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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Informationsbereichs eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein nach einem derartigen Verfahren ausgebildetes Bauteil und ein Messsystem zum Auslesen des Informationsbereichs eines derartigen Bauteils.
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Bekannte Verfahren zur Markierung von metallischen Bauteilen sind Lasergravur und Schlagziffern. Diese Verfahren eignen sich nur sehr eingeschränkt zur automatischen Auswertung und können durch die Sichtbarkeit des Codes eine Sicherheitslücke darstellen, da der Code mechanisch entfernt oder entfremdet werden kann.
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Auch die Markierung von Bauteilen mit Aufklebern, die beispielsweise einen Barcode oder einen QR-Code enthalten, ist weit verbreitet. Ein Nachteil dieser Methode ist jedoch, dass die Markierung nicht untrennbar mit dem Bauteil verbunden ist und sehr schlecht gegen Umwelteinflüsse geschützt ist (Temperatur, Abrieb, UV-Strahlung, Feuchtigkeit,...).
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In der Schließtechnik sind Schlüssel mit magnetischen Elementen bekannt, die in den Bart des Schlüssels eingesetzt werden. Die Magnete sind als Materialverbund nicht untrennbar mit dem Schlüssel verbunden und sind für jeden zu erkennen.
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In der Aktorik sind oft externe Systeme zur Positionsbestimmung erforderlich.
Eine induktive Leistungsübertragung benötigt ferromagnetische Bereiche, die derzeit durch unterschiedliche Materialverbunde (z.B. Leiterbahn auf Platine) realisiert werden. Dadurch steigen die Komplexität und der Platzbedarf der Baugruppe.
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Das Dokument
DE 102 48 142 B3 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer magnetisch abtastbaren Codierung eines metallischen Bauelementes, wobei mittels einer elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise einer Beaufschlagung mittels Laserstrahl Gefügeveränderungen erzeugt werden, die in einer Änderung der magnetischen Leitfähigkeit resultieren. Diese kann dann mittels eines geeigneten Sensors, beispielsweise eines Magnetfeldsensors erfasst werden, um den Code auszulesen.
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In der
JP 04259385 A ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Codierung an einem Werkstück beschrieben, bei dem auf einem aus einem austenitischen Edelstahl bestehender Grundkörper eine ferritische Schicht aufgebracht wird, die dann mittels Laserbestrahlung beaufschlagt wird, so dass örtlich eine laserinduzierte Martensitstruktur entsteht, die entsprechend der Markierung ausgebildet ist und dann mittels eines geeigneten Detektors ausgelesen werden kann.
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In dem Dokument
GB 2 312 595 A wird vorgeschlagen, zur Ausbildung einer Markierung einen Strichcode aus einem magnetisierbarem Material auszubilden, wobei die einzelnen Elemente des Strichcodes durch Bereiche mit hoher und niedriger Koerzitivfeldstärke ausgebildet werden, die durch einen geeigneten Transferprozess, beispielsweise Druck auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Die Bereiche mit hoher Koerzivität werden mittels eines Magnetfeldes dauerhaft magnetisiert. Ein derart hergestellter Strichcode kann dann auf dem zu markierenden Bauteil aufgebracht werden. Ein ähnliches Verfahren ist in der Patentanmeldung
WO 2018/103528 A1 beschrieben.
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Nachteilig bei den vorbeschriebenen Lösungen ist, dass ein erheblicher vorrichtungs- und fertigungstechnischer Aufwand erforderlich ist, um die Markierung aufzubringen.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zu schaffen, das die Markierung/Codierung oder das Ausbilden eines Informationsbereichs des Bauteils mit geringem Aufwand ermöglicht. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil und ein Messsystem zum Auswerten der Kennzeichnung eines derartigen Bauteils zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, im Hinblick auf das Bauteil durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 6 und im Hinblick auf das Messsystem durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 9 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bearbeiten eines Bauteils oder Werkstücks, das zumindest abschnittsweise aus einem, vorzugsweise metallischen, Werkstoff besteht und das in einem Informationsbereich eine auslesbare Information/Codierung/Markierung trägt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, diese durch Umformen des Informationsbereichs derart auszubilden, dass sich eine der Information/Codierung/Markierung entsprechende Änderung der magnetischen Permeabilität des Werkstoffes einstellt.
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Das erfindungsgemäße Bauteil ist nach einem derartigen Verfahren hergestellt.
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Das Messsystem untersucht ein derartiges, mit einem Informationsbereich ausgeführtes Bauteil, wobei die durch Umformen ausgebildeten Änderungen der Permeabilität mittels eines Lesekopfes oder Sensors erfasst und ausgewertet werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt das Umformen durch maschinelles Oberflächenhämmern (MHP) mittels eines Oberflächenhammers, der vorzugsweise über NC-Achsen entlang des Informationsbereiches geführt ist, der dementsprechend auch als Freifläche ausgebildet sein kann. Anstelle des Oberflächenhämmerns kann im Prinzip jedes elastisch-plastische Umformverfahren oder sonstiges Kaltumverformen, wie beispielsweise Rollieren, Diamantglätten, Walzen, etc. verwendet werden. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Kontakt des jeweiligen Werkzeugs mit dem Werkstück diskontinuierlich erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Änderung der Permeabilität durch eine örtliche, verformungsinduzierte Gefügeumwandlung erfolgt. Diese Gefügeumwandlung kann beispielsweise eine verformungsinduzierte Martensitbildung an einem aus metastabilem austenitischen Werkstoff bestehenden Bauteil sein.
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Die Information/Markierung/Codierung kann zum Einsatz in der Aktorik, in der Messtechnik oder als Sicherheitsebene in der Schließtechnik oder ähnlichem vorgesehen sein.
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Aus der partiellen Umformung des Informationsbereiches resultiert auch eine visuell wahrnehmbare Veränderung der Werkstückoberfläche. Für den Fall, dass diese visuelle Änderung unerwünscht ist, kann der umgeformte Bereich zur Beseitigung der Umformspuren nachbearbeitet oder mit einer Beschichtung versehen werden.
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Das erfindungsgemäße Bauteil wird zumindest abschnittsweise aus einem Werkstoff ausgebildet, dessen Permeabilität durch Umformen änderbar ist.
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Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn das Bauteil im Informationsbereich zumindest abschnittsweise aus metastabilem austenitischen Stahl oder einer entsprechenden Beschichtung besteht und örtlich eine verformungsinduzierte martensitische Phase aufweist.
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Wie vorstehend erläutert, untersucht das erfindungsgemäße Messsystem ein Bauteil, das einen gemäß den vorstehenden Ausführungen ausgebildeten Informationsbereich aufweist, wobei die diesem Informationsbereich aufgeprägte Information mittels eines Lesekopfes auslesbar ist. Erfindungsgemäß ist dieser Lesekopf zur Erfassung der magnetischen Permeabilität bzw. einem der magnetischen Permeabilität entsprechenden Signal ausgelegt, wobei insbesondere auch der örtliche Signalverlauf aufgezeichnet werden kann.
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Der zur Erfassung der Permeabilitätsänderung eingesetzte Lesekopf / Sensor kann einen Kern aus einem weichmagnetischen Material sowie eine Erregerspule und eine Messspule oder eine andere, zum Erfassen der magnetischen Permeabilität geeignete Einrichtung (z. B. Hall-Sensor) aufweisen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kern in etwa C- oder U-förmig ausgebildet, wobei an einem Schenkel die Erregerspule und an dem anderen Schenkel die Messspule angeordnet ist. Bei einer alternativen Form wird ein etwa E-förmiger Kern verwendet, wobei dann die Erregerspule an einer Basis des Kerns und die Messspule an einem mittleren Schenkel des Kerns angeordnet sein kann.
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Selbstverständlich sind auch andere Kernformen oder Messprinzipien realisierbar.
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Das Messsystem ist besonders flexibel verwendbar, wenn der Lesekopf mittels geeigneter NC-Achsen entlang des Informationsbereiches bewegbar ist, um den Permeabilitätsverlauf und damit die Informationsstruktur zu erfassen. Es sind auch andere Möglichkeiten, wie z. B. das manuelle oder maschinelle Vorbeiführen (Förderband) des Bauteils an dem Lesekopf, oder eine tragbare Auswerteeinrichtung ähnlich den bekannten Lesegeräten für herkömmliche Barcodes, realisierbar.
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Zusätzlich kann auch ein optischer Sensor verwendet werden, um visuell sichtbare Strukturen zu erfassen.
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Einige wichtige Aspekte der Erfindung werden im Folgenden nochmals zusammengefasst.
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Durch die gezielte Anwendung eines Kaltumformprozesses können die magnetischen Eigenschaften von metastabilen austenitischen Stählen determiniert beeinflusst werden. Die dadurch hervorgerufene Gefügeumwandlung, die die Änderung der magnetischen Eigenschaften nach sich zieht, kann sich von wenigen Mikrometern bis hin zu einigen Millimetern von der Randzone in die Tiefe des Werkstückes erstrecken. Die Bearbeitung findet an der Bauteiloberfläche statt und kann an ebenen Flächen sowie an Freiformflächen durchgeführt werden. Die Bearbeitung kann mit üblichen NC-geführten Trägersystemen durchgeführt werden (Bearbeitungszentrum, Roboter, geführte Achsen und Antriebe,...). Dadurch ist es möglich, Informationen, Codierungen bzw. Markierungen auf metallische Oberflächen aufzubringen. Diese sind durch entsprechende Messverfahren maschinell lesbar. Nach dem Kaltumformprozess sind die Markierungen sowohl manuell als auch automatisiert erkennbar oder lesbar. Durch eine abschließende Oberflächenbehandlung wie z.B. Schleifen, Beschichten oder einem anderen in DIN8580 genannten Verfahren können die Bearbeitungsspuren von der Oberfläche entfernt und die Markierung unsichtbar gemacht werden. Eine maschinelle Auswertung ist weiterhin uneingeschränkt möglich.
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Die magnetischen Eigenschaften, insbesondere die magnetische Permeabilität, stellen wichtige Eigenschaften bei der Einteilung und Auswahl von metallischen Werkstoffen dar. Bei Druckumformverfahren von metastabilen austenitischen Stählen, vor allem Kaltwalzen und Tiefziehen, ist es möglich, dass die magnetische Permeabilität ansteigt. Dieser Effekt ist meist unerwünscht. Die Erfindung wendet sich ab von diesem Vorurteil und schlägt vor, durch definiertes Einwirken durch einen Druckumformprozess wie z.B. maschinelles Oberflächenhämmern, die magnetische Permeabilität von metastabilen austenitischen Stählen gezielt zu beeinflussen und so den Effekt nutzbar zu machen.
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Der Effekt, der der Permeabilitätsänderung zugrunde liegt ist die verformungsinduzierte Martensitbildung. Sie setzt ein, sobald die in die Werkstückoberfläche eingebrachte Energie eine gewisse Aktivierungsenergie übersteigt. Mithilfe von Druckumformverfahren, wie z.B. des maschinellen Oberflächenhämmerns, ist es möglich, die zur Martensitbildung notwendige Aktivierungsenergie mit einer guten örtlichen Auflösung in die Werkstückoberfläche einzubringen. Unter Anwendung eines solchen Verfahrens können definierte Bereiche des Werkstücks einer Änderung der Permeabilität unterzogen werden.
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Durch unterschiedliche Anzahl an Bearbeitungsdurchgängen stellt sich auch die Änderung der Permeabilität entsprechend abgestuft ein.
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Die messtechnische Erfassung kann mit passiven oder aktiven Messsensoren/Leseköpfen erfolgen. Die Größenordnung der Permeabilitätsänderung kann mit einem Sensor auf Basis eines C-Kerns mit zwei Spulenwicklungen erfasst werden. Die Kantenübergänge zwischen bearbeiten und unbearbeiteten Zonen können mit einem Sensor auf Basis eines E-Kerns mit drei Spulenwicklungen oder einem beliebigen Sensor zur Erfassung der magnetischen Permeabilität effektiv detektiert werden.
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Durch die gezielte Beeinflussung der Permeabilität und Möglichkeiten zur messtechnischen Erfassung der geänderten Permeabilität ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Denkbar ist beispielsweise die (unsichtbare) Codierung von metallischen Bauteilen, der Einsatz in der Aktorik und Messtechnik bei der Positionserfassung oder als zusätzliche Sicherheitsebene bei Schließsystemen. Induktive Leistungsübertragung benötigt ferromagnetische Bereiche, die derzeit durch unterschiedliche Materialverbunde (z.B. Leiterbahn auf Platine) realisiert werden. Mit dem hier vorgestellten Verfahren ist es möglich, diese magnetisch leitfähigen Bereiche direkt in das Grundmaterial einzubringen.
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Das Umformen erfolgt - wie vorstehend ausgeführt - vorzugsweise mittels eines Oberflächenhammers, der es ermöglicht, die verformungsinduzierte Martensitbildung nicht nur örtlich, sondern auch die Intensität betreffend sehr gezielt im Werkstoff auszubilden. Ein derartiger Oberflächenhammer ist beispielsweise in der nachveröffentlichten
DE 10 2017 127 021 der Anmelderin beschrieben. Es handelt sich dabei um ein mit der Werkstückoberfläche kontinuierlich oder diskontinuierlich in Kontakt stehendes Werkzeug, das eine geometrisch definierte Werkzeugspitze oder Werkzeugkontur aufweist. Diese Werkzeugspitze oder Werkzeugkontur, bestehend aus Diamant, Hartmetall, keramischen Werkstoffen oder ähnlichem Material und übt eine - meist normal zur Werkstückoberfläche - ausgerichtete, definierte Kraft auf die Oberfläche des Werkstückes aus. Dabei kann sowohl eine starre Werkzeugspitze, bestehend aus einem oder mehreren der zuvor genannten Werkstoffe, als auch ein sich um bis zu drei Freiheitsgrade abrollender Körper (Kugel oder Rolle oder eine Kombination aus beidem) über die Werkstückoberfläche entlang der Längs- und Querachse bewegt werden. Die Änderung der magnetischen Eigenschaften (Permeabilität) bleibt auch nach einer Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Schleifen, Beschichten, erhalten und ist mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen.
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Mithilfe des vorgestellten Verfahrens ist es beispielsweise möglich, Markierungen direkt auf den Kolben eines Hydraulikzylinders aufzubringen und mit einer Auswertevorrichtung die Position zu bestimmen. Die Markierungen können unsichtbar und eben mit der Oberfläche gemacht werden, so dass Dichtstellen und Passungen nicht nachteilig beeinflusst werden.
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Die Erfindung zeigt somit gegenüber den eingangs beschriebenen, herkömmlichen Lösungen eine Reihe von Vorteilen.
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Die Markierung/Codierung kann wahlweise sichtbar bleiben oder durch eine abschließende Oberflächenbearbeitung unsichtbar gemacht werden. Das könnte insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, wie beispielsweise Fahrgestellnummern, Codierung von Waffen, etc. relevant sein.
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Unsichtbar markierte Oberflächen können weiterhin als Funktionsflächen, beispielsweise als Pass- oder Dichtflächen eingesetzt werden.
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Die Markierung kann maschinell gelesen und auch automatisiert verarbeitet werden.
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Abhängig von dem Informationsgehalt der Codierung können vielfältige Auswertemethoden zum Einsatz kommen.
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Die Codierung kann derart erfolgen, dass eine Verwendung oder Fehlbedienung eines Gerätes unterbunden werden kann, wobei eine Freigabe beispielsweise mittels eines magnetischen Sicherheitsmechanismus erfolgen kann.
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Das Aufbringen der Markierung kann auf üblichen NC-Systemen erfolgen. Es ist keine spezielle Verarbeitungsvorrichtung erforderlich, wie es beispielsweise bei denjenigen Lösungen vorausgesetzt wird, bei denen die Informationsstruktur mittels Laserstrahl ausgebildet wird.
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In Abhängigkeit der eingebrachten Energiemenge bei dem Kaltumformprozess ist es möglich, die Änderung der magnetischen Permeabilität gezielt zu steuern. Dadurch ist es möglich, die Codierung nicht nur wie bei einem Barcode als 0 und 1 sondern auch als Zwischenwerte darzustellen. Der Informationsgehalt ist dadurch nicht nur auf der Oberfläche des Bauteils verteilt, sondern erstreckt sich auch in die Tiefe.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Oberflächenhammers zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems;
- 3 einen Lesekopf des Messsystems gemäß 2 mit der zugehörigen Auswerteeinheit;
- 4 eine Schnittdarstellung des Lesekopfes gemäß 3;
- 5 einen Kern des Lesekopfes gemäß 4;
- 6 bis 12 Prinzipdarstellungen eines Messvorganges, bei dem mittels eines Lesekopfes gemäß den 4 und 5 eine Kantenerkennung eines erfindungsgemäß bearbeiteten Informationsbereiches eines Bauteiles erfolgt;
- 13 eine aus dem Messverfahren gemäß den 6 bis 12 resultierende Messdatenauswertung;
- 14 einen beispielhaften Verlauf einer Messkurve einer kontinuierlichen Kantenerkennung;
- 15 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lesekopfes mit einem etwa C-förmigen Kern;
- 16 bis 20 Schritte einer Pegelmessung mittels eines Lesekopfes gemäß 15;
- 21 beispielhafte Verläufe einer Pegelmessung mit einem Lesekopf gemäß 15 und
- 22 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem das erfindungsgemäßen Mess-/Auswertesystem bei einer Schließeinrichtung verwendet ist.
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Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein aus einem metastabilen austenitischen Werkstoff bestehendes Bauteil A mittels eines Oberflächenhammers 1 durch Umformen bearbeitet. Die Umformung erfolgt - wie vorstehend ausgeführt - derart, dass eine örtliche verformungsinduzierte Martensitbildung herbeigeführt wird und somit die Permeabilität im Einwirkbereich der umgeformten Bereiche gegenüber dem austenitischen Grundmaterial erhöht wird. In umgekehrter Weise ist es prinzipiell auch möglich, an einem Grundmaterial mit einem Martensitgefüge durch geeignete Verfahren austenitische Bereiche und eine entsprechende Permeabilitätsänderung herbeizuführen.
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Der Oberflächenhammer
1 hat einen mit einem Schlageinsatz
2 aus Hartmetall oder sonstigen Materialien ausgeführten Hammerkopf
4, der mittels eines erfindungsgemäßen Linearaktors
6, der gemäß der
DE 10 2017 127 021 vorzugsweise als Reluktanz-Linearaktor ausgeführt ist, in periodische Schwingungen versetzt wird oder aber auch in kontinuierlicher Anlage an dem zu bearbeitenden Werkstück
A gehalten werden kann. Der Oberflächenhammer
1 hat des Weiteren eine mechanische Schnittstelle, im vorliegenden Fall einen Hohlschaftkegel
8, über den der Oberflächenhammer
1 in eine entsprechende Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschine, eines Roboters oder dergleichen eingesetzt werden kann, so dass der Oberflächenhammer
1 während der Bearbeitung über NC-Achsen der Werkzeugmaschine bzw. des Roboters geführt wird.
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Die zeitdiskrete Regelung des Hubs des Linearaktors 6 erfolgt über eine angedeutete Leistungselektronik 10.
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Der Oberflächenhammer 1 hat ein zylindrisches Gehäuse 12 aus nicht magnetisch leitfähigem Material, an das der Hohlschaftkegel 8 angesetzt ist. Im Inneren des Gehäuses 12 ist der Linearaktor 6 gelagert, der gemäß der Schnittdarstellung in 1 einen Stator 14 aufweist, in dem eine Vielzahl von Spulen 16 axial versetzt zueinander angeordnet sind.
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Der Stator 14 umgreift mit einem Luftspalt einen Läufer 18, der bei Bestromung der Spulen 16 aufgrund der Reluktanzkraft einen definierten Hub durchführt, der auf den Hammerkopf 4 übertragen wird.
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Der Läufer 18 ist über eine Lageranordnung mit zwei Festkörperlagern 20, 22 geführt, wobei die Lagersteifigkeit in Radialrichtung und in Axialrichtung so gewählt ist, dass die erwünschte hohe Positioniergenauigkeit des Hammerkopfes gewährleistet ist.
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Der Hub des Läufers 18 wird über ein Wegmesssystem 24 erfasst, das eine exakte Positionierung des Läufers 18 in Abhängigkeit von den über die Leistungselektronik 10 und die Maschinensteuerung vorgegebenen Parametern gewährleistet.
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Hinsichtlich weiterer Einzelheiten dieses Oberflächenhammers sei auf die Beschreibung der vorgenannten Patentanmeldung verwiesen.
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Selbstverständlich kann auch ein Oberflächenhammer anderer Bauart zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
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Über diesen Oberflächenhammer 1 kann ein Informationsbereich 28 des Bauteils A zur Ausbildung der Informationsstruktur derart bearbeitet werden, dass sich Permeabilitätsänderungen einstellen, die über das im Folgenden noch näher beschriebene Messsystem zum Auslesen der Information/Codierung/Markierung ausgewertet werden können. In der Folge wird durchgängig der Begriff „Markierung“ verwendet - dieser Begriff steht für jedwede Codierung/Kennzeichnung/Information, die in der erfindungsgemäßen Weise an einem Bauteil A ausgebildet wird.
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1 zeigt den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Messsystems 26, mit dem die Permeabilitätsänderungen erfasst und im Hinblick auf die damit gekoppelte Markierung ausgewertet wird. In der Darstellung gemäß 2 ist das Bauteil A mit dem umgeformten Informationsbereich 28 in einen Schraubstock oder in eine sonstigen Halterung 30 eingesetzt, die ihrerseits auf einem Rundtisch/ Maschinentisch 32 angeordnet sein kann. Das Auslesen der mit der Markierung verbundenen Information erfolgt über einen Lesekopf 34, dessen Aufbau im Folgenden detaillierter beschrieben wird. Der Lesekopf 34 ist in einen Hohlschaftkegel 36 einer Spindel 38 eines Bearbeitungszentrums eingesetzt, über deren NC-Achsen der Lesekopf 34 entlang des Informationsbereiches 28 des Bauteils A verfahrbar ist, um die Information/Markierung auszulesen.
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Über die NC-Achsen kann der Lesekopf 34 beispielsweise mit konstanter Geschwindigkeit über den Informationsbereich 28 verfahren werden, so dass die Messdaten zur weiteren Verarbeitung aufgezeichnet werden. Die dazu gewählte Messkette ist in schematisch dargestellt.
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Die Anregung des angedeuteten Lesekopfes 34 erfolgt mit einem Signalgenerator 40, beispielsweise einem Frequenzgenerator, der ein zeitlich veränderliches hochfrequentes Signal mit moderaten Erregungsspannungsamplituden liefert. Das Ausgangssignal des Lesekopfes 34 wird mit einer Messkarte 42 mit integriertem A/D-Wandler aufgenommen und an eine Auswerteeinheit 44 übertragen. Die Darstellung und Speicherung der Daten an der Auswerteeinheit 44 erfolgt mittels einer speziellen Software.
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Weitere Einzelheiten des Lesekopfes 34 werden anhand 4 erläutert.
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Bei der maschinellen Auswertung ist es von besonderem Interesse, die Übergänge zwischen bearbeitetem und unbearbeitetem Material zu detektieren. Ein dazu geeigneter Lesekopf 34 wird im Folgenden detailliert beschrieben.
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Der in 4 dargestellte Lesekopf 34 besteht aus einem zweiteiligen Gehäuse 46 mit einem Außengehäuse 48, in dem ein Innengehäuse 50 über eine Feder 52 verstellbar gehalten ist. Das Innengehäuse 50 nimmt einen Sensor 54 auf, der zum Ausgleich von Unebenheiten über die Feder 52 mit einem konstanten Anpressdruck in Anlage an den Informationsbereich 28 des Bauteils A angelegt werden kann. In der Darstellung gemäß 4 ist lediglich ein etwa E-förmiger Kern 56 des Sensors/Messaufnehmers 54 dargestellt. Weitere Einzelheiten werden anhand 5 erläutert. Mit dem Bezugszeichen 49 ist ein Schaft bezeichnet, über den der Lesekopf in dem Hohlschaftkegel 36 gespannt werden kann.
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Der in 5 dargestellte Sensor 54 arbeitet nach einem elektromagnetischen Prinzip. Der etwa E-förmige Kern 56 besteht aus einem weichmagnetischen Material und ist mit einer Erregerspule 58, bestehend aus zwei Wicklungen 5a, 58b, und einer Messspule 60 versehen, wie sie in 5 schematisch dargestellt sind. Die Messspule 60 umgreift dabei einen mittleren Schenkel 62 des Kerns, 56. Zwei Messleitungen 64a, 64b der Messspule 60 sind dann zur Messkarte 42 geführt.
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Erregerspulenabschnitte 58a, 58b umgreifen zum mittleren Schenkel 62 benachbarte Basisabschnitte 66a, 66b des Kerns 56, wobei Erregerleitungen 70a, 70b gemäß 3 mit dem Signalgenerator 40 kontaktiert sind.
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Wie bereits erwähnt, ist das Detektieren von Übergängen zwischen Bereichen unterschiedlicher Permeabilität von besonderem Interesse. Das wird mit dem hier beschriebenen Lesekopf 34 bzw. mit dem Sensor 54 vorteilhaft ermöglicht und ist im Folgenden beschrieben.
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Die Erregerspule 58 wird mit einer hochfrequenten sinusförmigen Wechselspannung angeregt. Dadurch entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das durch den Schenkel 62 sowie außenliegende Schenkel 72, 74 des Kerns 56 fließt. Das Wechselfeld induziert in der Messspule 60 eine Spannung. Diese ist das Ausgangssignal des Sensors 54 und wird mit einem Voltmeter als RMS-Wert erfasst.
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Im Ausgangszustand (Position 0, 6) sind alle drei Schenkel 62, 72, 74 des Kerns 56 durch das gleiche Material (austenitischer Bereich) des Bauteils A verbunden. In Abhängigkeit der Erregungsparameter stellt sich eine bestimmte Ausgangsspannung ein. Der exakte Wert ist zunächst nicht relevant, da die Kantenerkennung auf der relativen Änderung der Ausgangsspannung basiert.
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Befindet sich ein Schenkel 74 des Kerns 65 auf einem schraffiert dargestellten Informationsbereich 28 höherer magnetischer Permeabilität (Position 1, 7), wird die Symmetrie des magnetischen Kreises gestört. Aufgrund der Wicklungsrichtungen der Spulen 58, 60 und der Orientierung des Sensors 54 ergibt sich eine Erhöhung der Ausgangsspannung.
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Das gilt weiterhin, wenn sich zwei Schenkel 62, 74 des Kerns 56 auf einem Bereich höherer Permeabilität befinden (Position 2, 8). Die Erhöhung der Ausgangsspannung ist auch davon abhängig, wie weit die Schenkel 72, 74 von der Kante 76 entfernt sind. Die Änderung der Ausgangsspannung ist also ein kontinuierlicher Ausschlag, der in etwa linear verläuft.
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Sobald sich alle Schenkel 62, 72, 74 des Kerns 56 auf dem Bereich höherer Permeabilität befinden (Position 3, 9), ist die Symmetrie wieder hergestellt. Die Ausgangsspannung ist nun von der Permeabilität des Bereiches abhängig und unterscheidet sich von der auf Position 0 gemessenen Spannung.
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Sobald der erste Schenkel 74 auf einen Bereich geringerer Permeabilität herauswandert, ist die Symmetrie des magnetischen Kreises wieder gestört (Position 4, 10). Da sich jetzt der rechte Schenkel 74 auf einem Bereich mit deutlich veränderter Permeabilität befindet, kommt es aufgrund der Wicklungsrichtungen der Spulen 58, 60 und der Orientierung des Sensors 54 zu einer Abschwächung der Ausgangsspannung.
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Wenn sich zwei Schenkel 62, 74 auf einem Bereich geringerer Permeabilität (Martensit) befinden (Position 5, 11), kommt es weiterhin zu einer Abschwächung der Ausgangsspannung. Auch hier ergibt sich, abhängig von der exakten Position der Schenkel 62, 72, 74 in Relation zu der weiteren Kante 80, wieder ein kontinuierlich verlaufender Ausschlag.
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Sobald sich alle Schenkel 62, 72, 74 des Kerns 56 wieder auf einem Bereich gleicher Permeabilität (Martensit) befinden (Position 6, 12), herrscht wieder Symmetrie. Die Ausgangsspannung entspricht dem in Position 0 (6) gemessenen Wert.
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13 zeigt eine typische, mittels der Auswerteeinheit 44 mit Hilfe der Software erstellte Messkurve, die sich bei der vorbeschriebenen kontinuierlichen Kantenerkennung einstellt. Dabei zeigt die obere Kurve die Amplitude über der Zeit und die untere Kurve den Verlauf der Spannung über der Zeit.
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Es ist anzumerken, dass die Rohdaten des Messsignals grundsätzlich als Spannungs-Zeitverlauf vorliegen. Über die bekannte (konstante) Vorschubgeschwindigkeit kann auf den Verfahrweg rückgerechnet werden. Damit liegt die Messkurve als Spannungs-Wegverlauf vor wie sie in 14 dargestellt ist. Diese Messkurve ist im Kontext der Kantenerkennung aussagekräftiger als der zeitliche Verlauf.
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In 14 sind 13 Bereiche mit linearem Verlauf zu erkennen. Jedem dieser Bereiche ist ein eindeutiges Ereignis zuordenbar.
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Der gesamte Verlauf der Kurve in 14 lässt sich grundsätzlich in fünf Teile aufspalten:
- Teil 1: Der Sensor 54 ist vollständig außerhalb des bearbeiteten Feldes (Bereich 1)
- Teil 2: Eintritt des Sensors 54 in das bearbeitete Feld (Bereich 2 bis 6)
- Teil 3: Der Sensor 54 ist vollständig innerhalb des bearbeiteten Feldes (Bereich 7)
- Teil 4: Austritt des Sensors 54 aus dem Feld (Bereich 8 bis 12)
- Teil 5: Der Sensor 54 ist (wieder) vollständig außerhalb des Feldes (Bereich 13)
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Die Ereignisse der einzelnen Bereiche sind im Folgenden erläutert.
- 1. Bereich: Der Sensor 54 ist vollständig außerhalb des bearbeiteten Feldes.
- 2. Bereich: Der erste Schenkel 74 des Kerns 56 passiert die Kante 76.
- 3. Bereich: Der erste Zwischenraum des Kerns 56 passiert die Kante 76.
- 4. Bereich: Der zweite (mittlere) Schenkel 62 passiert die Kante 76.
- 5. Bereich: Der zweite Zwischenraum passiert die Kante 76.
- 6. Bereich: Der dritte Schenkel 72 passiert die Kante 76.
- 7. Bereich: Der Sensor 54 ist vollständig innerhalb des Informationsbereichs 28.
- 8. Bereich: Der erste Schenkel 74 passiert die gegenüberliegende Kante 80 des Feldes.
- 9. Bereich: Der erste Zwischenraum passiert die gegenüberliegende Kante 80.
- 10. Bereich: Der zweite (mittlere) Schenkel 62 passiert die gegenüberliegende Kante 80.
- 11. Bereich: Der zweite Zwischenraum passiert die gegenüberliegende Kante 80.
- 12. Bereich: Der dritte Schenkel 72 passiert die gegenüberliegende Kante 80.
- 13. Bereich: Der Sensor 54 ist (wieder) vollständig außerhalb des Informationsbereichs 28.
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Der Beginn eines Ereignisses wird dabei von dem Knick am linken Rand des jeweiligen Bereichs markiert, das Ende vom Knick am rechten Rand. So beginnt beispielsweise der Eintritt des ersten Schenkels 74 in das bearbeitete Feld (Informationsbereich 28) mit dem Knick am linken Rand von Bereich 2, nach 5 mm Verfahrweg. Innerhalb des Bereiches 2 wandert der Schenkel des Kerns 56 immer weiter über die Kante, bis er bei dem Knick am rechten Rand, bei etwa 7,5 mm, zur Gänze innerhalb des Feldes ist.
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15 zeigt den Grundaufbau eines einfachen Sensors 54 zur Pegelmessung. Der Sensor 54 hat einen etwa C-förmigen Kern 56 mit einer Erregerspule 58 und einer Messspule 60. Die Erregerspule 58 umgreift dabei den linken Schenkel 72 und die Messspule 60 den rechten Schenkel 74 des Kerns 56. Die die beiden Schenkel 72, 74 verbindende Basis 66 trägt keine Wicklung.
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Dieser Sensor 54 ist wiederum in den Lesekopf 34 gemäß 4 mit dem zweiteiligen Gehäuse 46 eingesetzt, so dass er gemäß der Darstellung in den 16 bis 20 in Anlage an dem Bauteil A gehalten werden kann.
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Der Sensor 54 wird ebenfalls mit der Messkette gemäß 3 betrieben.
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Die Erregerspule 58 wird, wie bei der zuvor beschriebenen Messung, mit einer hochfrequenten sinusförmigen Wechselspannung angeregt. Dadurch entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das durch die Schenkel 72, 74 des Kerns 56 fließt. Das Wechselfeld induziert wiederum in der Messspule 60 eine Spannung. Die Spannung ist das Ausgangssignal des Sensors 54 und wird mit einem Voltmeter als RMS-Wert erfasst.
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Im Ausgangszustand (Position 0, 16) sind alle Schenkel 72, 74 des C-Kerns 56 außerhalb des Informationsbereiches 28. In Abhängigkeit der Erregungsparameter stellt sich eine bestimmte Ausgangsspannung ein.
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Befindet sich ein Schenkel 74 auf dem Informationsbereich 28 mit höherer Permeabilität (Position 1, 17), verringert sich der magnetische Widerstand und die Ausgangsspannung steigt.
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Wenn sich beide Schenkel 72, 74 auf dem Informationsbereich 28 befinden (Position 2, 18) ist der magnetische Widerstand noch geringer und die Ausgangsspannung nimmt weiter zu.
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Sobald sich der erste Schenkel 74 wieder außerhalb des Informationsbereiches 28 befindet (Position 3, 19), nimmt der magnetische Widerstand wieder zu und die Ausgangsspannung fällt ab.
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Sobald sich beide Schenkel 72, 74 wieder außerhalb des Informationsbereiches 28 befinden (Position 4, 20), stellen sich der magnetische Widerstand und damit die Ausgangsspannung wie zu Beginn in Position 0 ein.
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21 zeigt den typischen Verlauf von Messkurven bei der vorbeschriebenen Pegelmessung mittels des C-förmigen Kerns 56. Dabei sind drei Messkurven abgebildet, wobei die untenliegende Messkurve eine Einmalbearbeitung des Informationsbereiches 28 durch Umformen darstellt. Die beiden darüber liegenden Kurven zeigen eine Mehrfachbearbeitung (zweifach, dreifach).
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Aus diesem Kurvenverlauf lässt sich eindeutig ableiten, dass die Martensitbildung durch eine Mehrfachbearbeitung gefördert wird und somit die Intensität der Bearbeitung auch Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des Werkstoffes nimmt. Somit steht neben einer zweidimensionalen Codierung auch eine weitere Ebene zur Informationsspeicherung zur Verfügung.
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Aus 20 ergibt sich des Weiteren, dass bei der Pegelmessung mit C-Kern 56 eine deutliche Unterscheidung der Probefelder (Informationsbereich 28) in der Mitte (Messpunkt 2) möglich ist. Der RMS-Pegel ist außerhalb der Felder (Informationsbereich 28) bei allen Proben identisch. Es kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob sich der Sensor innerhalb eines bearbeiteten Feldes befindet und wenn ja, in welchem Feld er ist.
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Der Kantenübergang (Messpunkt 1 und 3) ist zwar erkennbar, aber weniger stark ausgeprägt. Die Messwerte an den Kanten 76, 80 unterscheiden sich weniger als 3% von dem Messwert in der Mitte des Feldes. Schwankungen in dieser Größenordnung sind auch innerhalb des bearbeiteten Feldes zu erwarten. Eine zuverlässige Aussage über die Position der Kante 76, 80 ist daher nur bei ausgesprochen gleichmäßiger Bearbeitung und daraus resultierenden homogenen magnetischen Eigenschaften möglich.
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Zur Verwertung der Technologie ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, wie unter anderem die Informationsspeicherung an Werkstoffoberflächen. Betrachtet man die Möglichkeit, Informationen mechanisch speichern zu können, so kann in weiterer Folge ein in 22 schematisch dargestelltes Schließsystem 81 entworfen werden, welches als Schlüssel 82 einen durch Umformen bearbeiteten Probenkörper (Bauteil) besitzt. Ähnlich einem Binärcode wird dann eine Codierung 88 auf den Schlüssel 82 mechanisch aufgebracht und diese in einem weiteren Schritt ausgelesen bzw. visualisiert.
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Wie vorstehend ausgeführt, ist beispielsweise der Schlüssel 82, d.h. derjenige Teil des Schlüssels 82, an dem üblicherweise der Bart 86 ausgebildet ist, zumindest abschnittsweise aus einem metastabilen austenitischen Material hergestellt oder mit einem derartigen Material beschichtet. Dieser Informationsbereich 28 wird dann in der vorbeschriebenen Weise durch Umformen, vorzugsweise mittels eines Oberflächenhammers 1 bearbeitet, so dass eine verformungsinduzierte Martensitbildung mit einer damit einhergehenden Änderung der Permeabilität bewirkt wird. Derjenige Teil eines Schlosses 84, in den der Bart 86 eingeführt wird, ist mit einem Lesekopf 34 ausgeführt, der beispielsweise nach der vorbeschriebenen Bauart ausgebildet ist. Über diesen Lesekopf 34 kann die Änderung der Permeabilität und damit die Codierung 88 des Schlüssels 82 ausgelesen werden. Über den Lesekopf 34 wird das Schließsystem 81 nur dann entsperrt, wenn die ausgelesene Codierung 88 der abgelegten Codierung entspricht.
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In 22 sind dabei zwei Varianten dargestellt. In der Mitte ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Änderung der magnetischen Permeabilität mit einer einheitlichen Bearbeitungsintensität erfolgt. Das heißt, die Markierung/Codierung/Information wird örtlich mit jeweils gleicher Bearbeitungsintensität aufgebracht. Dementsprechend ist dann die Markierung als Binärcode ausgebildet.
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Bei der in 22 unten dargestellten Variante erfolgt die Ausbildung der Markierung/Codierung/Information mit unterschiedlichen Bearbeitungsintensitäten (siehe 21). Durch die unterschiedliche Bearbeitungsintensität wird sozusagen eine „dritte Dimension“ zur Markierung/Codierung/Informationsspeicherung/-übertragung geschaffen, die dann bei entsprechend ausgelegtem Lesekopf 34, wie in 22 unten angedeutet, ausgelesen werden kann, so dass die Sicherheit des Schließsystems gegenüber der mittig dargestellten Lösung weiter verbessert ist. Selbstverständlich lässt sich dieses Konzept auch auf die sonstigen, vorstehend erläuterten Anwendungen übertragen.
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Offenbart sind ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil und ein Messsystem, bei denen ein Informationsbereich des Bauteils durch Umformen codiert/gemarkert ist.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Bauteil
- 1
- Oberflächenhammer
- 2
- Hartmetalleinsatz
- 4
- Hammerkopf
- 6
- Linearaktor
- 8
- Hohlschaftkegel (HSK)
- 9
- Werkzeugaufnahme
- 10
- Leistungselektronik
- 12
- Gehäuse
- 14
- Stator
- 16
- Spule
- 18
- Läufer
- 20
- Festkörperlager
- 22
- Festkörperlager
- 24
- Wegmesssystem
- 26
- Messsystem
- 28
- Informationsbereich
- 30
- Halterung
- 32
- Rundtisch/Maschinentisch
- 34
- Lesekopf
- 36
- HSK
- 38
- Spindel
- 40
- Signalgenerator
- 42
- Messkarte
- 44
- Auswerteeinheit
- 46
- Gehäuse
- 48
- Außengehäuse
- 49
- Schaft
- 50
- Innengehäuse
- 52
- Feder
- 54
- Sensor
- 56
- Kern
- 58
- Erregerspule
- 60
- Messspule
- 62
- mittlerer Schenkel
- 64
- Messleitung
- 66
- Basis
- 70
- Erregerleitung
- 72
- außen liegender Schenkel
- 74
- außen liegender Schenkel
- 76
- Kante
- 80
- Kante
- 81
- Schließsystem
- 82
- Schlüssel
- 84
- Schloss
- 86
- Bart
- 88
- Codierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10248142 B3 [0006]
- JP 04259385 A [0007]
- GB 2312595 A [0008]
- WO 2018/103528 A1 [0008]
- DE 102017127021 [0036, 0048]
