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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen einer mittels eines Beschichtungsverfahrens auf ein Substrat aufgetragenen lamellar aufgebauten Schicht.
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Thermisch gespritzte Schichten, beispielsweise Zylinderlaufflächen, werden insbesondere durch beschichten einer Mantelfläche von Zylinderbohrungen mit einer Stahllegierung mittels Lichtbogendrahtspritzen hergestellt. Diese thermisch aufgespritzten Schichten sind unter bestimmten Bedingungen sehr korrosionsanfällig. Hohlräume in metallischen Schichten sind dabei gleichzeitig von Vor- und Nachteil, da ein offenporiges Netzwerk in der Schicht im motorischen Betrieb als Ölrückhaltevolumen dient und eine Schmierung des Motors und der Zylinder sicherstellt, gleichzeitig erhöht sich mit steigendem Hohlraumvolumen allerdings die aktive Oberfläche und bietet eine Angriffsfläche für korrosive Medien. Die Bewertung von Hohlräumen in thermisch gespritzten Schichten ist von großer Bedeutung für die Prozessentwicklung, da dadurch die Korrosionsbeständigkeit der Schichten beeinflusst werden kann.
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Hohlräume sind auch in generativen oder additiven Fertigungsverfahren für Leichtbauteile und individualisierten Bauteilen von Bedeutung. Dabei wirken sich Hohlräume in generativ oder additiv gefertigten Bauteilen auf die mechanischen Eigenschaften der Schichten aus.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung poröser Metallstrukturen durch thermisches Spritzen mit einem Metall und einem flüchtigen Material bekannt. Durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen, können metallische Schichten auf Substrate aufgebracht werden, die porös ausgebildet sind und Hohlräume aufweisen.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erlauben allerdings bisher weitgehend eine Untersuchung offener Poren an einer Oberfläche solcher metallischen Schichten oder alternativ das Anfertigen metallographischer Schliffe, was jedoch nur einen lokalen Einblick in das Materialsystem bietet und zudem eine zerstörende Prüfmethode darstellt. Bisherige Verfahren sind insbesondere insofern nachteilig, da sich diese auf die Erfassung einer Volumenporosität oder einer Porengrößenverteilung beschränken und werden häufig nur durch zweidimensionale Querschliffe abgeschätzt. Die Erfassung von dreidimensionalen Daten ist ebenfalls bekannt.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2016 006 562 A1 ist ein Verfahren zum Untersuchen einer mittels eines Beschichtungsverfahrens auf ein Substrat aufgetragenen metallischen Schicht bekannt. Das Verfahren umfasst ein Untersuchen der metallischen Schicht mit einem bildgebenden tomographischen Verfahren, ein Erhalten von tomographischen Daten der metallischen Schicht aus dem bildgebenden tomographischen Verfahren, und ein Bestimmen eines quantitativen Hohlraumanteils der lamellar aufgebauten Schicht aus den tomographischen Daten.
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Verfahren zur Beschreibung innerer Merkmale derartiger Schichten, insbesondere lamellar aufgebauter Schichten, sind noch nicht hinreichend genau, da diese insbesondere auf einen Anteil und einen Tiefenverlauf in der metallischen Schicht beschränkt sind. Dabei ist es von Interesse, den quantitativen Anteil, den diese Hohlräume am Volumen der Schicht einnehmen, zu kennen. Insbesondere sollen funktions- und produktionsrelevante Hohlräume in thermisch gespritzten, metallischen Beschichtungen charakterisiert und bewertet werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Untersuchen einer mittels eines Beschichtungsverfahrens auf ein Substrat aufgetragenen lamellar aufgebauten Schicht bereitzustellen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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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, in dem ein Verfahren zum Untersuchen einer mittels eines Beschichtungsverfahrens auf ein Substrat aufgetragenen lamellar aufgebauten Schicht bereitgestellt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Erzeugen von dreidimensionalen Bilddaten der lamellar aufgebauten Schicht mittels eines bildgebenden tomographischen Verfahrens, b) globales Segmentieren der lamellar aufgebauten Schicht in Abhängigkeit der dreidimensionalen Bilddaten und lokal-adaptives Segmentieren mit einer konstanten Fenstergröße, so dass eine segmentierte lamellar aufgebaute Schicht erhalten wird, c) Ermitteln von Hohlräumen in der lamellar aufgebauten Schicht, wobei Merkmale der Hohlräume bestimmt und klassifiziert werden, und d) qualitatives und/oder quantitatives Auswerten der Hohlräume der lamellar aufgebauten Schicht.
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Vorzugsweise werden im Rahmen des Verfahrens sowohl der quantitative Materialanteil als auch der quantitative Hohlraumanteil mithilfe einer Bildverarbeitungsmethode bestimmt.
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Vorzugsweise sind die Hohlräume vollständig oder zumindest teilweise räumlich voneinander getrennt und/oder miteinander räumlich verbunden.
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Vorzugsweise werden durch die Klassifizierung Merkmale bestimmt, die für die Auswertung der Hohlräume der lamellar aufgebauten Schicht relevant sind.
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Vorzugsweise wird aus dem bildgebenden tomographischen Verfahren mindestens ein Schnittbild der lamellar aufgebauten Schicht erhalten. Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von zueinander parallelen Schnittbildern in verschiedenen Abständen senkrecht zu einer Referenzfläche erhalten. Dies erlaubt insbesondere die Bestimmung von Porositätsgradienten und/oder eines Hohlraumtiefenverlaufs senkrecht zu der Referenzfläche. Es ist möglich, dass die zueinander parallelen Schnittbilder im Rahmen des bildgebenden tomographischen Verfahrens direkt gemessen oder aufgenommen werden. Alternativ ist es möglich, dass die zueinander parallelen Schnittbilder aus tomographischen Bilddaten berechnet werden.
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Unter einem Substrat wird insbesondere ein Werkstück verstanden, insbesondere ein beschichtetes Werkstück, bevorzugt eine Karosserie oder ein Karosseriebauteil.
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Unter einer Karosserie oder einem Karosseriebauteil versteht man insbesondere eine Karosserie oder ein Karosseriebauteil eines Fahrzeugs, bevorzugt eines Personenkraftwagens, Lastkraftwagens, Busses, Wohnmobils, Baufahrzeugs, Nutzfahrzeugs, oder auch Schienenfahrzeugs, Bootes, Schiffes oder Luftfahrzeugs.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die globale Segmentierung mit einem grauwertbasierten Verfahren nach Otsu durchgeführt.
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Vorzugsweise ist die lokal-adaptive Segmentierung ein grauwertbasiertes Verfahren.
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Die Bildverarbeitungsmethode umfasst bevorzugt die Hochpassfilterung, eine Qualitätsbewertung der Bilddaten, und/oder die Auswertung der Bilddaten.
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Das Verfahren zum Untersuchen einer mittels eines Beschichtungsverfahrens auf ein Substrat aufgetragenen lamellar aufgebauten Schicht weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Vorteilhafterweise werden die Hohlräume in der lamellar aufgebauten Schicht besonders genau quantitativ und/oder qualitativ erfasst. Vorteilhafterweise ist es möglich die Hohlräume der lamellar aufgebauten Schicht zerstörungsfrei, global und lokal, besonders genau zu bestimmen. Vorteilhafterweise werden Risiken für eine Korrosion der lamellar aufgebauten Schicht erkannt. Vorteilhafterweise ist das Verfahren schnell und zerstörungsfrei. Vorteilhafterweise wird eine Vielzahl innerer Merkmale der Hohlräume ausgewertet. Vorteilhafterweise werden Defekte in Hohlräumen erkannt. Vorteilhafterweise können die Fertigungsparameter mit Eigenschaften der Schicht, insbesondere der qualitativen und/oder quantitativen Hohlräume, korreliert werden. Vorteilhafterweise können die Fertigungsparameter bei Bedarf angepasst werden. Vorteilhafterweise wird die Korrosionsbeständigkeit bei metallischen Schichten und die mechanischen Eigenschaften bei 3D-gedruckten Schichten und Bauteilen verbessert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lamellar aufgebaute Schicht eine lamellare Beschichtung oder ein zumindest teilweise lamellar aufgebautes Werkstück ist, bevorzugt aus einem Metall oder einer metallischen Legierung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das bildgebende tomographische Verfahren eine Röntgen-Computertomographie ist. Vorzugsweise wird die Röntgen-Computertomographie auf metallische Schichten oder auf Schichten aus einem kohle- oder glasfaserverstärkten Kunststoff angewendet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lamellar aufgebaute Schicht eine thermisch gespritzte Schicht, insbesondere eine mittels Lichtbogendrahtspritzen hergestellte Zylinderlauffläche, oder eine 3D-gedruckte Schicht ist.
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Vorzugsweise wird eine durch thermisches Spritzen auf das Substrat aufgebrachte Schicht untersucht. Vorzugsweise wird eine durch Lichtbogendrahtspritzen auf das Substrat aufgebrachte Schicht untersucht. Solche Schichten weisen eine Porosität auf und eignen sich besonders für eine Bestimmung des quantitativen Hohlraumanteils und/oder des quantitativen Materialanteils mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren. Insbesondere mittels Lichtbogendrahtspritzen hergestellte Schichten werden bevorzugt auf ein aufgerautes Substrat aufgebracht. Die Aufrauhung kann dabei mittels eines beliebigen Energieeintrags hergestellt werden, beispielsweise mittels Hochdruckwasserstrahlen oder mechanischem Aufrauen. Die Bestimmung des quantitativen Materialanteils eignet sich in solchen Fällen auch zur Bewertung des Füllgrads dieser Aufrauhung, der mit der Haftung der aufgebrachten Schicht zusammenhängt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Merkmale in Schritt c) mittels Connected-Component-Labeling bestimmt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt a) die dreidimensionalen Bilddaten zusätzlich verarbeitet und/oder ausgewertet werden. Vorzugsweise wird der quantitative Anteil der Hohlräume der lamellar aufgebauten Schicht durch Anwenden einer Bildverarbeitungsmethode auf die dreidimensionalen Bilddaten bestimmt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der quantitative Anteil der Hohlräume der lamellar aufgebauten Schicht bestimmt wird.
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Vorzugsweise wird ein quantitativer Materialanteil der lamellar aufgebauten Schicht bestimmt. Dieser kann insbesondere eine komplementäre Information zu dem Hohlraumanteil der Schicht darstellen. Insbesondere ist der quantitative Materialanteil bevorzugt ein Maß dafür, welcher Teil des Volumens der lamellar aufgebauten Schicht durch Material derselben eingenommen wird. Der quantitative Materialanteil kann direkt aus den tomographischen Daten, insbesondere aus dem mindestens einen Schnittbild, und/oder aus dem quantitativen Hohlraumanteil bestimmt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Merkmale in Schritt c) nach einem Tiefenverlauf, einer Veränderung in Abhängigkeit der Position in der lamellar aufgebauten Schicht, einer Standardabweichung und/oder Extremwerten, insbesondere einer minimalen oder maximalen Merkmalsausprägung, klassifiziert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dreidimensionalen Bilddaten vor einer Auswertung in oder nach Schritt a) hochpassgefiltert werden. Dies ist günstig, da die auftretenden Hohlräume im Frequenzraum weit entfernt von etwaigen, in dem Verfahren auftretenden Artefakten, insbesondere Computertomographie-Artefakten, beispielweise einer Strahlaufhärtung, liegen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem weiteren Schritt e) die klassifizierten Merkmale mit Fertigungsparametern verglichen und korreliert werden, wobei die Fertigungsparameter in Abhängigkeit der ausgewerteten Hohlräume angepasst werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Untersuchen einer mittels eines Beschichtungsverfahrens auf ein Substrat aufgetragenen lamellar aufgebauten Schicht in einem Fließdiagramm.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Untersuchen einer mittels eines Beschichtungsverfahrens auf ein Substrat aufgetragenen lamellar aufgebauten Schicht in einem Fließdiagramm. Das Verfahren zum Untersuchen einer mittels eines Beschichtungsverfahrens auf ein Substrat aufgetragenen lamellar aufgebauten Schicht umfasst dabei mehrere Schritte. In Schritt a) werden dreidimensionale Bilddaten der lamellar aufgebauten Schicht mittels eines bildgebenden tomographischen Verfahrens erzeugt. In Schritt b) wird die lamellar aufgebaute Schicht in Abhängigkeit der dreidimensionalen Bilddaten global segmentiert und lokal-adaptiv mit einer konstanten Fenstergröße segmentiert, so dass eine segmentierte lamellar aufgebaute Schicht erhalten wird. Dabei kann mindestens ein Schnittbild der lamellar aufgebauten Schicht erhalten werden. In Schritt c) werden Hohlräume in der lamellar aufgebauten Schicht ermittelt, wobei Merkmale der Hohlräume bestimmt und klassifiziert werden. In Schritt d) werden die Hohlräume der lamellar aufgebauten Schicht qualitativ und/oder quantitativ ausgewertet.
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Durch das Verfahren werden die Hohlräume in der lamellar aufgebauten Schicht besonders genau quantitativ und/oder qualitativ erfasst. Es ist möglich, die Hohlräume der lamellar aufgebauten Schicht zerstörungsfrei, global und lokal, besonders genau zu bestimmen. Vorteilhafterweise werden Risiken für eine Korrosion der lamellar aufgebauten Schicht erkannt. Das Verfahren ist dabei schnell und zerstörungsfrei.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die lamellar aufgebaute Schicht eine lamellare Beschichtung oder ein zumindest teilweise lamellar aufgebautes Werkstück, bevorzugt aus einem Metall oder einer metallischen Legierung.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das bildgebende tomographische Verfahren eine Röntgen-Computertomographie.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die lamellar aufgebaute Schicht eine thermisch gespritzte Schicht, insbesondere eine mittels Lichtbogendrahtspritzen hergestellte Zylinderlauffläche, oder eine 3D-gedruckte Schicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Merkmale in Schritt c) mittels Connected-Component-Labeling bestimmt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden in Schritt a) die dreidimensionalen Bilddaten zusätzlich verarbeitet und/oder ausgewertet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der quantitative Anteil der Hohlräume der lamellar aufgebauten Schicht bestimmt. Insbesondere wird auch ein quantitativer Materialanteil der lamellar aufgebauten Schicht bestimmt, insbesondere aus den dreidimensionalen Bilddaten und/oder dem quantitativen Hohlraumanteil.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Merkmale in Schritt c) nach einem Tiefenverlauf, einer Veränderung in Abhängigkeit der Position in der lamellar aufgebauten Schicht, einer Standardabweichung und/oder Extremwerten klassifiziert.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die dreidimensionalen Bilddaten vor einer Auswertung in oder nach Schritt a) hochpassgefiltert.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden in einem weiteren Schritt e) die klassifizierten Merkmale mit Fertigungsparametern verglichen und korreliert, wobei die Fertigungsparameter in Abhängigkeit der ausgewerteten Hohlräume angepasst werden.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren eine präzise qualitative und/oder quantitative Untersuchung lamellar aufgebauter Schichten auf auftretende Hohlräume möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016006562 A1 [0006]
