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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schichtanalyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen mittels Thermografie, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens zur Analyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen mittels Thermografie.
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Die Schichtdicke einer Beschichtung kann durch Röntgen-Fluoreszens-Verfahren, β-Rückstreu-Verfahren, Ultraschall-Verfahren, kapazitive Verfahren, Wirbelstrom-Verfahren oder Magnetisch-Induktive Verfahren bestimmt werden. Thermografie wird bislang zur Haftungsprüfung von thermisch gespritzten Schichten verwendet. Bei der aktiven Thermografie wird eine Energieanregung der Oberfläche genutzt, um einen Wärmefluss in das Bauteil einzuleiten. Je nach Materialdicke oder Homogenität im Bauteil verändert sich dabei die Oberflächentemperatur, die mit einer Infrarotkamera gemessen wird. Bei der sogenannten thermischen Schichtprüfung wird zwischen der Abkühlungsthermografie nach einem Wärmeimpuls und der Aufwärmungsthermografie nach einem Aufheizen, beispielsweise mit einer Halogenlampe, unterschieden.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2016 125 590 A1 ist ein Verfahren zur thermischen Schichtdickenmessung bekannt, bei dem die zu überprüfende Beschichtung mittels einer Anregungstechnik aufgeheizt und die wieder abgestrahlte Wärmestrahlung mit einem Infrarotsensor berührungslos erfasst und hinsichtlich der Schichtdicke ausgewertet wird. Als Anregungstechnik wird eine Kombination von Abkühlungs- und Aufwärmungsthermografie eingesetzt, wobei beide Thermografien annähernd gleichzeitig initiiert werden.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2007 024 789 B3 ist ein Verfahren zum Erkennen von Fehlern an einer Schweißnaht während eines Laser-Schweißprozesses bekannt. Dabei wird Strahlung detektiert, die von einer sich an ein flüssiges Schmelzbad anschließenden, erstarrten Schmelze und/oder von dem flüssigen Schmelzbad emittiert wird, wobei mindestens ein Kennwert für die Wärmeabfuhr in der erstarrten Schmelze bestimmt wird und ein Fehler an der Schweißnaht durch Vergleichen des mindestens einen Kennwerts mit mindestens einem Referenzwert erkannt wird.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2014 212 246 B3 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung bekannt, wobei die Herstellung mittels mindestens eines generativen Fertigungsverfahrens erfolgt. Dabei wird das Bauteil schichtweise aufgebaut, und eine thermografische Aufnahme mindestens eines Bildes von jeder einzelnen aufgetragenen Schicht erfasst. Um eine zerstörungsfreie Rissprüfung eines metallischen Bauteils während des Herstellungsprozesses zu ermöglichen, werden zumindest einige der aufgetragenen Schichten vor der thermografischen Aufnahme des zugehörigen Bildes einer gesteuerten Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilmaterials unterzogen, wobei die Wärmebehandlung eine von der zuletzt aufgetragenen Schicht ausgehende Wärmestrahlung bewirkt, die beim Auftreten mindestens eines Risses in der Schicht einen charakteristischen Wärmeverlauf am Riss aufweist, wobei der Wärmeverlauf und damit der Riss mittels der zugehörigen thermografischen Aufnahme sichtbar gemacht wird.
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Für Lamellen-Beschichtungen besteht bislang jedoch keine Kurzzeitprüfmethode zur Analyse der Beschichtungsgüte. Etablierte Salzsprühtests benötigen Wochen bis zur Ergebnisanzeige, Wirbelstrom- oder Ultraschall-Messungen erlauben nur eine punktuelle Erfassung der betroffenen Oberfläche. Bei Massenschüttgütern, wie Schrauben oder Muttern, führt dies oftmals zur frühzeitigen Korrosion aufgrund beschädigter Beschichtungen, die mit diesen Messmethoden nicht identifiziert werden können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schichtanalyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen mittels Thermografie, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens bereitzustellen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten, und wobei insbesondere eine Qualitätsüberwachung der Lamellen-beschichteten Oberflächen ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Schichtanalyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen mittels Thermografie geschaffen wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass a) durch mindestens einen Sensor für Infrarotstrahlen eine Oberflächentemperatur der Lamellen-beschichteten Oberfläche eines definiert erwärmten Bauteils erfasst wird, wobei b) aus der erfassten Oberflächentemperatur der Lamellen-beschichteten Oberfläche ein Durchgangskoeffizient der Lamellen-beschichteten Oberfläche ermittelt wird, wobei c) der ermittelte Durchgangskoeffizient mit einem theoretischen Durchgangskoeffizienten einer unbeschädigten Lamellen-beschichteten Oberfläche verglichen und eine Abweichung ermittelt wird, und wobei d) ab einem bestimmten Schwellenwert der Abweichung des ermittelten Durchgangskoeffizienten von dem theoretischen Durchgangskoeffizienten eine Beschädigung der Lamellen-beschichteten Oberfläche erkannt wird, so dass die Qualität der Beschichtung bestimmt und/oder überprüft wird.
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Unter einer Thermografie wird insbesondere ein bildgebendes Verfahren zur Anzeige der Oberflächentemperatur von Objekten verstanden, wobei insbesondere die Intensität der Infrarotstrahlung, die von einem Objekt ausgeht, als Maß für dessen Temperatur gedeutet wird. Dabei wandelt eine Wärmebildkamera Infrarotstrahlung in elektrische Signale um, woraus in einem weiteren Schritt mittels einer Auswerteelektronik ein Bild erzeugt wird. Bei der passiven Thermografie wird dabei die durch die Umgebung oder einen Prozess bedingte Temperaturverteilung der Oberfläche erfasst. Bei der aktiven Thermografie wird das Bauteil thermisch angeregt, um einen Wärmefluss im Objekt zu erzeugen. Dabei können verborgene Strukturen, insbesondere Strukturfehler, ermittelt werden, die sich durch einen lokal veränderten Wärmefluss aufgrund abweichender Wärmeleitfähigkeit zeigen. Vorzugsweise weisen Bereiche mit zu geringer Schichtdicke einen besseren Wärmedurchgang auf. Vorzugsweise können defekte Bereiche durch einen größeren Wärmedurchgang ermittelt werden. Dadurch kann die Qualität der Lamellen-beschichteten Oberfläche zur Qualitätssicherung bewertet werden.
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Unter einem Durchgangskoeffizienten wird insbesondere ein Wärmedurchgangskoeffizient verstanden, der ein Maß für einen Wärmedurchgang durch einen Körper ist, insbesondere einen festen und/oder flüssigen Körper. Der Durchgangskoeffizienten ist insbesondere ein spezifischer Kennwert eines Bauteils, bevorzugt bestimmt durch die Wärmeleitfähigkeit und die Dicke des Bauteils und/oder dessen Wärmestrahlung und Konvektion an den Oberflächen.
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Unter einer Auswerteeinheit wird insbesondere eine Einheit verstanden, bevorzugt ein Steuergerät, die in Abhängigkeit der durch den mindestens einen Sensor für Infrarotstahlen erfassten Oberflächentemperatur der Lamellen-beschichteten Oberfläche eines Bauteils einen Durchgangskoeffizienten der Lamellen-beschichteten Oberfläche ermittelt und/oder den ermittelten Durchgangskoeffizienten mit einem theoretischen Durchgangskoeffizienten einer unbeschädigten Lamellen-beschichteten Oberfläche vergleicht und Abweichungen ermittelt. Vorzugsweise ermittelt die Auswerteeinheit in Abhängigkeit der Abweichung, insbesondere ab einem bestimmten Schwellenwert der Abweichung des ermittelten Durchgangskoeffizienten von dem theoretischen Durchgangskoeffizienten, eine Beschädigung der Lamellen-beschichteten Oberfläche, so dass die Qualität der Beschichtung bestimmt und/oder überprüft wird. Vorzugsweise ermittelt die Auswerteeinheit die Abweichung ortsabhängig, insbesondere werden Abweichungen in lokalen Bereichen der Oberfläche ermittelt, so dass die Qualität der Beschichtung ortsabhängig bestimmt und/oder überprüft wird.
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Unter einem Schwellenwert wird insbesondere ein Wert, bevorzugt ein Grenzwert, der Abweichung des ermittelten Durchgangskoeffizienten von dem theoretischen Durchgangskoeffizienten verstanden, unterhalb dieses Grenzwerts, bevorzugt bis einschließlich dieses Grenzwerts, keine Beschädigung der Lamellen-beschichteten Oberfläche erkannt wird, wobei oberhalb dieses Grenzwerts eine Beschädigung der Lamellen-beschichteten Oberfläche erkannt wird. Der Schwellenwert ist insbesondere Anwendungsspezifisch und ergibt sich bevorzugt in Abhängigkeit einer Schichtdicke und eines verwendeten Materials eines Bauteils und/oder der Lamellen-beschichteten Oberfläche.
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Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke einer Lamellen-Schicht 6 bis 25 µm, bevorzugt 6 bis 12 µm.
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Unter einem Bauteil wird insbesondere ein Teil eines Fahrzeugs verstanden, insbesondere ein Karosseriebauteil, bevorzugt ein beschichtetes Karosseriebauteil, und/oder ein Verbindungselement, insbesondere zum Verbinden weiterer Bauteile. Vorzugsweise ist das Bauteil ein Bauteil aus einem Metall oder einer metallartigen Legierung, insbesondere aus Aluminium, Magnesium, Eisen, insbesondere Stahl, und/oder Zink, oder Mischungen davon.
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Vorzugsweise werden die Oberflächentemperatur der Lamellen-beschichteten Oberfläche und/oder der ermittelte Durchgangskoeffizient der Lamellen-beschichteten Oberfläche ortsaufgelöst erfasst und/oder ermittelt.
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Vorzugsweise werden der Durchgangskoeffizient und/oder die Abweichung kontinuierlich ermittelt. Vorzugsweise werden der Durchgangskoeffizient und/oder die Abweichung in bestimmten Zeitabständen ermittelt, insbesondere in einem Zeitabstand von 10 ms, bevorzugt von 5 ms, bevorzugt von 2 ms, bevorzugt von 1 ms, bevorzugt von 0,1 ms, oder bevorzugt von 0,01 ms.
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Das Verfahren zur Schichtanalyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen mittels Thermografie weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Vorteilhafterweise wird eine Verbesserung der Qualitätsüberprüfung von Lamellen-beschichteten Oberflächen erreicht, insbesondere bei Schüttgütern. Vorteilhafterweise kann die Qualitätsüberprüfung in wesentlich kürzerer Zeit durchgeführt werden. Vorteilhafterweise ist die Qualitätsüberprüfung einer Vielzahl von Bauteilen gleichzeitig möglich, anstelle der Qualitätsüberprüfung von lediglich ausgewählten Prüflingen. Vorteilhafterweise ist die Ermittlung von auftretenden Beschädigungen ortsaufgelöst möglich. Vorteilhafterweise wird die Qualität der Beschichtung flächig, insbesondere über weitgehend den gesamten Bereich der Beschichtung, ermittelt, insbesondere werden punktuelle, also in lokalen Bereichen vorhandene Unterschiede ermittelt. Vorteilhafterweise ist die Qualitätsüberprüfung auch tieferer Strukturen der Lamellen-beschichteten Oberfläche möglich. Vorteilhafterweise ist eine Qualitätsüberprüfung der Lamellen-Beschichtung nach der Herstellung der Beschichtung möglich, insbesondere zerstörungsfrei. Vorteilhafterweise ist die Qualitätsüberprüfung jeder einzelnen Lamellen-Schicht möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lamellen-beschichtete Oberfläche Zink-, Magnesium-, und/oder Aluminium, oder Legierungen davon aufweist. Vorzugsweise besteht die Lamellen-beschichtete Oberfläche Zink-, Magnesium-, und/oder Aluminium, insbesondere aus Zink.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass aus der erfassten Oberflächentemperatur der Lamellen-beschichteten Oberfläche eine Wärmetransmission ermittelt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschädigung ein Riss, eine Schlagstelle, eine Unter- oder Überbeschichtung, und/oder ein Hohlraum ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Sensor für Infrarotstrahlen eine Infrarot-Kamera, ein CCD-Sensor, ein CMOS-Sensor, und/oder ein sCMOS-Sensor ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberflächentemperatur nach der Beschichtung der Oberfläche ermittelt wird. Dadurch kann insbesondere die Qualität der Lamellen-beschichteten Oberfläche nach der Herstellung der Lamellen-beschichteten Oberfläche bestimmt und/oder überprüft werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein lokaler Bereich der Lamellen-beschichteten Oberfläche, der zur Verbesserung der Qualität der Lamellen-beschichteten Oberfläche nachbehandelt werden muss, identifiziert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberflächentemperatur, insbesondere ein Verlauf der Oberflächentemperatur, während eines Abkühlens der Lamellen-beschichteten Oberfläche ermittelt wird.
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Vorzugsweise wird ein zeitlicher Verlauf des ermittelten Durchgangskoeffizienten und/oder ein zeitlicher Verlauf einer Abweichung des ermittelten Durchgangskoeffizienten von einem theoretischen Durchgangskoeffizienten erfasst.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Durchgangskoeffizient ortsabhängig an der Lamellen-beschichteten Oberfläche ermittelt wird, wobei ein qualitativ schlechterer lokaler Bereich der Lamellen-beschichteten Oberfläche einen größeren Durchgangskoeffizienten aufweist.
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Vorzugsweise ist das Verfahren ein Verfahren zur Schichtanalyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen von Schüttgütern, insbesondere Schrauben oder Muttern.
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Vorzugsweise wird zur Schichtanalyse der Lamellen-beschichteten Oberfläche das Bauteil zusätzlich zur Wärmebehandlung bei der Herstellung der Lamellen-beschichteten Oberfläche keiner weiteren Wärmebehandlung unterzogen.
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Vorzugsweise wird die Erwärmung der Lamellen-beschichteten Bauteile beim Herstellen, insbesondere bei einem Einbrennen, der Beschichtung durch die dabei entstehende Eigenwärme der Bauteile genutzt, um diese mittels Thermografie zu analysieren.
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Vorzugsweise wird bei einer erkannten Beschädigung der Lamellen-beschichteten Oberfläche ein erneutes Beschichten des beschädigten Bauteils mit mindestens einer weiteren Lamellen-Schicht durchgeführt.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Analyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen mittels Thermografie bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für die Vorrichtung insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren zur Schichtanalyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen mittels Thermografie erläutert wurden. Die Vorrichtung weist insbesondere eine Thermografieeinheit mit mindestens einem Sensor für Infrarotstrahlen zur Ermittlung einer Oberflächentemperatur einer Lamellen-beschichteten Oberfläche, und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung eines Durchgangskoeffizienten in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur auf.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung mindestens eine Energiequelle auf, mittels derer eine Wärmebehandlung der Lamellen-beschichteten Oberfläche durchgeführt wird.
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Vorzugsweise wird die Oberflächentemperatur des Bauteils berührungslos mittels Infrarot-Strahlen erfasst.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein Fließdiagramm mit den Verfahrensschritten zum Durchführen eines Verfahrens zur Schichtanalyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen mittels Thermografie.
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Die einzige Figur zeigt ein Fließdiagramm mit den Verfahrensschritten zum Durchführen des Verfahrens zur Schichtanalyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen mittels Thermografie. In dem Verfahren wird a) durch mindestens einen Sensor für Infrarotstrahlen eine Oberflächentemperatur der Lamellen-beschichteten Oberfläche eines definiert erwärmten Bauteils erfasst, b) aus der erfassten Oberflächentemperatur der Lamellen-beschichteten Oberfläche ein Durchgangskoeffizient der Lamellen-beschichteten Oberfläche ermittelt, c) der ermittelte Durchgangskoeffizient mit einem theoretischen Durchgangskoeffizienten einer unbeschädigten Lamellen-beschichteten Oberfläche verglichen und eine Abweichung ermittelt, und d) ab einem bestimmten Schwellenwert der Abweichung des ermittelten Durchgangskoeffizienten von dem theoretischen Durchgangskoeffizienten eine Beschädigung der Lamellen-beschichteten Oberfläche erkannt, so dass die Qualität der Beschichtung bestimmt und/oder überprüft wird.
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Dadurch wird eine Verbesserung der Qualitätsüberprüfung von Lamellen-beschichteten Oberflächen erreicht, insbesondere bei Schüttgütern. Die Qualitätsüberprüfung ist in wesentlich kürzerer Zeit und für eine Vielzahl an Bauteilen gleichzeitig möglich. Dadurch wird insbesondere die Qualität der Beschichtung flächig, insbesondere über weitgehend den gesamten Bereich der Beschichtung, ermittelt, insbesondere werden punktuelle, also in lokalen Bereichen vorhandene Unterschiede ermittelt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Lamellen-beschichtete Oberfläche Zink-, Magnesium-, und/oder Aluminium auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird aus der erfassten Oberflächentemperatur der Lamellen-beschichteten Oberfläche eine Wärmetransmission ermittelt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschädigung ein Riss, eine Schlagstelle, eine Unter- oder Überbeschichtung, und/oder ein Hohlraum.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Sensor für Infrarotstrahlen eine Infrarot-Kamera, ein CCD-Sensor, ein CMOS-Sensor, und/oder ein sCMOS-Sensor.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberflächentemperatur während der Beschichtung der Oberfläche und/oder nach der Beschichtung der Oberfläche ermittelt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein lokaler Bereich der Lamellen-beschichteten Oberfläche, der zur Verbesserung der Qualität der Lamellen-beschichteten Oberfläche nachbehandelt werden muss, identifiziert.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberflächentemperatur, insbesondere ein Verlauf der Oberflächentemperatur, während eines Abkühlens der Lamellen-beschichteten Oberfläche ermittelt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Durchgangskoeffizient ortsabhängig an der Lamellen-beschichteten Oberfläche ermittelt, wobei ein qualitativ schlechterer lokaler Bereich der lamellen-beschichteten Oberfläche einen größeren Durchgangskoeffizienten aufweist.
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Die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zur Analyse von Lamellen-beschichteten Oberflächen mittels Thermografie weist eine Thermografieeinheit mit mindestens einem Sensor für Infrarotstrahlen zur Ermittlung einer Oberflächentemperatur einer Lamellen-beschichteten Oberfläche, und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung eines Durchgangskoeffizienten in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur auf.
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Die Lamellen-Beschichtung, insbesondere die Zink-Lamellen-Beschichtung dient insbesondere dem Korrosionsschutz des beschichteten Bauteils und kann aus einer Vielzahl von lamellenförmig angeordneten Schichten gebildet sein. Die Lamellen-Schichten können durch weitere Schichten, beispielsweise Lacke, geschützt werden, um beispielsweise eine Chemikalienbeständigkeit und/oder bessere Verschraubungseigenschaften zu erhalten.
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In Abhängigkeit des Bauteils können die Lamellen-Schichten auf verschiedene Art und Weise auf das Bauteil aufgetragen werden. Zur Herstellung von Schüttware, beispielweise Schrauben oder Muttern, können die Lamellen-Beschichtungen im Tauch-Schleuderverfahren oder mittels Spritzverfahren aufgebracht werden, mittels Trocknung eingebrannt und dann zum Erhalten mehrerer Schichten in einem zweiten oder weiteren Durchgang nochmals beschichtet werden. Die Einbrenntemperatur der Lamellen-Schichten liegt insbesondere bei 180 bis 310 °C.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Analyse der Lamellen-beschichteten Oberfläche unmittelbar nach dem Auftragen der Lamellen-Schicht, insbesondere unmittelbar nach dem Einbrennprozess der letzten Lamellen-Schicht.
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Im Falle von Schüttware ist eine Vereinzelung der noch warmen Bauteile mittels serienüblicher Vereinzelungsprozesse und eine einzelne Vorbeiführung an dem Infrarotsensor möglich. Gegebenenfalls vorhandene Beschädigungen, beispielsweise Schlagstellen, Unter- und/oder Überbeschichtung, können aufgrund der andersartigen Barriere-Wirkung und der damit verbundenen Wärmetransmission mittels des Infrarotsensors identifiziert und zur Qualitätsbewertung der Lamellen-Beschichtung eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016125590 A1 [0003]
- DE 102007024789 B3 [0004]
- DE 102014212246 B3 [0005]
