DE102019005651B4 - Vorrichtung zur Erfassung von Messwerten einer Beschichtung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (10) zur Erfassung von Messwerten einer Beschichtung (3) auf einem Bauteil (1) mittels aktiver Thermografie, mit einem Signalgenerator (11), welcher mit einer Signalquelle (12) gekoppelt ist, mit einem Infrarotsensor (17), welcher über ein zeitliches Triggersignal mit dem Signalgenerator (11) und/oder der Signalquelle (12) gekoppelt ist, und mit einem dichroitischen Spiegel (14), welcher ein Signal der Signalquelle zu dem Bauteil (1) mit der Beschichtung (3) und ein Antwortsignal in Form von Infrarot-Strahlung von dem Bauteil (1) mit der Beschichtung (3) zu dem Infrarotsensor (17) lenkt, wobei zwischen dem Bauteil (1) mit der Beschichtung (3) und dem dichroitischen Spiegel (14) ein Umlenkspiegel (15) angeordnet ist,
wobei
der Umlenkspiegel (15) aus Aluminium ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Umlenkspiegel (15) eine Oberflächenbeschichtung aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Messwerten einer Beschichtung auf einem Bauteil mittels aktiver Thermografie, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
• Die Beschichtung von Oberflächen eines Substrats, beispielsweise von aktivierten bzw. aufgerauten Oberflächen mittels thermischer Beschichtungsverfahren, ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die Oberflächen werden zur Verbesserung der Schichthaftung typischerweise aktiviert, was beispielsweise durch ein mechanisches, abrasives oder chemisches Aufrauen erfolgen kann. Anschließend wird die Beschichtung aufgetragen, beispielsweise über thermische Beschichtungsverfahren, wie insbesondere das Lichtbogendrahtspritzen (LDS).
• Ein typisches, nicht jedoch einschränkendes Beispiel, kann hier das thermische Beschichten eines Aluminiumsubstrats mit einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung sein. Solche Beschichtungen finden beispielsweise auf den Zylinderlaufbahnen in Motorblöcken aus Aluminiumlegierungen Anwendung. Die Zylinderoberfläche wird aktiviert und anschließend, beispielsweise über LDS mit der eisen-kohlenstoffhaltigen Legierung beschichtet. Die Beschichtung dient einerseits als Schutzschicht zur Verminderung des Verschleißes und andererseits zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften eines in dem Zylinder auf der Schicht gleitenden Kolbens.
• Für die Qualitätssicherung und Beurteilung der Prozesssicherheit sind nun verschiedene Parameter interessant. Ein ganz entscheidender Parameter ist dabei die Schichtdicke. Diese sollte nach Möglichkeit zerstörungsfrei erfasst werden, um so einfach und effizient Messergebnisse erreichen zu können, vorzugsweise auch innerhalb des Herstellungsprozesses einer solchen Beschichtung.
• Ein Verfahren zum Ermitteln der Beschichtungsdicke, insbesondere einer Zylinderlaufbahn, ist aus der gattungsgemäßen DE 10 2016 014 967 A1 bekannt. Das dort beschriebene Verfahren bedient sich dabei der aktiven Thermografie, insbesondere der optisch angeregten Infrarot-Lock-in-Thermografie. Dabei wird über den Eintrag eines Signals, insbesondere über einen Laser, Energie in das beschichtete Bauteil eingetragen und die Oberflächentemperatur desselben ausgewertet. Dies kann vorzugsweise über eine Infrarotkamera erfolgen, welche über ein zeitliches Triggersignal mit dem Signalgenerator gekoppelt ist, sodass eine Phasenverschiebung der Oberflächentemperatur gegenüber der thermischen Anregung erfasst wird. Dieser Wert lässt sich dann zur Erfassung der Beschichtungsdicke einsetzen, wobei die Beschichtungsdicke sich aus den Materialeigenschaften und damit letztlich der Materialmenge der Beschichtung je ausgewerteter Fläche als eine Art mittlere Materialdicke ergibt. Um mit diesem Verfahren nun beschichtete Bauteile prüfen zu können, welche, wie es beispielsweise die Zylinderbohrungen eines Motorblocks sind, keine unmittelbare Zugänglichkeit von außen aufweisen, kann ferner ein Umlenkspiegel eingesetzt werden, um beispielsweise aus der Axialrichtung der Zylinderbohrung heraus die beschichtete Mantelfläche des Zylinders zu untersuchen.
• Die genannte Schrift gibt dabei außer dem Hinweis auf den Umlenkspiegel als solchen keine weiteren Informationen zu diesem Umlenkspiegel her. In der Praxis hat sich gezeigt, dass der Einsatz eines Umlenkspiegels außerordentlich schwierig ist, da hier nicht lediglich Amplituden erfasst werden müssen, sondern eine Phasenverschiebung. Nimmt der Umlenkspiegel selbst Einfluss auf diese Phasenverschiebung, entstehen verfälschte Messwerte, sodass über das Verfahren keine zuverlässige Erfassung der gewünschten Werte mehr möglich ist. In der Praxis ist dies ein gravierender Nachteil, sodass bisher auf den Einsatz des in der gattungsgemäßen Schrift genannten Umlenkspiegels verzichtet worden ist.
• In der Fachzeitschrift NDT&E International 42 (2009) 275-282: A. Vageswar, K. Balasubramaniam, C.V. Krishnamurthy, T. Jayakumar, B. Raj: „Periscope infrared thermography for local wall thinning in tubes" sind Alu-Spiegel mit polierter Oberfläche auf S. 278, linke Spalte, zweiter Absatz, offenbart.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, welche einen Umlenkspiegel umfasst, welcher die Messung an schwer zugänglichen Stellen erlaubt.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
• Die Vorrichtung zur Erfassung von Messwerten einer Beschichtung auf einem Bauteil ist im Wesentlichen wie die Vorrichtung, welche im gattungsgemäßen Stand der Technik beschrieben ist, aufgebaut und umfasst ferner den im gattungsgemäßen Stand der Technik ebenfalls erwähnten Umlenkspiegel, wobei selbstverständlich auch mehrere derartige Umlenkspiegel eingesetzt werden können. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass dieser wenigstens eine Umlenkspiegel aus Aluminium ausgebildet ist. Den Erfindern hat sich gezeigt, dass mit einem Umlenkspiegel aus Aluminium mit geglätteter Oberfläche die durchaus nicht triviale Aufgabe der gezielten Umlenkung sowohl des Signals für die Anregung als auch der dazu phasenverschobenen Infrarotantwort erfolgen kann, ohne dass eine Verfälschung der Messwerte auftritt. Bei einem Aufbau mit und ohne Umlenkspiegel aus Aluminium im Strahlengang ergeben sich so die identischen Messwerte.
• Damit ist durch den Einsatz eines Umlenkspiegels aus Aluminium ein Aufbau realisierbar, welcher die Erfassung von Messwerten über die aktive Thermografie an schwer zugänglichen Stellen ermöglicht. Insbesondere für die Erfassung der Beschichtungseigenschaften der Beschichtung von Zylinderbohrungen in einem Motorblock ist dies ein ganz entscheidender Vorteil, da der Motorblock zerstörungsfrei bezüglich der Eigenschaften seiner Beschichtung vermessen werden kann. Aus diesen Eigenschaften lassen sich dann beispielsweise, wie in der gattungsgemäßen Schrift genannt, die Beschichtungsdicke ermitteln. Über das Verfahren lassen sich auch andere Parameter ermitteln, wie beispielsweise die Schichthaftung und weitere Eigenschaften zum Schichtaufbau, wie es zwischenzeitlich ebenfalls bekannt geworden ist.
• Erfindungsgemäß weist der Umlenkspiegel außerdem eine Oberflächenbeschichtung auf. Eine
  solche Oberflächenbeschichtung kann gegenüber dem reinen Aufbau aus Aluminium die Reflexionseigenschaften nochmals verbessern, ohne die Messwerte zu verändern, sodass hierdurch eine noch bessere Qualität bei der Messung erzielt werden kann.
• Eine außerordentlich günstige Weiterbildung hiervon sieht es vor, dass die Oberflächenbeschichtung ein Edelmetall aufweist. Die Oberflächenbeschichtung kann also mit einem Edelmetall ausgeführt sein. Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung sieht die Verwendung von Silber oder noch bevorzugter die Verwendung von Gold als Oberflächenbeschichtung auf dem Spiegel aus Aluminium vor. In der Praxis hat sich gezeigt, dass eine solche Beschichtung eines Aluminiumspiegels mit Gold zu den besten Messergebnissen führt, da einerseits keinerlei Verfälschung gegenüber einer Messung ohne den Umlenkspiegel auftritt und andererseits eine hohe Reflektivität sowohl des Signals als auch der Infrarotrückantwort zu erreichen ist.
• Als aktive Thermografie kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee die optisch angeregte Lock-in-Thermografie zum Einsatz kommen, welche gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Laser als Signalgenerator arbeitet.
• Weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können es ferner vorsehen, dass ein optisches System und/oder Lichtleiter zwischen der Signalquelle, also vorzugsweise dem Laser, und dem dichromatischen Spiegel angeordnet sind. Ebenso kann ein optisches System und/oder ein Filter zwischen dem dichromatischen Spiegel und dem Infrarotsensor, welcher vorzugsweise als Kamera ausgebildet sein kann, vorgesehen werden.
• Ein weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht es vor, dass der Umlenkspiegel an der Aluminiumoberfläche poliert ausgebildet ist. Er kann also als polierter und dann beschichteter Aluminiumspiegel realisiert sein, um besonders gute Reflektionseigenschaften zu erreichen.
• Die Erfindung lässt sich nicht ausschließlich, jedoch bevorzugt dazu einsetzen, um Messwerte einer Beschichtung zu erfassen, welche als Lauffläche mittels thermischer Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise LDS, auf die Wandung von Zylinderbohrungen in Motorblöcken aufgetragen worden ist. Besonders bei diesem Aufbau ist es von Vorteil, wenn die vergleichsweise große Vorrichtung außerhalb der Zylinderbohrung bleiben kann, während über den erfindungsgemäßen Umlenkspiegel die innerhalb der Zylinderbohrung angeordnete Beschichtung entsprechend vermessen wird.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
• Die einzige beigefügte Figur zeigt eine schematische Darstellung der gesamten Vorrichtung und eines beispielhaften beschichteten Bauteils.
• Die schematische Darstellung in der 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Durchführen eines Verfahrens zum zerstörungsfreien Erfassen von Messwerten einer Beschichtung 3 auf einer Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine. Als zu prüfendes Bauteil ist dabei ein Ausschnitt aus einem Motorblock 1 der Brennkraftmaschine gezeigt, in welchem eine Zylinderbohrung 2 angedeutet ist. Die Mantelfläche dieser Zylinderbohrung 2 ist, typischerweise zumindest abschnittsweise, mit der hier stark überhöht dargestellten Beschichtung 3 versehen, deren Eigenschaften untersucht werden sollen.
• Um die Eigenschaften der Beschichtung 3 auf besonders einfache und somit zeit- und kostengünstige Weise sowie besonders prozesssicher ermitteln zu können, werden Eigenschaften der Beschichtung über Messwerte ermittelt, die mittels optisch angeregter Infrarot-Lock-in-Thermografie ermittelt werden. Die zugrundeliegende physikalische Theorie der optisch angeregten Infrarot-Lock-in-Thermografie ist dabei der sogenannte fotoakustische bzw. fotothermische Effekt. Um diese Art der aktiven Thermografie hier zu nutzen, umfasst die Vorrichtung 10 einen Signalgenerator 11, welcher eine entsprechende Modulation an einen Laser, beispielsweise einen Diodenlaser, als Signalquelle 12 weitergibt. Über eine mit 13 bezeichnete angedeutete Faseroptik, welche außerdem ein optisches System, beispielsweise ein Linsensystem mit umfassen kann, gelangt das Signal, also der - hier strichpunktiert angedeutete - Laserstrahl, zu einem dichroitischen Spiegel 14. Der dichroitische Spiegel 14 lenkt das Signal dann zu einem Umlenkspiegel 15, welcher vorzugsweise aus Aluminium mit einer Goldbeschichtung besteht. Alternativ kann auch eine Silberbeschichtung eingesetzt werden, wobei die besten Messergebnisse mit dem beispielhaft angesprochenen Aufbau des Aluminiumspiegels mit Goldbeschichtung erzielt worden sind.
• Dieser Umlenkspiegel 15 lenkt das Signal dann auf die Beschichtung 3, wodurch sich in der Folge ein Wärmestrom von der Oberfläche in die Tiefe der Beschichtung 3 ausbildet. Aufgrund ihrer Anregung über den Laserstrahl als Signal strahlt die Beschichtung 3 nun ihrerseits elektromagnetische Strahlung, insbesondere Wärme- bzw. Infrarotstrahlung ab, welche sich von der Wärme- bzw. Infrarotstrahlung der Beschichtung 3 im nicht durch das Signal angeregten Zustand unterscheidet. Die von der Beschichtung 3 infolge der thermischen Anregung abgegebene Strahlung ist somit ein Antwortsignal auf die Anregung durch das Signal in Form des Laserstrahls.
• Dieses Antwortsignal, welches in der Darstellung der Figur gestrichelt dargestellt ist, gelangt nun zurück zu dem Umlenkspiegel 15 und wird von diesem zu dem dichroitischen Spiegel 14 gelenkt, welcher sich vorzugsweise außerhalb der Zylinderbohrung 2 des Motorblocks 1 in der Vorrichtung 10 befindet. Das Antwortsignal wird dann über den dichroitischen Spiegel und ein hier bespielhaft angedeutetes Linsen- und/oder Filtersystem 16 zu einem Infrarotsensor 17, insbesondere einer Infrarotkamera, weitergegeben. Die Infrarotkamera 17 und der Signalgenerator 11 stehen dabei über ein Trigger- bzw. Zeitsignal in Kommunikation miteinander, sodass nun eine Phasenverschiebung des Antwortsignals gegenüber dem Signal der Anregung, insbesondere also dem Laserstrahl, erfasst werden kann. Der Signalgenerator 11 sowie der Infrarotsensor 17 sind dafür mit einer Computersteuerung 18 verbunden, wobei diese Computersteuerung 18 mit dem Signalgenerator 11 ein Zeitsignal sowie die Ansteuerung des Signalgenerators verbindet, während sie von dem Infrarotsensor die Bilddaten übernimmt und diese entsprechend konfiguriert, um so die zeitlich einander zugeordnete Anregung mit der dazu verschobenen Antwort entsprechend auszuwerten. Aus dieser Auswertung kann dann auf die Eigenschaften der Beschichtung 3 geschlossen werden.
• Über den Einsatz eines Umlenkspiegels 15 aus Aluminium mit einer Oberflächenbeschichtung, insbesondere mit einer Edelmetallbeschichtung, beispielsweise aus Silber oder vorzugsweise aus Gold, ist es so erstmals möglich, auch an den unzugänglichen Bereichen innerhalb des Motorblocks 1, insbesondere also in den Zylinderbohrungen 2, mit der ansonsten relativ großen Vorrichtung 10 eine zerstörungsfreie Messung vorzunehmen, da durch den Umlenkspiegel 15 das Anregungssignal und das Antwortsignal quasi in die Zylinderbohrung 2 „hineingetragen“ werden kann.
• Die Auswertung der Messsignale ist dabei in keiner Art und Weise eingeschränkt. So kann über die Messsignale, beispielsweise wie es aus dem gattungsgemäßen Stand der Technik bekannt ist, die Schichtdicke ermittelt werden. Andere Größen, welche zum Teil in noch nicht vorveröffentlichten Anmeldungen der Anmelderin beschrieben sind, wie beispielsweise die Schichthaftung oder Ähnliches lässt sich hier ebenso erfassen. Der entscheidende Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass durch den Umlenkspiegel 15 aus Aluminium, vorzugsweise mit einer Goldbeschichtung, nun erstmals eine Messung auch innerhalb einer Zylinderbohrung 2 mittels der außerhalb positionierten für das Einbringen in die Zylinderbohrung 2 viel zu großen Vorrichtung 10 möglich wird, sodass im Produktions- und Entwicklungsprozess wertvolle Messergebnisse generiert werden können, ohne dass das vermessene Bauteil hierfür zerstört werden muss.

Claims (4)

1. Vorrichtung (10) zur Erfassung von Messwerten einer Beschichtung (3) auf einem Bauteil (1) mittels aktiver Thermografie, mit einem Signalgenerator (11), welcher mit einer Signalquelle (12) gekoppelt ist, mit einem Infrarotsensor (17), welcher über ein zeitliches Triggersignal mit dem Signalgenerator (11) und/oder der Signalquelle (12) gekoppelt ist, und mit einem dichroitischen Spiegel (14), welcher ein Signal der Signalquelle zu dem Bauteil (1) mit der Beschichtung (3) und ein Antwortsignal in Form von Infrarot-Strahlung von dem Bauteil (1) mit der Beschichtung (3) zu dem Infrarotsensor (17) lenkt, wobei zwischen dem Bauteil (1) mit der Beschichtung (3) und dem dichroitischen Spiegel (14) ein Umlenkspiegel (15) angeordnet ist, wobei der Umlenkspiegel (15) aus Aluminium ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (15) eine Oberflächenbeschichtung aufweist.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung ein Edelmetall aufweist.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetall Silber aufweist.
4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetall Gold aufweist.

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