferner eine optische 3D-Messanorndung (9) zum Erfassen von drei-dimensionalen Daten betreffend die Geometrie einzelner Löcher (7; 7.1) oder Musterelemente; und/oder die räumliche Position einzelner Löcher (7; 7.1) und/oder Musterelemente; und/oder die Topographie des Musters (7.2; 7.3; 16–21; 31); und/oder die Positionierung des Musters (7.2; 7.3; 16–21; 31) auf der Oberfläche des Objekts (5); und/oder die Form des Objekts und/oder der Oberfläche des Objekts (5).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung ein steuerbarer Lichtmodulator, beispielsweise ein Flüssigkrista I-Lichtmodulator, ein DMD-Lichtmodulator oder akustooptischer Modulator; oder eine rotierende Keilplatte umfasst.
Verfahren zum Beschichten eines Objekts (5) umfassend: Aufbringen einer Teilschicht auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Objekts (5); Ermitteln der Eigenspannungen im teilbeschichteten Objekt (5) nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8; und Steuern zumindest eines der Parameter des Beschichtungsverfahren anhand der ermittelten Eigenspannungen, wobei die Parameter des Beschichtungsverfahrens: – die Temperatur des Substrates; – die Auftragsrate und/oder Temperatur des Beschichtungsmaterials; – die Bewegungsgeschwindigkeit des Beschichtungsarms; und – die Schichtdicke umfassen.
Vorrichtung zum Beschichten eines Objekts (5) umfassend eine Beschichtungsanordnung zum Aufbringen einer Teilschicht auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Objekts (5); eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in einem Objekt (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 13; und eine Steueranordnung zum Steuern zumindest eines der Parameter des Beschichtungsverfahren anhand von gemessenen Eigenspannungen, wobei die Parameter des Beschichtungsverfahrens: – die Temperatur des Substrates; – die Auftragsrate und/oder Temperatur des Beschichtungsmaterials; – die Bewegungsgeschwindigkeit des Beschichtungsarms; und – die Schichtdicke umfassen.