DE102016117881A1

DE102016117881A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht eines Sandwichblechs

Info

Publication number: DE102016117881A1
Application number: DE102016117881.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Bendick; Stefan Krebs; Ingo Rogner
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2018-03-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht eines Sandwichblechs, welches zwei metallische Deckbleche aufweist, zwischen denen die Kernschicht angeordnet ist, wobei die metallischen Deckbleche derart elektrisch kontaktiert werden, dass kein Druck auf die Kernschicht ausgeübt wird, und wobei die Kapazität des Sandwichblechs ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht eines Sandwichblechs, welches zwei metallische Deckbleche aufweist, zwischen denen die Kernschicht angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sandwichblechs. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht eines Sandwichblechs, welches zwei metallische Deckbleche aufweist, zwischen denen die Kernschicht angeordnet ist.
Derartige Sandwichbleche sind beispielsweise aus der DE 10 2012 106 206 A1 bekannt und weisen zwei metallische Deckbleche auf, welche mit einer zwischen den Deckblechen angeordneten Kernschicht stoffschlüssig verbunden sein können. Solche Sandwichbleche finden aufgrund ihres geringen Gewichts bei guter Biegesteifigkeit Anwendung im Automobilbau, insbesondere bei der Herstellung von Karosserieteilen.
Die Deckbleche und die Kernschicht weisen oftmals im Querprofil Dickenschwankungen auf, z.B. kann eine Verdickung zur Mitte hin vorliegen (Bombierung). Zum Verbinden der Deckbleche mit der Kernschicht werden diese unter erhöhter Temperatur gepresst. Durch den Pressprozess kann es zu Verformungen der Kernschicht kommen, beispielsweise zu einer Änderung der Dicke der Kernschicht. Zur Beurteilung der Qualität des Sandwichblechs ist es allerdings erforderlich, die Dicke der Kernschicht zu kennen. Grundsätzlich besteht daher das Bedürfnis, die Dicke der Kernschicht des fertigen Sandwichblechs ermitteln zu können.
Im Stand der Technik sind Verfahren zur zerstörungsfreien Dickenmessung von mehrschichtigen Strukturen bekannt. Beispielsweise offenbart die EP 2 485 042 A1 ein Verfahren zur Messung der Dicke einer Schicht einer Mehrschichtstruktur, bei welchem die elektrische Impedanz, d.h. der Wechselstromwiderstand, der Mehrschichtstruktur ermittelt wird, um Rückschlüsse auf die Dicke der zu messenden Schicht zu ziehen. Bei dem bekannten Verfahren werden flächige Elektroden mit einer vorgegebenen Kontaktfläche auf gegenüberliegende Seiten der Mehrschichtstruktur gepresst. Um reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten, erfolgt das Aufpressen der Elektroden mit einem vorgegebenen Anpressdruck. Hierdurch kann verhindert werden, dass während der Messung ein Luftspalt zwischen der jeweiligen Elektrode und der Mehrschichtstruktur besteht, welcher das Messergebnis verfälschen könnte. Dieses Vorgehen hat zur Folge, dass nicht unerhebliche Druckkräfte auf die zu messende Schicht ausgeübt werden. Das Verfahren ist daher nicht zur Messung der Dicke solcher Schichten geeignet, welche kompressibel sind.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zerstörungsfreie Bestimmung der Dicke einer kompressiblen Schicht in einem Sandwichblech zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht eines Sandwichblechs, welches zwei metallische Deckbleche aufweist, zwischen denen die Kernschicht angeordnet ist, wobei die metallischen Deckbleche derart elektrisch kontaktiert werden, dass kein Druck auf die Kernschicht ausgeübt wird und wobei die Kapazität des Sandwichblechs ermittelt wird.
Zur Lösung wird ferner eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht eines Sandwichblechs vorgeschlagen, welches zwei metallische Deckbleche aufweist, zwischen denen die Kernschicht angeordnet ist, wobei die Vorrichtung Kontaktelemente aufweist, über welche die metallischen Deckbleche derart elektrisch kontaktierbar sind, dass kein Druck auf die Kernschicht ausgeübt wird, und dass die Kapazität des Sandwichblechs ermittelbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die metallischen Deckbleche des Sandwichblechs als Elektroden verwendet und die Kapazität des Sandwichblechs gemessen. Es ist daher nicht erforderlich, separate bzw. zusätzliche Elektroden vorzusehen, welche mit den Oberflächen des Sandwichblechs kontaktiert werden müssten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher messelektrodenlos ausgestaltet sein. Bei dem Sandwichblech werden die metallischen Deckbleche, welche elektrisch leitfähig sind, elektrisch kontaktiert, so dass ein Aufpressen von zusätzlichen Elektroden von außen auf das Sandwichblech nicht erforderlich ist. Die Kontaktierung der als Elektroden verwendeten Deckbleche erfolgt derart, dass kein Druck auf die Kernschicht ausgeübt wird, so dass unerwünschte Verformungen der Kernschicht vermieden werden können. Die Messung kann insofern anpressdrucklos erfolgen. Es ist daher möglich, die Dicke solcher Kernschichten von Sandwichblechen zu ermitteln, welche kompressibel sind.
Das Sandwichblech weist einen schichtweisen Aufbau mit einer Kernschicht und zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Kernschicht angeordneten Deckschichten auf. Die Deckschichten grenzen bevorzugt an die Kernschicht an. Besonders bevorzugt sind die Deckschichten stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Kernschicht verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung der Deckschichten mit der Kernschicht kann durch ein in der Kernschicht enthaltenes Bindemittel gefördert werden. Alternativ kann eine Haftvermittlerschicht oder ein Lot zwischen der Kernschicht und den Deckblechen vorgesehen sein. Bei der Verwendung eines Lotes ist darauf zu achten, dass dieses blei- und cadmiumarm ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur elektrischen Kontaktierung ein Kontaktelement in lose Anlage mit einer Oberfläche eines Deckblechs gebracht wird. Hierdurch kann eine ausreichende elektrische Kontaktierung der Deckbleche des Sandwichblechs erfolgen, ohne dass unerwünschte Druckkräfte auf die Kernschicht ausgeübt werden. Zudem besteht eine gewisse Beweglichkeit des Sandwichblechs gegenüber dem Kontaktelement, so dass eine Messung der Dicke der Kernschicht erfolgen kann, während das Sandwichblech gegenüber dem Kontaktelement bewegt wird. Das Kontaktelement kann eine Oberfläche aufweisen, welche kleiner ist als eine Grenzfläche zwischen dem Deckblech und der Kernschicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung gleitet zur elektrischen Kontaktierung ein als Schleifkontakt ausgebildetes Kontaktelement über eine Oberfläche eines Deckblechs, so dass eine Dickenmessung auch bei einer Relativbewegung des Sandwichblechs gegenüber dem Kontaktelement erfolgen kann. Mit einem derartigen Kontaktelement ist es möglich, eine Dickenmessung in einen Herstellungsprozess eines Sandwichblechs zu integrieren, z. B. derart, dass die Dickenmessung erfolgt, während das Sandwichblech aus einer Schneidvorrichtung heraus gefördert wird. Alternativ kann der Schleifkontakt gegenüber dem Sandwichblech bewegt werden. Eine weitere Möglichkeit der Kontaktierung besteht in einer simultanen Bewegung von Sandwichblech und Kontaktelement.
Bevorzugt ist es, wenn zur elektrischen Kontaktierung ein als Rolle ausgebildetes Kontaktelement an einer Oberfläche eines Deckblechs abrollt. Durch das Abrollen einer Rolle an der Oberfläche des Deckblechs kann gleichfalls eine Messung der Dicke der Kernschicht erfolgen, während sich das Sandwichblech gegenüber dem Kontaktelement bewegt. Die Dickenmessung kann in den Herstellungsprozess eines Sandwichblechs integriert werden, z. B. derart, dass die Dickenmessung erfolgt, während das Sandwichblech aus einer Schneidvorrichtung heraus gefördert wird. Alternativ kann die Rolle gegenüber dem Sandwichblech bewegt werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Kontaktelement bevorzugt als Rolle ausgebildet, welche an einer Oberfläche eines Deckblechs abrollbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können aus einem laufenden Band oder aus Bandabschnitten definierte Sandwich-Probenstücke ausgestanzt werden. Diese können z.B. über die Breite des Bands versetzt entnommen werden und in einer externen Vorrichtung kontaktiert werden, um die Kernschichtdicke oder deren Veränderung in speziellen Bereichen separat bestimmen zu können.
Zur elektrischen Kontaktierung eines Deckblechs kann alternativ oder zusätzlich ein als Klemme ausgebildetes Kontaktelement an ein Deckblech geklemmt werden. Die Verwendung einer Klemme ist insbesondere dann von Vorteil, wenn an dem Deckblech eine Klemmkontaktstelle vorgesehen ist, die es erlaubt, die Klemme mit dem Deckblech zu verbinden, ohne dass durch die Klemme oder den Anbindungsvorgang Druck auf die Kernschicht ausgeübt wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Kontaktelement bevorzugt als Klemme ausgebildet, welche an ein Deckblech klemmbar ist.
Bevorzugt ist die Kernschicht des Sandwichblechs eine organische Kernschicht. Die Kernschicht kann zudem kompressibel sein, da eine unerwünschte Druckeinwirkung auf das Kernmaterial während der Messung nicht erfolgt. Es ist beispielsweise möglich, dass die Kernschicht ein Polymer aufweist. Die Kernschicht kann einen faserhaltigen Träger und eine die Fasern des Trägers umgebende Polymer-Matrix umfassen. Besonders bevorzugt ist die Kernschicht vor der Verbundherstellung als eigenständige Lage aufwickelbar gestaltet, zum Beispiel in Form einer Folie.
Die Deckschichten des Sandwichblechs können als Platten eines Plattenkondensators aufgefasst werden, für dessen Kapazität gilt: C = ε·ε₀· A / d (Gleichung 1) mit

C: = Kapazität des Kondensators
A: = Fläche des kontaktierten Sandwichblechs in [m²]
ε₀: = Permittivität des Vakuums (elektrische Feldkonstante) = 8,854·10^–12 A s/(V m)
ε: = Permittivität der Kernschicht
d: = Dicke der Kernschicht in [m]

Sofern die Permittivität der Kernschicht bekannt ist, kann die quantitative Bestimmung der Kernschichtdicke über die Ermittlung der Kapazität oder der Impedanz Z des Sandwichblechs anhand der nachfolgend wiedergegebenen Gleichungen 2 und 4 erfolgen. d = ε·ε₀· A / C (Gleichung 2) –lg C / A = –lg(ε·ε₀) + lg(d) = lg(Z·A) (Gleichung 3) lg(d) = lg(Z·A) + lg(ε·ε₀) (Gleichung 4)
Somit ist das Verfahren grundsätzlich auch dazu geeignet, Unterschiede oder Änderungen in der Permittivität der Kernschicht zu detektieren. Diese können z.B. aus Lufteinschlüssen, Feuchtigkeitseinschlüssen oder Fremdkörpern resultieren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zur Ermittlung der Kapazität ein Anregungssignal in Form einer Wechselspannung zwischen den Deckblechen angelegt wird, und dass ein Antwortsignal, insbesondere ein Wechselstrom zwischen den Deckblechen, gemessen wird. Hierbei handelt es sich um eine so genannte Impedanzmessung.
Alternativ kann zur Ermittlung der Kapazität ein Anregungssignal in Form eines Wechselstroms zwischen den Deckblechen eingeprägt werden, wobei ein Antwortsignal, insbesondere eine Wechselspannung zwischen den Deckblechen, gemessen wird.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Anregungssignal eine vorgegebene Frequenz im Bereich zwischen 1 mHz und 1000 kHz, bevorzugt im Bereich zwischen 100 mHz und 100 kHz, aufweist. Die Wahl einer vorgegebenen Frequenz ist zur Ermittlung der Impedanz ausreichend. Es ist nicht erforderlich, mehrere Messungen mit Anregungssignalen verschiedener Frequenzen durchzuführen. Innerhalb der zuvor genannten Bereiche kann die vorgegebene Frequenz möglichst hoch gewählt werden, wenn es gewünscht ist, eine möglichst rasche Abfolge von Messwerten zu ermitteln, oder möglichst viele Messwerte ermittelt werden sollen.
Wird eine Wechselspannung als Anregungssignal verwendet, ist es bevorzugt, wenn diese eine Amplitude im Bereich zwischen 1 mV und 1000 mV, bevorzugt im Bereich zwischen 10 mV und 200 mV, aufweist, wodurch ein Antwortsignal mit einem ausreichenden Signal-Rausch-Verhältnis erhalten werden kann.
Die Impedanz Z der Kernschicht kann über die Beziehung Z(ω) = U(ω) / I(ω) (Gleichung 5)
ermittelt werden, wobei Z(ω) die frequenzabhängige Impedanz, U(ω) die frequenzabhängige Wechselspannung, I(ω) der frequenzabhängige Wechselstrom und ω die Kreisfrequenz ist.
Bevorzugt wird die ermittelte Impedanz zur Ermittlung der Dicke der Kernschicht mit einem Referenz-Impedanzverlauf verglichen. Der Referenz-Impedanzverlauf kann im Rahmen von Kalibrationsmessungen von Kernschichten mit verschiedenen bekannten Dicken ermittelt werden (Kalibrationsmessungen).
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wird die Dicke der Kernschicht anhand der ermittelten Impedanz oder Kapazität und anhand der relativen Permittivität der Kernschicht berechnet (Gleichung 2 bzw. 4). Hierbei kann auf eine Kalibrationsmessung bzw. Referenzmessung verzichtet werden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wird zur Ermittlung der Kernschichtdicke die Kapazität mittels einer Entlade- bzw. Aufladekurve der Deckbleche gemessen. Die Bestimmung der Kapazität kann alternativ zur Impedanzmessung durch die Messung von Auf- bzw. Entladekurven des Sandwichblechs als Kondensator erfolgen. Im Beispiel der Entladekurve des Kondensators kann diese beschrieben werden durch
mit

U(t): = Spannung zwischen den Kondensatorplatten
t: = Zeit
U₀: = Spannung zum Zeitpunkt t = 0 (Beginn der Entladekurve)
R: = elektrischer Widerstand
C: = Kapazität des Kondensators (siehe Gleichung 1)

Zur Bestimmung der Kapazität werden zwei Messwertepaare (Spannung und Zeit) zu zwei verschiedenen Zeitpunkten des Kurvenlaufs ermittelt:
Analoges gilt für den Fall einer Aufladekurve:
Bevorzugt wird die ermittelte Kapazität zur Ermittlung der Dicke der Kernschicht mit einer Referenz-Kapazität verglichen. Die Referenz-Kapazität kann im Rahmen von Kalibrationsmessungen von Kernschichten mit verschiedenen bekannten Dicken ermittelt werden (Kalibrationsmessungen).
Für die Kalibrationsmessungen können Sandwichbleche mit Kernschichten verschiedener bekannter Dicken oder separate Kernschichten verschiedener bekannter Dicken verwendet werden. Bei Letzteren muss gewährleistet werden, dass eine potenzielle Aufnahme von Luftfeuchtigkeit bei der Kalibrationsmessung berücksichtigt wird. Die Referenzmessung kann als Kurve oder Tabelle vorliegen. Bevorzugt ist die Referenzmessung in einer Speichereinrichtung der Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke der Kernschicht abgelegt. Die Vorrichtung kann ferner eine Auswerteeinheit aufweisen, welche derart ausgebildet ist, dass sie die Referenzmessung ausliest und die ermittelte Kapazität mit der Referenzmessung vergleicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Phasenverschiebung eines Antwortsignals zu einem Anregungssignal ermittelt wird. Bevorzugt wird durch einen Vergleich der Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal mit einem Sollwert bzw. Sollwertbereich eine Abweichung erkannt, insbesondere wobei im Falle einer Abweichung der zugehörige ermittelte Messwert der Amplitude verworfen wird, da es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um einen auf unzureichende Kontaktierung zurückzuführenden Messfehler handelt, und insbesondere eine Fehlermeldung an den Operator ausgegeben wird Über die ermittelte Phasenverschiebung ist es möglich, fehlerbehaftete Impedanzmesswerte, welche bei einer fehlerhaften oder fehlenden Kontaktierung ermittelt wurden, zu erkennen. Diese fehlerbehafteten Impedanzmesswerte können bei der weiteren Bestimmung der Dicke unberücksichtigt bleiben, indem nur solche Impedanzmesswerte ausgewählt werden, welche plausibel sind. Die Auswahl erfolgt bevorzugt derart, dass nur solche Impedanzmesswerte ausgewählt werden, bei welchen eine Phasenverschiebung des Antwortsignals zu dem Anregungssignal in einem Sollwertbereich von –80° bis –100°, bevorzugt in einem Sollwertbereich von –85° bis –95°, besonders bevorzugt bei einem Sollwert von –90°, vorliegt. Das Sandwichblech zeigt bei fehlerloser Messung ein rein kapazitives Verhalten, bei welchem eine Phasenverschiebung von –90° erwartet wird. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass die Phasenverschiebung eines Antwortsignals zu einem Anregungssignal ermittelt wird. Bevorzugt ist die Auswerteeinheit zusätzlich derart ausgebildet, dass die ermittelte Phasenverschiebung mit einem vorgegebenen Sollwert oder einem vorgegebenen Sollwertbereich verglichen wird und ein Impedanzmesswert ausgewählt wird, wenn die ermittelte Phasenverschiebung dem vorgegebenen Sollwert entspricht oder in dem vorgegebenen Sollwertbereich liegt.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichblechs, wobei zwei bandförmige, metallische Deckbleche mit einer bandförmigen, zwischen den Deckblechen angeordneten Kernschicht stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden, um ein Sandwichband zu bilden, wobei das Sandwichband abgelängt wird, um einzelne Sandwichbleche mit einer vorgegebenen Fläche zu erhalten, und wobei die Dicke der Kernschicht der Sandwichbleche mit einem vorstehend beschriebenen Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht eines Sandwichblechs bestimmt wird.
Da die metallischen Deckbleche des Sandwichblechs als Elektroden verwendet werden, zwischen denen die Kapazität gemessen wird, ist es nicht erforderlich, separate Elektroden vorzusehen, welche mit den Oberflächen des Sandwichblechs kontaktiert werden müssten. Ein Aufpressen von zusätzlichen Elektroden von außen auf das Sandwichblech ist nicht erforderlich, weshalb unerwünschte Verformungen der Kernschicht nicht zu befürchten sind. Es ist daher möglich, die Dicke solcher Kernschichten von Sandwichblechen zu ermitteln, welche kompressibel sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird die Dicke der Kernschicht beim Verbinden mit den Deckblechen verändert. Die Veränderung der Dicke der Kernschicht kann beispielsweise durch Pressen und/oder Erwärmen erfolgen. Durch die dem Verbinden der Deckbleche mit der Kernschicht nachfolgende Dickenbestimmung der Kernschicht wird es möglich, Dickenmesswerte zu erhalten, die eine Änderung von Fertigungsparametern beim Verbinden der Deckbleche mit der Kernschicht ermöglichen. Besonders bevorzugt erfolgt die Veränderung der Dicke beim Verbinden der Deckbleche mit der Kernschicht eines ersten Sandwichblechs in Abhängigkeit von der Bestimmung der Dicke einer Kernschicht eines zweiten Sandwichblechs, dessen Deckbleche und Kernschicht zeitlich vor denen des ersten Sandwichblechs verbunden worden sind. Insofern wird eine inline-Messung ermöglicht, deren Messwerte zur Optimierung des Herstellungsprozesses herangezogen werden können.
Neben den vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen können bei dem Herstellungsverfahren auch die im Zusammenhang mit dem Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht eines Sandwichblechs beschriebenen vorteilhaften Merkmale allein oder in Kombination Anwendung finden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die 1 zeigt ein Sandwichblech in einer schematischen Schnittdarstellung.
Die 2 zeigt eine Anlage zur Herstellung eines Sandwichblechs nach 1 in einer schematischen Darstellung.
Die 3 zeigt ein Sandwichblech in einer schematischen Schnittdarstellung bei der Bestimmung der Dicke der Kernschicht mit einer Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Die 4 zeigt ein Sandwichblech in einer schematischen Schnittdarstellung bei der Bestimmung der Dicke der Kernschicht mit einer Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die 5 zeigt Messungen der Impedanz von Sandwichblechen bei einer Anregungsfrequenz von 1 kHz.
Die 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der Entladekurve eines Kondensators.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In der 1 ist ein Sandwichblech 5 dargestellt, welches eine Kernschicht 5.3 aufweist, die zwischen einem ersten metallischen Deckblech 5.1 und einem zweiten metallischen Deckblech 5.2 angeordnet ist. Insofern weist das Sandwichblech 5 einen dreilagigen Schichtaufbau auf. Die Deckbleche 5.1, 5.2 sind bevorzugt als Stahlbleche ausgestaltet und können mit einer Korrosionsschutzschicht versehen sein. Bevorzugt wird eine Korrosionsschutzschicht verwendet, welche Aluminium und/oder Zink aufweist. Die Korrosionsschutzschicht kann auch Magnesium und/oder Silizium enthalten. Die Dicke der Deckbleche 5.1, 5.2 liegt im Bereich von 0,05 mm bis 10 mm, bevorzugt im Bereich von 0,2 mm bis 0,3 mm. Gemäß dem Ausführungsbeispiel haben beide Deckbleche 5.1, 5.2 eine identische Dicke und besitzen identische Werkstoffeigenschaften. Optional können die Deckbleche 5.1, 5.2 unterschiedliche Dicken und/oder unterschiedliche Werkstoffeigenschaften aufweisen. Die Deckbleche 5.1, 5.2. können aus Aluminium, Magnesium, Titan, Kupfer, Zinn, Zink oder deren Legierungen bestehen. Zusätzlich können die Deckbleche 5.1, 5.2 weitere Elementen wie beispielswiese Silizium, Phosphor und deren Oxide aufweisen. Des Weiteren können die Deckbleche 5.1, 5.2 zusätzlich auf der Oberfläche mit einer haftvermittelnden anorganischen oder organischen Beschichtung versehen sein, welche die Haftung oder Korrosions- und/oder Umformeigenschaften verändert.
Die Kernschicht 5.3 des Sandwichblechs 5 ist als organische Kernschicht ausgebildet. Bevorzugt umfasst die Kernschicht 5.3 ein Polymer. Das Material der Kernschicht 5.3 kann beispielsweise einen faserhaltigen Träger, beispielsweise einen Glasfaser-, Kohlefaser-, Naturfaser- oder Mineralfaser-Träger, aufweisen, welcher von einer Polymer-Matrix umgeben ist. Alternativ können weitere Polymere wie z.B. Polyolefine, Polyamide, Polyacrylate, Polyurethane, Polyester, Polyether und Compounds aus diesen eingesetzt werden. Der faserhaltige Träger kann durch ein ein- oder beidseitiges nicht haftendes Papier („Releasepapier“, „Silikonpapier“) ergänzt oder ersetzt werden. Auch eine Ausgestaltung ohne Träger ist einsetzbar.
Das Material der Kernschicht 5.3 ist kompressibel, so dass bei der Ausübung von Druck auf die Kernschicht 5.3 eine Veränderung der Dicke der Kernschicht 5.3 erfolgt. Dies ist abhängig von der Zusammensetzung der Kernschicht und der eingesetzten Temperatur.
Die Herstellung des Sandwichblechs 5 erfolgt mit einem Herstellungsverfahren, welches in der in 2 gezeigten Anlage verwirklicht ist. Der Anlage wird Halbzeug in Form einer bandförmigen Kernschicht 1.3 sowie bandförmiger Deckbleche 1.1, 1.2 zugeführt. Die Deckbleche 1.1, 1.2 und die Kernschicht 1.3 werden übereinander geschichtet einer beheizten Presse 2 zugeführt, in welcher die Deckbleche 1.1, 1.2 stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Kernschicht 1.3 verbunden werden, um ein Sandwichband 3 zu bilden. In der Presse 2 findet eine Erwärmung auf eine Temperatur im Bereich von 20°C bis 300°C statt. Der von der Presse 2 aufgebrachte Druck wird an die Kernschicht 1.3 angepasst. Bevorzugt weist die Presse 2 eine Erwärmungszone 2.1 auf, in welcher die bandförmigen Deckbleche 1.1, 1.2 und die Kernschicht 1.3 erwärmt werden. Ferner kann die Presse 2 eine Haltezone 2.2 und eine Abkühlzone 2.3 aufweisen, wobei in der Abkühlzone das Abkühlen des Sandwichbands 3 erfolgt. In einem der Presse 2 nachfolgenden Verarbeitungsschritt wird das Sandwichband 3 in einer Schneidvorrichtung 4 abgelängt, um einzelne Sandwichbleche 5 mit einer vorgegebenen Fläche zu erhalten.
Bei der Verarbeitung der Halbzeuge 1.1, 1.2, 1.3 in der Presse 2 kommt es unter dem Einfluss von Druck und erhöhten Temperaturen zu einer Veränderung der Dicke der Kernschicht 5.3 der Sandwichbleche 5 im Vergleich zu der Dicke der bandförmigen Kernschicht 1.3, welche als Halbzeug bereitgestellt wird. Um die Vorgänge in der Presse 2 überprüfen und regeln zu können, erfolgt im Anschluss an das Ablängen in der Schneidvorrichtung 4 eine zerstörungsfreie Bestimmung der Dicke der Kernschicht 3 der gefertigten Sandwichbleche 5, welche eine vorgegebenen Fläche aufweisen.
Zur Bestimmung der Dicke der Kernschicht 5.3 werden die metallischen Deckbleche 5.1, 5.2 derart elektrisch kontaktiert, dass kein Druck auf die Kernschicht 5.3 ausgeübt wird und es wird die Kapazität des Sandwichblechs 5.3 ermittelt. Auf Messelektroden, die von außen auf die Deckbleche 5.1, 5.2 des Sandwichblechs 5 aufgedrückt werden, wird vollständig verzichtet. Vielmehr werden die Deckbleche 5.1, 5.2 als Messelektroden zur Durchführung einer Kapazitätsmessung verwendet. Die Kontaktierung der Deckbleche 5.1, 5.2 erfolgt über Kontaktelemente, welche in lose Anlage mit der jeweiligen Oberfläche der Deckbleche 5.1, 5.2 gebracht werden.
Die Messung mittels der Kontaktelemente erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 20°C bis 150°C, bevorzugt bei Raumtemperatur.
In der 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke der Kernschicht 5.3 dargestellt, bei welcher die Kontaktelemente 6.1 als Schleifkontakte ausgestaltet sind. Die Schleifkontakte können beispielsweise nach Art von biegsamen Leiterplättchen oder Bürsten ausgestaltet sein. Die Kontaktelemente 6.1 kontaktieren die Deckbleche 5.1, 5.2 temporär, indem sie über die jeweiligen Oberflächen der Deckbleche 5.1, 5.2 gleiten. Hierbei wird das kontaktierte Sandwichblech 5 entlang einer Förderrichtung F gegenüber den Kontaktelementen 6.1 bewegt. Zur Kontaktierung der Deckbleche 5.1, 5.2 ist eine lose Berührung der Oberflächen ausreichend, so dass verhindert werden kann, dass Druckkräfte auf die zwischen den Deckblechen 5.1, 5.2 angeordnete Kernschicht 5.3 ausgeübt werden. Hierdurch kann eine unerwünschte Veränderung der Dicke der Kernschicht 5.3 vermieden werden. Zudem wird auch dem Entstehen von Kratzern oder anderen Oberflächen Beschädigungen an den Deckblechen 5.1, 5.2 entgegengewirkt.
Die 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke der Kernschicht 5.3, bei welcher die Kontaktelemente 6.2 als Rollen ausgestaltet sind, welche an der Oberfläche der Deckbleche 5.1, 5.2 abrollen ohne Druck auf die Kernschicht 5.3 auszuüben. Das kontaktierte Sandwichblech 5 wird entlang der Förderrichtung F gegenüber den Kontaktelementen 6.2 bewegt.
In einer Abwandlung der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele kann die Vorrichtung verschiedene Kontaktelemente zur Kontaktierung der Deckbleche 5.1, 5.2 aufweisen. Beispielsweise kann ein das erste Deckblech 5.1 über ein als Schleifkontakt ausgebildetes Kontaktelement 6.1 und das zweite Deckblech 5.2 über ein als Rolle ausgebildetes Kontaktelement 6.2 kontaktiert werden, oder umgekehrt.
Die 5 zeigt Wechselstrommessungen an Sandwichblechen mit unterschiedlichen Kernschichtdicken von 0,3 mm, 0,6 mm, 1,0 mm und 2,5 mm bei einer Anregungsfrequenz von 1 kHz und einer Amplitude von 200 mV. Auf der linken Ordinate 10 ist die Impedanz in Ω·cm² aufgetragen. Die entsprechenden Messpunkte der Impedanz sind mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnet. Auf der rechten Ordinate 12 ist die Phasenverschiebung in ° aufgetragen. Die entsprechenden Messpunkte der Phasenverschiebung sind mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet. Auf der Abzisse 14 ist die Zeit in s aufgetragen. Probenwechsel bzw. Zeitbereiche ohne Probenkontaktierung sind eindeutig identifizierbar durch eine Phasenverschiebung ungleich –90° und mit hoher Streuung, vgl. das Bezugszeichen 15.
Bei dem Verfahren zur Bestimmung der Dicke der Kernschicht 5.3 mittels Kapazitätsbestimmung durch Impedanzmessung wird zur Ermittlung der Impedanz ein Anregungssignal in Form einer Wechselspannung zwischen den Deckblechen 5.1, 5.2 angelegt. Das Wechselspannungssignal weist eine Amplitude im Bereich zwischen 1 mV und 1000 mV, bevorzugt im Bereich zwischen 10 mV und 200 mV, auf. Ferner hat das Wechselspannungssignal eine vorgegebene Frequenz im Bereich zwischen 1 mHz und 1000 kHz, bevorzugt im Bereich zwischen 100 mHz und 100 kHz. Zur Ermittlung der Impedanz erfolgt die Messung eines Antwortsignals in Form eines Wechselstroms zwischen den Deckblechen 5.1, 5.2. Es werden sowohl die Amplitude des Antwortsignals als auch die Phasenverschiebung des Antwortsignals gegenüber dem Anregungssignal gemessen. Die Amplitude und die Phasenverschiebung können einer Auswerteeinheit zugeführt werden.
Im Rahmen der Auswertung des Antwortsignals wird die ermittelte Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal zunächst mit einem Sollwertbereich bzw. Sollwert verglichen. Der Sollwert kann beispielsweise bei –90° liegen, da ein kapazitives Verhalten des Sandwichblechs 5 erwartet wird. Ergibt der Vergleich eine Abweichung der Phasenverschiebung von dem Sollwert bzw. Sollwertbereich, so wird der zugehörige ermittelte Messwert der Amplitude verworfen, da es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um einen auf unzureichende Kontaktierung zurückzuführenden Messfehler handelt. Nach Bedarf kann eine Fehlermeldung an den Operator ausgegeben werden. Entspricht der ermittelte Messwert hingegen dem Sollwert oder liegt er innerhalb des vorgegeben Sollwertbereichs, so wird anhand des ermittelten Antwortsignals und des Anregungssignals die Impedanz des Sandwichblechs 5 ermittelt.
Die ermittelte Impedanz wird mit einem abgespeicherten Referenz-Impedanzverlauf verglichen, welcher die Impedanz mit der Kernschichtdicke 5.3 in Relation setzt. Bevorzugt ist der Referenz-Impedanzverlauf in einer Speichereinrichtung der Vorrichtung abgespeichert. Die Auswerteeinheit ermittelt anhand des Referenz-Impedanzverlaufs die Kernschichtdicke 5.3, welche der ermittelten Impedanz entspricht. Hierzu kann die ermittelte Impedanz mit einem oder mehreren Impedanzwerten des Referenz-Impedanzverlaufs verglichen werden.
Die Vorrichtung kann eine Anzeigeeinrichtung aufweisen, über welche das Ergebnis der Bestimmung der Kernschichtdicke 5.3 darstellbar ist. Beispielsweise kann das Messergebnis als Zahlenwert angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ermittelt, werden, ob die gemessene Dicke in einem vorgegebenen Dickenbereich liegt, und es kann optisch und/oder akustisch angezeigt werden, ob die gemessene Dicke innerhalb des vorgegebenen Dickenbereichs liegt.
In 6 ist der zeitliche Verlauf der Entladekurve eines Kondensators dargestellt. Dessen Kapazität kann durch zwei Messwertepaare (Spannungen U₁, U₂ zu zwei verschiedenen Zeitpunkten t₁, t₂ der Entladekurve) gemäß Gleichungen 7–10 bestimmt werden. Entsprechendes gilt analog für den Fall der Aufnahme einer Aufladekurve (Gleichung 11).
Darüber hinaus erfolgt bei der in 2 gezeigten Anlage eine Nachführung der Produktionsparameter anhand der ermittelten Kernschichtdicke. Der in der Presse 2 verwendete Druck und/oder die in der Presse 2 verwendete Temperatur wird in Abhängigkeit von der ermittelten Dicke der Kernschicht 5.3 eingestellt, so dass die Herstellung nachfolgender Sandwichbleche 5 auf eine gewünschte Dicke der Kernschicht 5.3 nachgeführt werden kann. Insofern wird in der Presse 2 die Dicke der Kernschicht 5.3 eines ersten Sandwichblechs 5 beim Verbinden mit den Deckblechen 5.1, 5.2 verändert, insbesondere in Abhängigkeit von der Bestimmung der Dicke einer Kernschicht 5.3 eines zweiten Sandwichblechs 5, dessen Deckbleche 5.1, 5.2 und Kernschicht 5.3 zeitlich vor denen des ersten Sandwichblechs 5 verbunden worden sind.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht 5.3 eines Sandwichblechs 5, welches zwei metallische Deckbleche 5.1, 5.2 aufweist, zwischen denen die Kernschicht 5.3 angeordnet ist, werden die metallischen Deckbleche 5.1, 5.2 derart elektrisch kontaktiert, dass kein Druck auf die Kernschicht 5.3 ausgeübt wird. Die Kapazität des Sandwichblechs 5.3 wird ermittelt. Es wird die Messung der Dicke einer kompressiblen Schicht 5.3 in einem Sandwichblech 5 ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1.1: bandförmiges Deckblech
1.2: bandförmiges Deckblech
1.3: bandförmige Kernschicht
2: Presse
2.1: Erwärmungszone
2.2: Haltezone
2.3: Abkühlzone
3: Sandwichband
4: Schneidvorrichtung
5: Sandwichblech
5.1: Deckblech
5.2: Deckblech
5.3: Kernschicht
6.1: Kontaktelement
6.2: Kontaktelement
10: Impedanz
11: Impedanzmesswerte
12: Phasenverschiebung
13: Phasenverschiebungsmesswerte
14: Zeit
15: Messwerte ohne Kontaktierung
F: Förderrichtung
U: Spannung
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012106206 A1 [0002]
EP 2485042 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht (5.3) eines Sandwichblechs (5), welches zwei metallische Deckbleche (5.1, 5.2) aufweist, zwischen denen die Kernschicht (5.3) angeordnet ist, wobei die metallischen Deckbleche (5.1, 5.2) derart elektrisch kontaktiert werden, dass kein Druck auf die Kernschicht (5.3) ausgeübt wird, und wobei die Kapazität des Sandwichblechs (5.3) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur elektrischen Kontaktierung ein Kontaktelement (6.1, 6.2) in lose Anlage mit einer Oberfläche eines Deckblechs (5.1, 5.2) gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur elektrischen Kontaktierung ein als Schleifkontakt ausgebildetes Kontaktelement (6.1) über eine Oberfläche eines Deckblechs (5.1, 5.2) gleitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur elektrischen Kontaktierung ein als Rolle ausgebildetes Kontaktelement (6.2) an einer Oberfläche eines Deckblechs (5.1, 5.2) abrollt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur elektrischen Kontaktierung ein als Klemme ausgebildetes Kontaktelement an ein Deckblech (5.1, 5.2) geklemmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kernschicht (5.3) eine, insbesondere kompressible, organische Kernschicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung der Kapazität ein Anregungssignal in Form einer Wechselspannung zwischen den Deckblechen (5.1, 5.2) angelegt wird und wobei ein Antwortsignal, insbesondere ein Wechselstrom zwischen den Deckblechen (5.1, 5.2), gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung der Kapazität ein Anregungssignal in Form eines Wechselstroms zwischen den Deckblechen (5.1, 5.2) eingeprägt wird und wobei ein Antwortsignal, insbesondere eine Wechselspannung zwischen den Deckblechen (5.1, 5.2), gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das Anregungssignal eine vorgegebene Frequenz im Bereich zwischen 1 mHz und 1000 kHz, bevorzugt im Bereich zwischen 100 mHz und 100 kHz, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 9, wobei die Wechselspannung eine Amplitude im Bereich zwischen 1 mV und 1000 mV, bevorzugt im Bereich zwischen 10 mV und 200 mV, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ermittelte Impedanz zur Ermittlung der Dicke der Kernschicht (5.3) mit einem Referenz-Impedanzverlauf verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Dicke der Kernschicht (5.3) anhand der ermittelten Impedanz und anhand der relativen Permittivität der Kernschicht (5.3) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung der Kernschichtdicke die Kapazität mittels einer Entlade- bzw. Aufladekurve der Deckbleche (5.1, 5.2) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenverschiebung eines Antwortsignals zu einem Anregungssignal ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei durch einen Vergleich der Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal mit einem Sollwert bzw. Sollwertbereich eine Abweichung erkannt wird, insbesondere wobei im Falle einer Abweichung der zugehörige ermittelte Messwert der Amplitude verworfen wird, da es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um einen auf unzureichende Kontaktierung zurückzuführenden Messfehler handelt, und insbesondere eine Fehlermeldung an den Operator ausgegeben wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sandwichblechs, wobei zwei bandförmige, metallische Deckbleche (1.1, 1.2) mit einer bandförmigen, zwischen den Deckblechen angeordneten Kernschicht (1.3) stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden, um ein Sandwichband (3) zu bilden, wobei das Sandwichband (3) abgelängt wird, um einzelne Sandwichbleche (5) mit einer vorgegebenen Fläche zu erhalten, wobei die Dicke der Kernschicht (5.3) der Sandwichbleche (5) mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bestimmt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sandwichblechs nach Anspruch 14, wobei die Dicke der Kernschicht (5.3) eines ersten Sandwichblechs (5) beim Verbinden mit den Deckblechen (5.1, 5.2) verändert wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Bestimmung der Dicke einer Kernschicht (5.3) eines zweiten Sandwichblechs (5), dessen Deckbleche (5.1, 5.2) und Kernschicht (5.3) zeitlich vor denen des ersten Sandwichblechs (5) verbunden worden sind.
Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke einer Kernschicht (5.3) eines Sandwichblechs (5), welches zwei metallische Deckbleche (5.1, 5.2) aufweist, zwischen denen die Kernschicht (5.3) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung Kontaktelemente (6.1, 6.2) aufweist, über welche die metallischen Deckbleche (5.1, 5.2) derart elektrisch kontaktierbar sind, dass kein Druck auf die Kernschicht (5.3) ausgeübt wird, und dass die Kapazität des Sandwichblechs (5.3) ermittelbar ist.