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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils, ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils und ein Herstellungsverfahren einer auf einer Kante von Bauteilen basierenden Maske für eine zerstörungsfreie Prüfung eines der Bauteile, und insbesondere für eine Wirbelstromprüfung.
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STAND DER TECHNIK
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Prüfverfahren, wie beispielsweise Wirbelstromprüfung, Ultraschallprüfung und Durchstrahlprüfung sind in der zerstörungsfreien Materialprüfung bekannt und können wichtige Informationen über die Beschaffenheit, insbesondere Zusammensetzung, Fehler und/oder Aufbau eines Bauteils oder Werkstücks vermitteln. Zum Erhalt dieser Informationen werden dabei physikalische Effekte ausgenutzt, bei denen das Bauteil oder Werkstück nicht beschädigt wird.
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Die Wirbelstromprüfung stellt ein gängiges Verfahren zur Rissprüfung von elektrisch leitfähigen Materialien dar. Dieses Verfahren eignet sich aufgrund seiner Schnelligkeit hervorragend für automatisierte Prüfprozesse. Bei einer Serienprüfung können Bauteile in einem vorgegebenen Bereich automatisiert gescannt werden.
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Bei der Wirbelstromprüfung wird durch Zuführen eines sinusförmigen Wechselstroms an eine Sendespule ein elektromagnetisches Wechselfeld durch die Spule erzeugt. Dieses elektromagnetische Wechselfeld dringt als Erregersignal in ein zu prüfendes Bauteil (oder Werkstück) ein und erzeugt nach dem Induktionsgesetz Wirbelströme im Bauteil. Diese Wirbelströme erzeugen wiederum ein weiteres elektromagnetisches Wechselfeld, das als Antwortsignal mit einer Empfangsspule gemessen werden kann, indem es durch die Empfangsspule in einen elektrischen Wechselstrom umgewandelt wird. Zur Minimisierung der Prüfvorrichtung kann hierbei bevorzugt die Sendespule und Empfangsspule um einen Ferritkern gewickelt werden, was auch als Messsonde bezeichnet wird. Herkömmlich werden Erregersignale zur sinusförmigen elektromagnetischen Erregung mit Hilfe von analogen Schaltungen oder mit Signalgeneratoren erzeugt.
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Das gemessene Antwortsignal kann dazu verwendet werden, um die Beschaffenheit des Bauteils zu untersuchen. So können beispielsweise Verunreinigungen, Beschädigungen und Fehler in einem elektrisch leitfähigen Bauteil dadurch erkannt werden, dass sich die elektrische Leitfähigkeit oder die Permeabilität ändert. Genauer gesagt, kann das Antwortsignal zwei Kennwerte, nämlich den Betrag der Amplitude des empfangenen Signals und die Phasenlage des Antwortsignals bezogen auf das Erregersignal, als Messdaten liefern, die zu anderen Messungen verglichen werden können.
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Die Wirbelstromprüfung ist vielseitig industriell einsetzbar, beispielsweise bei einer Verwechslungsprüfung, in der die Amplitudenänderung und Phasenänderung erfasst wird, wie bei einer Rissprüfung, in der die Änderung der Leitfähigkeit erfasst wird und bei der Materialeigenschaftsprüfung, in der die Permeabilität oder die Leitfähigkeit des Bauteils bestimmt wird.
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Um das vollständige Bauteil bzw. dessen gesamte Oberfläche zu prüfen, wird normalerweise bei rotationssymmetrischen Bauteilen das zu prüfende Bauteil gedreht und die Messsonde über das rotierende Bauteil vom Stirnflächen-Mittelpunkt zur äußeren Kante der Stirnfläche linear geführt. Somit fährt die Messsonde eine spiralförmige Spur auf dem Bauteil ab um eine möglichst vollständige Prüfung der Oberfläche des Bauteils zu erzielen.
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Die
DE 101 61 973 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Wirbelstromprüfung eines linear verschobenen Prüflings (Werk-/Baustücks) wobei der Sensor eine Kreisbahn beschreibt, die parallel zur Oberfläche des Prüflings ist. Anhand eines Drehgebers zur Erfassung des Drehwinkels des Sensors, werden dem Sensor zwei voneinander getrennte Drehwinkelbereiche zugeordnet, innerhalb welcher der betreffende Sensor den Prüfling überstreicht und Signale des Sensors jeweils nur innerhalb der beiden ihm zugeordneten Drehwinkelbereiche ausgewertet werden.
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Die US 2013 / 0 009 632 A1 beschreibt einen Wirbelstrommesssensor und ein diesen Wirbelstrommesssensor nutzendes Prüfungsverfahren. Hierbei hat der Sensor einen Anregungsteil und einen Erkennungsteil. Der Anregungsteil umfasst einen primären Anregungsteil, der einen aus einem zylindrischen magnetischen Körper geformten Hauptkern und eine in Umfangsrichtung um den Hauptkern gewickelte Hauptwicklung umfasst, die eine Solenoid-Wicklung ist, und eine Vielzahl sekundärer Anregungsteile, die aus zylindrisch magnetisch Körpern geformte Nebenkerne umfassen, die um den primären Anregungsteil so angeordnet sind, dass eine Achsenrichtung jedes Nebenkerns der Achsenrichtung des Hauptkerns gleicht.
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Die US 2008 / 0 159 619 A1 beschreibt eine Mehrfrequenz-Bildverarbeitung zur Untersuchung von Werkstücken/Bauteilen mit komplexen geometrischen Formen. Das Verfahren umfasst das Sammeln von Daten durch Mehrfrequenzwirbelstromsignalen und nutzt Phasenanalyse um die Mehrfrequenzdaten zu kombinieren. Hiermit wird der Signal-Rausch-Abstand des zu untersuchenden Rohbildes verbessert, bevor durch räumlich-temporales Filtern mittels Korrelation mit den Frequenzkomponenten der Wirbelstromsignale Signale von (versteckten) Brüchen oder Fehlern im Werkstück/Bauteil herausgesondert werden.
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TECHNISCHES PROBLEM
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Jedoch kann nach herkömmlichen Prüfverfahren nur ein Bauteil in der Prüfvorrichtung geprüft werden. Um nämlich mehrere Bauteile nacheinander zu prüfen, müsste die Messsonde über Kanten der Bauteile geführt werden, was zu einem Antwortsignal führt, das als Fehlersignal detektiert würde. Dieser sogenannte Kanteneffekt wir bei herkömmlichen Prüfverfahren vermieden, indem das Prüfungsverfahren erst nach Positionierung der Messsonde über dem Bauteil begonnen wird. Das Problem, dass Bauteilkanten grundsätzlich zu Störsignalen führen, führt auch dazu, dass komplexe geometrische Figuren nicht vollflächig geprüft werden können.
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Dies führt zu einem aufwändigen Teilehandling, da jedes Bauteil angetrieben/rotiert werden muss und speziell bei einem Antrieb mittels Rollenprisma kann nicht gewährleistet werden, dass sich das Bauteil sicher dreht, wodurch der Durchsatz gering ist. Ferner gibt es starke Geschwindigkeitsänderung unter der Messsonde beim Verfahren vom Mittelpunkt zur Außenkante.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Prüfvorrichtung und Verfahren bereitzustellen, mit denen trotz Eintritt des Kanteneffekts die Prüfung eines oder mehrerer Bauteile nacheinander durchgeführt werden kann.
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LÖSUNG DES TECHNISCHEN PROBLEMS
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Der Gegenstand der unabhängigen Ansprüche löst das technische Problem, während die abhängigen Ansprüche weitere Ausführungsformen verkörpern.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils eine Sendeeinheit, die ausgebildet ist das zu prüfende Bauteil mit einem periodischen Erregungssignal zu erregen, eine Empfangseinheit, die ausgebildet ist ein durch Erregung des Bauteils erzeugtes Antwortsignal zu empfangen und auf dem Antwortsignal basierende Messdaten auszugeben und eine Führeinheit, die ausgebildet ist die Empfangseinheit über das Bauteil zu führen, sowie eine Analyseeinheit, die ausgebildet ist mit den ausgegebenen Messdaten und einer auf einer Kante des Bauteils basierenden Maske die Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils zu analysieren. Die Führeinheit führt die Empfangseinheit für die Prüfung so über das Bauteil, dass sie über die Kante des Bauteils fährt, und die Analyseeinheit zieht die Messdaten, die außerhalb eines Bereichs der Maske fallen zur Analyse des Bauteils heran, um eine Änderung der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils außerhalb des Bereichs der Maske festzustellen. Somit können Kanteneffekte bei der Prüfung auf Fehlstellen leicht verringert bzw. herausgerechnet werden, sodass eine empfindliche und verlässliche Fehlerdetektion realisiert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils folgende Schritte: einen Erregungsschritt, in dem das zu prüfende Bauteil mit einem periodischen Erregungssignal erregt wird; einen Messschritt, in dem ein durch Erregung des Bauteils erzeugtes Antwortsignal gemessen und daraus Messdaten erzeugt werden; und einen Analyseschritt, in dem mit den erzeugten Messdaten und einer auf einer Kante des Bauteils basierenden Maske die Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils analysiert wird. Im Messschritt wird eine für die Prüfung eingesetzt Messvorrichtung über die Kante des Bauteils geführt wird, und im Analyseschritt werden die Messdaten, die außerhalb eines Bereichs der Maske fallen, zur Analyse des Bauteils herangezogen, um eine Änderung der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils außerhalb des Bereichs der Maske festzustellen. Somit können Kanteneffekt bei der Prüfung auf Fehlstellen leicht verringert bzw. herausgerechnet werden, sodass eine empfindliche und verlässliche Fehlerdetektion realisiert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Herstellungsverfahren einer auf Kanten von Bauteilen basierenden Maske für eine zerstörungsfreie Prüfung mindestens eines der Bauteile folgende Schritte: einen Erregungsschritt, in dem die Bauteile mit einem periodischen Erregungssignal erregt werden; einen Messschritt, in dem ein durch Erregung der Bauteile erzeugtes Antwortsignal an Messpunkten des jeweiligen Bauteils gemessen wird, wodurch Messdaten für die Messpunkte erhalten werden zum Feststellen einer Änderung in einer Oberflächenbeschaffenheit für jedes der Bauteile; einen Kombinierschritt, in dem die Messdaten der Änderungen entsprechend der Messpunkte der jeweiligen Bauteile kombiniert werden; und einen Bestimmungsschritt, in dem ein Bereich der Maske, der auf den Kanten der Bauteile basiert, bestimmt wird, der mindestens einem Messpunkt entspricht, bei dem die kombinierten Messdaten einen Schwellenwert überschreiten. Beim Messschritt wird eine für die Herstellung eingesetzte Messvorrichtung über die Kante des jeweiligen Bauteils geführt. Mit Hilfe dieser Maske können Kanteneffekt bei der Prüfung auf Fehlstellen leicht verringert bzw. herausgerechnet werden, sodass eine empfindliche und verlässliche Fehlerdetektion realisiert werden kann.
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Figurenliste
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- 1 stellt die Hauptkomponenten der Prüfvorrichtung der vorliegenden Erfindung dar.
- 2 stellt eine schematische Anordnung der Prüfvorrichtung während der Prüfung eines Bauteils dar.
- 3A bis 3C stellen Ausführungsformen der Bahnen für das Prüfen mit der Prüfvorrichtung dar.
- 4 stellt die Schritte des Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils dar.
- 5 stellt die Schritte des Herstellungsverfahrens einer auf Kanten von Bauteilen basierenden Maske für eine zerstörungsfreie Prüfung eines der Bauteile dar.
- 6 stellt eine schematische Anordnung zur Maskenherstellung und Prüfung mehrerer Bauteile dar.
- 7A bis 7D stellen Masken mit auf Kanten von Bauteilen basierenden Bereichen dar.
- 8A bis 8E stellen beispielhafte Messungen zur Herstellung der auf Kanten basierenden Maske und Prüfung von Bauteilen dar.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Es werden im Folgenden eine Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Bauteilprüfung sowie ein Herstellungsverfahren beschrieben. Hierbei wird das zu prüfende Bauteil von einer Sendeeinheit erregt und ein von einer Empfangseinheit empfangenes Antwortsignal als Messdaten ausgegeben. Diese Messdaten werden von einer Analyseeinheit, unter Nutzung einer auf einer Kante des Bauteils basierenden Maske herangezogen, um die Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils zu analysieren. Hierbei wird die Empfangseinheit und/oder Sendeeinheit von einer Führeinheit über die Kante des Bauteils geführt und nur die Messdaten, die außerhalb eines Bereichs der Maske fallen, werden zur Analyse herangezogen, um eine Änderung der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils festzustellen. Somit können Bauteile mit hoher Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit trotz Kanteneffekts geprüft werden.
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Die folgenden Ausführungsformen werden vor allem mit Bezug auf Wirbelstromprüfverfahren beschrieben. Der Fachmann erkennt jedoch, dass die meisten Aspekte sich genauso auf Ultraschallverfahren übertragen lassen. Insbesondere Wirbelstromprüfsonden sind handgefertigte Sensoren, deren erfasstes Magnetfeld durch Materialeinflüsse des verwendeten Materials und Montageungenauigkeiten variiert. Deshalb kann das erfasste Feld nicht oder nur sehr aufwändig berechnet werden. Es entsteht meistens ein verzerrtes Abbild der realen Geometrie des Bauteils. Daher ergibt sich die Herausforderung, diese Verzerrung, die die Messsonden, d.h. hier Wirbelstromsonden, in Verbindung mit den nachgeschalteten Filtern erzeugen, in der Berechnung der Kanten-Ausblendemaske mit zu berücksichtigen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform stellt 1 die Hauptkomponenten der Prüfvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung dar. Diese Prüfvorrichtung 100 zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils 200, umfasst eine Sendeeinheit 110, eine Empfangseinheit 120, eine Führeinheit 130 und eine Analyseeinheit 140. Wenn für die Prüfung ein Wirbelstrom- oder Bestrahlungsverfahren verwendet wird, ist die Prüfung nicht nur zerstörungsfrei, sondern auch berührungslos. Für die weitere Beschreibung der Prüfvorrichtung 100 wird zusätzlich auf die Bezugszeichen in 2 verwiesen.
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Die Sendeeinheit 110 ist ausgebildet, das zu prüfende Bauteil 200 mit einem periodischen Erregungssignal zu erregen. Das Erregungssignal kann anhand eines Sinus-, Dreieck oder Rechtecksignals eine oder mehrere Frequenzen aufweisen und anhand der wiederholenden Amplitudenschwingungen periodisch sein. Hierbei ist das Erregungssignal bei beispielsweise einem Wirbelstromverfahren ein schwingendes elektromagnetisches Signal, das physikalische Effekte wie die Induktion zur Bauteilprüfung ausnutzt, wodurch das Bauteil 200 nicht beschädigt wird. Bei einem Ultraschallverfahren würde dementsprechend ein schwingendes akustisches Signal/Welle in das Bauteil 200 gesendet.
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Die Empfangseinheit 120 ist ausgebildet, ein durch Erregung des Bauteils 200 erzeugtes Antwortsignal zu empfangen und auf dem Antwortsignal basierende Messdaten auszugeben. Das Antwortsignal ist bei einem Wirbelstromverfahren beispielsweise ein elektromagnetischer Fluss, der durch den im Bauteil erregten Strom erzeugt wird. Der elektromagnetische Fluss kann beispielsweise in einer Empfangsspule einen Strom induzieren, der anhand eines Widerstands als Spannung gemessen werden kann. Bei einem Ultraschallverfahren ist das Antwortsignal beispielsweise eine Reflexion des Erregungssignals von einer Oberfläche im Bauteil 200. Bei beiden Verfahren entspricht der Betrag der Spannung der Stärke des durch Erregung des Bauteils erzeugten Antwortsignals und eine Änderung des Betrags kann somit auf beispielsweise eine Materialänderung des Bauteils 200 hinweisen. Eine Änderung kann aber auch auf das Überfahren einer Kante 210 des Bauteils 200 hinweisen. Der Betrag des Stroms kann als analoges oder, nach Konvertierung mittels Analog-zu-Digital (A/D) Wandler, als digitales Signal ausgegeben werden und ist demnach ein Beispiel der auf dem Antwortsignal basierenden Messdaten. Messdaten können beispielsweise die Amplitude und ggf. Phasenlage des Antwortsignals umfassen und, wie später beschrieben, sich auch auf Messpunkte des Bauteils 200 beziehen. Beispielsweise entsprechen die Messdaten örtlichen (x-/y-) Zuordnungen von Amplituden von demodulierten und gefilterten Antwortsignalen der Wirbelströme.
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Die Führeinheit 130 ist ausgebildet die Empfangseinheit 120 über das Bauteil 200 zu führen. Die Führeinheit führt hierbei mindestens die Empfangseinheit, da eine großflächige Erregung des Bauteils auch durch eine statische Sendeeinheit 110 bereitgestellt werden kann. Alternativ können auch Sendeeinheit 110 und Empfangseinheit 120 zusammen, als integrierte Messsonde, von der Führeinheit 130 über das Bauteil geführt werden. Dies ermöglicht eine gezieltere und somit genauere Abtastung des Bauteils, da nur kleinere, zu prüfende Flächenbereiche erregt werden.
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Die Analyseeinheit 140 ist ausgebildet mit den ausgegebenen Messdaten und einer auf einer Kante 210 des Bauteils 200 basierenden Maske die Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils 200 zu analysieren. Beispiele von Masken 410, 420, 430, 440 (im Folgenden mit „410, ... 440“ abgekürzt) sind in 7A bis 7D gezeigt. Bei der Analyse der Oberflächenbeschaffenheit können entweder alle Messdaten von der Empfangseinheit 120 ausgegeben werden oder bestimmte Messdaten werden entsprechend einem auf der Maske 410, ... 440 basierendem Auswahlkriterium bereits von der Empfangseinheit 120 ausgefiltert. Bei diesem zweiten Fall würde die Datenübertragung zwischen Empfangseinheit 120 und Analyseeinheit 140 reduziert. Die Analyseeinheit kann beispielsweise durch einen entsprechend programmtechnisch eingerichteten bzw. speziell konfigurierte Chip oder Mikroprozessor realisiert werden.
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Bei einem Wirbelstromverfahren bezieht sich die Oberflächenbeschaffenheit auf eine Beschaffenheit des Materials des Bauteils 200 auf eine Tiefe von beispielsweise 0,1 mm was in einer bevorzugten Prüfungstiefe von 0 bis 0,2 mm liegt.
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Des Weiteren ist die Führeinheit 130 ausgebildet, die Empfangseinheit 120 für die Prüfung so über das Bauteil 200 zu führen, dass sie über die Kante 210 des Bauteils fährt. Schließlich kann nur somit ein Bauteil 200 abschließend geprüft werden, was es ermöglicht ein weiteres Bauteil 200 zu prüfen.
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Des Weiteren zieht die Analyseeinheit 140 die Messdaten, die außerhalb eines Bereichs 411, 421, 431, 441 (im Folgenden mit „411, ... 441“ abgekürzt) der Maske 410, ... 440 fallen zur Analyse des Bauteils heran, um eine Änderung der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils 200 außerhalb des Bereichs 411, ... 441 der Maske 410, ... 440 festzustellen. Somit kann die Analyseeinheit 140 beispielsweise zur Detektion von Fehlern, Materialänderungen oder Verunreinigungen, die zu einer Änderung der Oberflächenbeschaffenheit führen, die auf dem Kanteneffekt beruhenden Messdaten außer Acht lassen. Das bedeutet, dass das Bauteil 200 abschließend geprüft werden kann und die Prüfung eines weiteres Bauteils 200 kann automatisch begonnen werden ohne händische Justierung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Maske 410, ... 440 durch eine Simulation, einen Lernvorgang oder/und ein Toleranzband hergestellt werden. Ein Herstellungsverfahren der Maske mittels Lernvorgang wird in einem späteren Abschnitt ausführlich beschrieben. Eine Simulation kann im Vergleich zu einem auf mehreren Bauteilen 200 beruhenden Lernvorgang den in der Maske 410, ... 440 definierten Bereich 411, ... 441 schneller und mit mehreren perfekten (simulierten) Bauteilen bestimmen. Falls die Geometrie des Bauteils 200 es erlaubt, kann auch ein einfaches Toleranzband um die Kante 210 des Bauteils 200 als der Bereich 411, ... 441 der Maske 410, ... 440 definiert werden. Dies erspart sowohl den Lern- oder Simulationsaufwand, kann jedoch im Idealfall zu vergleichbaren Prüfungsergebnissen führen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Führeinheit 130 so ausgebildet sein, die Empfangseinheit 120 in einer geschlossenen Bahn 300 über das Bauteil 200 zu führen. Beispiele dieser Bahn 300 werden hierbei in einer bestimmten Richtung R1 von der Empfangseinheit 120 (und Sendeeinheit 110) abgefahren, indem sie von der Führeinheit 130 in einem Kreis geführt wird. Eine Kreisbahn 300 würde einheitliche Kräfte auf die Empfangseinheit 120 (und Sendeeinheit 110) wirken lassen, was die Auswahl, der für die Prüfvorrichtung 100 benötigten Komponenten und die Konstruktion derselben erleichtert.
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Wie in 3A gezeigt, kann eine Bahn 310 auch im Wesentlichen aus zwei geraden Abschnitten mit einer gewissen Länge 312 bestehen, die durch einen Abstand 311 voneinander getrennt sind. Wenn das zu prüfende Bauteil 200 unter dieser Bahn liegt, erlaubt die lineare Abtastung eine vereinfachte Zuordnung der Messdaten.
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Wie in 3B gezeigt, kann eine Bahn 320 sich selbst kreuzen, um somit einen Bereich von eine gewissen Breite 323 und Höhe 324 abzutasten, wobei die geraden Abschnitte durch Abstände 321 bzw. 322 voneinander getrennt sind. Wenn die zwei sich kreuzenden Abschnitte dieser Bahn 320 (gekennzeichnet durch zwei gerade Linien mit Pfeilspitzen) auch zur Abtastung des Bauteils herangezogen werden und diese im Wesentlichen rechtwinklig zueinanderstehen, kann die Wahrscheinlichkeit einen Fehler zu übersehen reduziert werden. Ein aus einem senkrechten Riss bestehender Fehler würde eher von einer horizontal verlaufenden Bahn detektiert werden und ein aus einem horizontalen Riss bestehender Fehler würde eher von einer senkrecht verlaufenden Bahn detektiert werden. Da die Bahn 320 zwei im Wesentlichen zwei senkrecht zueinanderstehende Bahnabschnitte oder Linien aufweist, wird somit die Wahrscheinlichkeit der Fehlerdetektion erhöht.
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Wie in 3C gezeigt, kann die Bahn 330 auch eine Ellipse sein, sodass wobei die Länge 312 und Breite 311 denen der in 3A gezeigten Bahn entspricht. Jedoch kann bei einer elliptischen Bahn 330 einfacher zwischen einer Kreisbahn und einer Bahn mit lineareren Abschnitten umgeschaltet werden, was eine dynamische Bahnkorrektur ermöglicht.
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Des Weiteren kann die Prüfvorrichtung 100 eine Bauteil-Haltevorrichtung umfassen, wobei die Bauteil-Haltevorrichtung und/oder Führeinheit ausgebildet sind, das Bauteil (200) relativ zur Bahn (300) zu verschieben. Hierbei wird, wie in 2 gezeigt, das Bauteil 200 in eine Richtung R2 verschoben, die im Wesentlichen quer zu mindestens einem Teil der Bahn 300, die die Empfangseinheit 120 (und Sendeeinheit 110) abfährt, steht. Somit kann die komplette Oberfläche des Bauteils 200 mit derselben Bahn 300 abgetastet oder gescannt werden. Die (nicht gezeigte) Bauteil-Haltevorrichtung kann ein Förderband oder -rahmen sein, der ein oder mehrere Bauteile 200 linear oder kreisförmig relativ zur Bahn 300 verschiebt. Bei einer kreisförmigen Bahn kann beispielsweise die Ergebnissicherheit der Prüfung erhöht werden, indem die Prüfung derselben Bauteile 200 fortläuft, während bei einer linearen Bahn die Bauteile 200 in ihre Ausgansposition zurückgesetzt werden müssen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Sendeeinheit 110 und Empfangseinheit 120 eine Wirbelstromsonde sein. Hierbei können beispielsweise Spulen für Sendeeinheit 110 und Empfangseinheit 120 um denselben Ferritkern gewickelt sein. Dies reduziert die Größe der Wirbelstromsonde, erhöht jedoch ihre Messgenauigkeit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Führeinheit 130 ausgebildet sein, die Empfangseinheit 120 und/oder Sendeeinheit 110 in einem Abstand von höchstens 0,3 mm, vorzugsweise 0,1 mm oder 0,2 mm über eine Oberfläche des Bauteils 200 zu führen und die Messdaten können eine Auflösung von höchstens 5 mm Durchmesser pro Messpunkt aufweisen. Somit ist der Messpunkt, an dem das Antwortsignal erfasst wurde, genauer bestimmbar und somit ist auch die Quelle der Messdaten präzise bestimmbar. Die Position eines Fehlers kann somit genauer beim fehlerhaften Bauteil 200 bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Führeinheit 130 so ausgebildet sein, die Empfangseinheit 120 (und Sendeeinheit 110) die Bahn 300 bis einschließlich beispielsweise 6000 Mal pro Minute abfahren zu lassen. Bei der bevorzugten kreisförmigen Bahn 300 entspricht dies 6000 Umdrehungen pro Minute was die Geschwindigkeit, mit der ein Bauteil 200 geprüft werden kann, erhöht.
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Wie in 4 gezeigt, umfasst ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Bauteils 200, einen Erregungsschritt S11, einen Messschritt S12 und einen Analyseschritt S13. Die Beschreibung ähnlicher Bezugszeichen und Ausdrücke, wie sie zur Beschreibung der Prüfvorrichtung 100 verwendet wurden, wird im Folgenden zur Beschreibung des Prüfverfahren nicht wiederholt.
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Der Erregungsschritt S11 ist ein Verfahrensschritt, in dem das zu prüfende Bauteil 200 mit einem periodischen Erregungssignal erregt wird. Für die Erregung des Bauteils 200 kann hierbei die Sendeeinheit 110 der Prüfvorrichtung 100 genutzt werden.
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Der Messschritt S12 ist ein Verfahrensschritt, in dem ein durch Erregung des Bauteils 200 erzeugtes Antwortsignal gemessen und daraus Messdaten erzeugt werden. Das Antwortsignal kann von beispielsweise der Empfangseinheit 120 empfangen und gemessen werden. Wie vorstehend beschrieben weist eine Änderung im Antwortsignal auf eine Änderung bzw. einen möglichen Fehler oder eine Kante 210 des Bauteils 200 hin.
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Der Analyseschritt S13 ist ein Verfahrensschritt, in dem mit den erzeugten Messdaten und einer auf einer Kante 210 des Bauteils 200 basierenden Maske 410, ... 440 die Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils 200 analysiert wird. Die Analyseeinheit 140 der vorstehend beschriebenen Prüfvorrichtung 100 kann diesen Analyseschritt S13 ausführen.
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Hierbei wird beim Messschritt S12 eine für die Prüfung eingesetzt Messvorrichtung über die Kante 210 des Bauteils 200 geführt. Diese Messvorrichtung kann wie vorstehend beschriebene die Empfangseinheit 120 sein und das Führen dieser Messvorrichtung kann durch die Führeinheit 130 der Prüfvorrichtung 100 umgesetzt werden. Somit kann die Prüfvorrichtung 100 das beschriebene Prüfverfahren ausführen.
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Des Weiteren werden nur Messdaten, die außerhalb eines Bereichs 411, ... 441 der Maske 410, ... 440 fallen zur Analyse des Bauteils 200 herangezogen, um eine Änderung der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils 200 außerhalb des Bereichs 411, ... 441 der Maske 410, ... 440 festzustellen. Somit können beispielsweise zur Detektion von Fehlern, Materialänderungen oder Verunreinigungen die auf dem Kanteneffekt beruhenden Messdaten außer Acht gelassen werden. Das bedeutet, dass das Bauteil 200 abschließend geprüft werden kann und die Prüfung eines weiteres Bauteils 200 kann aufgenommen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zur Herstellung der Maske 410, ... 440 eine Simulation, ein Lernvorgang oder/und ein Toleranzband benutzt werden. Ein Herstellungsverfahren der Maske mittels Lernvorgang wird in einem späteren Abschnitt ausführlich beschrieben und wie eine Maske 410, ... 440 anhand einer Simulation oder eines Toleranzbandes hergestellt werden kann, wurde in einem vorstehenden Abschnitt bereits beschrieben.
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Wie in 5 gezeigt umfasst ein Herstellungsverfahren einer auf Kanten 210 von Bauteilen basierenden Maske 410, ... 440 für eine zerstörungsfreie Prüfung eines der Bauteile 200, einen Erregungsschritt S21, einen Messschritt S22, einen Kombinierschritt S23 und einen Bestimmungsschritt S24. Die Beschreibung ähnlicher Bezugszeichen und Ausdrücke, wie sie zur Beschreibung der Prüfvorrichtung 100 und des Prüfverfahrens verwendet wurden, wird im Folgenden zur Beschreibung des Herstellungsverfahrens nicht wiederholt. Allerdings wird im Folgenden auch auf die Bezugszeichen in 6 zur verbesserten Veranschaulichung des Herstellungsverfahrens verwiesen. Es ist auch erwähnenswert, dass das im Folgenden beschriebene Herstellungsverfahren der vorstehend erwähnte Lernvorgang ist. Anders als bei dem Prüfverfahren, bei dem die Maske bereits vorhanden ist und daher auch schon ein einziges Bauteil 200 mit oder ohne Fehler für die Prüfung benutzt werden kann, wird für das Herstellungsverfahren mindestens ein fehlerfreies Bauteil benötigt. Hierbei ist dann ein Bauteil 200 beispielsweise eine fehlerfreie Vorlage, und ein anderes ein später zu prüfendes Bauteil 200.
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Der Erregungsschritt S21 ist ein Verfahrensschritt, in dem die Bauteile 200 mit einem periodischen Erregungssignal erregt werden. Dieser Schritt ähnelt dem Erregungsschritt S11 des Prüfungsverfahrens und kann auch durch die Sendeeinheit 110 der Prüfvorrichtung 100 ausgeführt werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass zwei oder mehrere Bauteile 200, wie beispielsweise in 6 gezeigt, nacheinander oder gleichzeitig erregt werden müssen um die Maske 410, ... 440 herzustellen.
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Der Messschritt S22 ist ein Verfahrensschritt, in dem ein durch Erregung der Bauteile erzeugtes Antwortsignal an Messpunkten des jeweiligen Bauteils 200 gemessen wird, wodurch Messdaten für die Messpunkte erhalten werden zum Feststellen einer Änderung in einer Oberflächenbeschaffenheit für jedes der Bauteile 200. Dieser Schritt ähnelt dem Messschritt S12 des Prüfungsverfahrens und kann auch von der Empfangseinheit 120 der Prüfvorrichtung 100 ausgeführt werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass das durch den Erregungsschritt S21 verursachte und aus jedem Bauteil 200 ausgesendete Antwortsignal an einem oder mehreren Messpunkten eines jeden Bauteils 200 gemessen wird und die Positionen der Messpunkte verschiedener Bauteile 200 einen Abgleich und/oder eine Verarbeitung der den Bauteilen 200 entsprechenden Antwortsignalen ermöglicht. Messdaten können demnach beispielsweise die Amplitude und/oder Phasenlage des Antwortsignals, aber auch die Position des Messpunkts des Antwortsignals, auf dem die Messdaten beruhen, umfassen. Somit versteht man unter Messdaten beispielsweise auch die örtliche (x-/y-) Zuordnung von Antwortsignalen, also die Amplitude/Phasenlage des demodulierten und/oder gefilterten Antwortsignals an einem Messpunkt. Dies kann beispielsweise mit kartesischen Koordinaten oder bei runden Bauteilen mit Polarkoordinaten realisiert werden.
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8A zeigt beispielsweise die Messdaten (bzw. die Antwortsignale an ihren Messpunkten) von 23 Bauteilen 200, die vergleichbar mit der in 6 gezeigten Anordnung gemessen wurden. Die für 8A eingesetzte Vorrichtung umfasst hierbei 36 Plätze (nummeriert mit 30/5 bis 3530/4) für jeweils ein Bauteil, wobei nur 23 der Plätze mit Bauteilen 200 belegt sind. Insbesondere ist die Teileaufnahme in 8A mit zylindrischen Bauteilen bestückt, deren Kanten aufgrund von der Sondengeometrie und der Skalierung leicht verzerrt (oval) dargestellt sind, sodass in dieser Figur nicht die realen, eher kreisförmigen, Kanten gezeigt sind.
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Die zur Messung eingesetzte Messvorrichtung wurde in einer Kreisbahn 300 in einer Richtung R1 geführt und die Bauteile 200 in einer Richtung R2 relativ zur Kreisbahn 300 verschoben, sodass jedes Bauteil 200 vollständig abgetastet oder gescannt wird. Dieses vollständige Abtasten oder Scannen kann auch wiederholt werden, indem dasselbe Bauteil mehrmals unter der Empfangseinheit 120 und ggf. Sendeeinheit 110 durchrotiert wird, um die Statistik zu verbessern. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 8A nur die Messdaten entlang eines Bogenabschnitts gezeigt, die über der Bahn, auf der die Bauteile 200 geführt werden, liegen. 8B zeigt hierbei eine Vergrößerung eines Ausschnitts der 8A, in der die bogenförmigen Abschnitte der Kreisbahn 300, in der beispielsweise die Empfangseinheit 120 geführt wurde, deutlich erkennbar sind. In 8B sieht man die Änderung im Antwortsignal anhand der sich ändernden Farbe entlang des bogenförmigen Abschnittes. Die Änderung von Weiß auf Grau in den Abtastlinien zeigt die Kanteneffekte eines normalen Bauteils ohne Defekte.
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Da nicht alle Messdaten zur Herstellung der Maske relevant sind, können mit einem ersten Schwellenwert TH1 nicht relevante Änderungen der Antwortsignale an Messpunkten herausgefiltert werden (beispielsweise die weißen Abschnitte der Abtastlinien). Schließlich ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine kleine Änderung einem Fehlersignal entspricht und kein Rauschen ist klein. Sind Werte der Messdaten höher als dieser erste Schwellenwert TH1, haben sie eine Mindeständerung bzw. hat das Antwortsignal eine Mindestamplitude, die einer höheren Wahrscheinlichkeit eines Fehlers oder einer Kante entspricht. Somit kommt die Einsetzung des Schwellenwertes TH1 einem Herausfiltern von den Messdaten gleich, die nicht auf relevante Änderungen des Antwortsignals hinweisen.
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Der Kombinierschritt S23 ist ein Verfahrensschritt, in dem die Messdaten der Änderungen entsprechend der Messpunkte der jeweiligen Bauteile 200 kombiniert werden. Beispielsweise werden die Messdaten, die einem Messpunkt, der den Bauteilen 200 entspricht, miteinander kombiniert, um eine Verarbeitung zur Erzeugung der Maske 410, ... 440 durchzuführen. Das Kombinieren kann beispielsweise eine Berechnung eines Durchschnitts- oder Mittelwerts der Messdaten des jeweiligen Messpunkts sein oder ein Aufaddieren der Messdaten des jeweiligen Messpunkts sein. Wenn die Messdaten durch den ersten Schwellenwert TH1 bereits gefiltert wurden, kann auch das Kombinieren von Wahrscheinlichkeiten, die Messpunkten anhand der nicht herausgefilterten Messdaten zugewiesen wurden, auch eine Form des Kombinierens sein.
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Um die Messgenauigkeit der eingesetzten Messvorrichtung widerzuspiegeln, kann jeder Messpunkt in seiner Fläche erweitert werden und/oder jedem Messpunkt eine Wahrscheinlichkeitsverteilung als Gauss- oder Normalverteilung zugewiesen werden. Für die Zuweisung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung wird den Messpunkten, die nicht herausgefilterten Messdaten entsprechen, ein hoher Wahrscheinlichkeitswert zugewiesen und umliegenden Messpunkten, die herausgefilterten Messdaten entsprechen, wird ein geringerer Wahrscheinlichkeitswert zugewiesen, wobei der Wahrscheinlichkeitswert mit Abstand zu einem Messpunkt, der nicht herausgefilterten Messdaten entspricht, abnimmt. Somit wird den Messpunkten, bei denen die Fehlerwahrscheinlichkeit hoch ist auch ein hoher Wahrscheinlichkeitswert zugewiesen und mit zunehmendem Abstand oder Entfernung von diesen Messpunkten sinkt der Wahrscheinlichkeitswert.
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Obwohl handgefertigte Messsonden unterschiedliche Messeigenschaften aufweisen, kann anhand der Wahrscheinlichkeitszuweisung das Herstellungsverfahren als Lernvorgang für jede Messsonde eingesetzt werden. Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit weiter zu erhöhen, können der Messschritt S22 und Kombinierschritt S23 wiederholt ausgeführt werden, da die Wahrscheinlichkeit exakt dieselben Messpunkte abzutasten oder zu scannen sehr gering ist. Durch ein wiederholtes Messen und Kombinieren können somit mehrere leicht versetzte Messpunkte zur Herstellung der Maske herangezogen werden.
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Wenn nun diese Wahrscheinlichkeitswerte den Messpunkten der Bauteile 200 entsprechend kombiniert werden, ergibt sich eine Wahrscheinlichkeitsverteilung wie sie beispielsweise in 8C gezeigt ist. In 8C ist die Wahrscheinlichkeit in der Mitte des ringförmigen Bereichs höher (dunklerer Wert zwischen helleren Werten) als am inneren und äußeren Rand des ringförmigen Bereichs (die ringförmige Form basiert auf der entsprechenden kreisförmigen Form der zur Maskenherstellung genutzten Bauteile). Messpunkte mit hoher Wahrscheinlichkeit weisen somit auf in vielen Bauteilen 200 auftretende Fehlerquellen hin, beispielsweise einem wiederholten Messen einer Kante 210 der Bauteile 200 (wegen des Kanteneffekts).
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Der Bestimmungsschritt S25 ist ein Verfahrensschritt, in dem ein Bereich der Maske, der auf den Kanten 210 der Bauteile basiert, bestimmt wird, der mindestens einem Messpunkt entspricht, bei dem die kombinierten Messdaten einen Schwellenwert TH2 überschreiten. Wenn wie vorstehend beschrieben der Durchschnitts- oder Mittelwert berechnet oder die Werte aufaddiert wurden, kann anhand eines zweiten Schwellenwerts TH2 bestimmt werden, an welchen Messpunkten Werte über oder unter dem zweiten Schwellenwert TH2 liegen. Die Messpunkte, bei denen die Werte über dem Schwellenwert TH2 liegen, bilden somit den Bereich der Maske, der auf Kanten 210 der Bauteile 200 basiert. Schließlich ist in diesem Beispiel, trotz minimaler Abweichung aufgrund einer maximalem Messgenauigkeit, der Durchschnitts- oder Mittelwert oder der Wert der Addition in dem Bereich der Kanten 210 deutlich höher als in einem Bereich ohne Kanten 210, da die Kanten 210 sich entsprechend der Anzahl der Bauteile wiederholen, aber andere auf Fehlern beruhende Antwortsignals sich jedoch nicht wiederholen.
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Wenn wie vorstehend beschrieben, Wahrscheinlichkeitswerte kombiniert werden, die auf Messpunkten der Messdaten beruhen, die nicht durch den Schwellenwert TH1 ausgefilterten sind, kann der zweite Schwellenwert TH2 auch eine Mindestwahrscheinlichkeit sein, um somit die Bestimmung des in 7A bis 7D gezeigten Bereichs 411, ... 441 der Maske 410, ... 440, der auf den Kanten 210 der Bauteile basiert, zu ermöglichen. Mit einer größeren Anzahl von Bauteilen 200, die zur Herstellung der Maske herangezogen werden, kann ein niedrigerer Wahrscheinlichkeitswert aussagekräftig genug sein, um diesen Bereich 411, ... 441 der Maske 410, ... 440 zu bestimmen. Somit kann ausgehend von den in 8C gezeigten Wahrscheinlichkeiten beispielsweise ein deterministischer Bereich 411, ... 431 einer Maske 410, ... 430 abgeleitet werden. Die Form des deterministischen Bereichs 411, ... 431 ist hierbei abhängig von der genutzten Bahn 300 mit der die Messvorrichtung geführt wurde. Während beispielsweise 7A eine Maske 410 zeigt, bei der der auf einer Kante 210 basierende Bereich 411 einheitlich ist, basiert der Bereich 421 der Maske 420 in 7B auf einer kreisförmigen Bahn 300, wie sie beispielsweise in der in 2 gezeigten Prüfvorrichtung 100 benutzt wurde.
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Die Breite des auf einer Kante 210 basierenden Bereichs 421 ist von der Führrichtung R1, der Form der Bahn 300 und der Form der Kante 210 abhängig. Eine im Wesentlichen senkrecht zur Kante 210 verlaufenden Bahn 300 ergibt einen breiteren Abschnitt im Bereich 421 der Maske 420 und eine im Wesentlichen parallel zur Kante 210 verlaufende Bahn 300 ergibt einen dünneren Abschnitt im Bereich 421 der Maske 420. Für die Herstellung der Maske 420 wurden die Bauteile 200 von oben nach unten verschoben, weshalb der obere und untere Abschnitt des Bereichs 421 dünner ist als die Abschnitte auf der linken und rechten Seite des Bereichs 421. Somit ist die Möglichkeit einen Fehler in oberer und unterer Kantennähe zu bestimmen erhöht.
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Mit einer komplexeren Bahn 300, wie beispielsweise der in 3B gezeigten Bahn 320, werden zwei im Wesentlichen senkrecht zueinanderstehende Bahnabschnitte oder Linien abgefahren, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass eine der zwei Bahnabschnitte oder Linien parallel zu einer Kante 210 stehen auch erhöht wird. Das Ergebnis könnte die in 7C gezeigte Maske 430 mit einem auf einer Kante 210 basierenden Bereich 431 sein, wobei auch der linke und rechte Abschnitt des Bereichs 431 dünner ist als der linke und rechte Abschnitt des Bereichs 421.
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Zusätzlich kann bei Nutzung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung anstatt eines deterministischen Bereichs 411, ... 431 auch ein wahrscheinlichkeitsbasierter Bereich 441 einer Maske 440 wie in 7D gezeigt, erzeugt werden. Beispielsweise könnte dann ein Antwort- bzw. Fehlersignal, dass nicht in den Bereich 441 der Maske 440 fällt, aber nahe zu diesem liegt, mit einer Wahrscheinlichkeit als ein Fehler eingestuft werden.
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In jedem Fall können die in 8A gezeigten Messdaten von mehrere Bauteile 200 für die Herstellung der Maske 410, ... 440 als auch für die Prüfung der Bauteile 200, bzw. der Analyse dessen Oberflächenbeschaffenheit genutzt werden. Als Beispiel werden in 8D und 8E die durch Bezugszeichen 500 gekennzeichneten Bauteile 200 isoliert dargestellt. Unter Nutzung der durch alle Bauteile 200 hergestellten Maske kann somit, wie in 8D dargestellt, festgestellt werden, dass trotz Kanteneffekte kein Fehler für das dazugehörige Bauteil vorliegt. In 8D haben nämlich keine Messdaten, bzw. Antwortsignale an Messpunkten, einen Wert, der über dem ersten Schwellenwert TH1 liegt und zusätzlich entspricht keine dieser Messdaten einem Messpunkt, der außerhalb des Bereichs der Maske liegt. Andererseits kann, wie in 8E gezeigt, ein Fehler (Punkte außerhalb des Bereichs der Maske aber im Bereich der Oberfläche des Bauteils) für das dazugehörige Bauteil 200 bestimmt werden kann. In 8E haben nämlich Messdaten einen Wert, der über dem ersten Schwellenwert TH1 liegt und sie entsprechen einem Messpunkt, der außerhalb den Bereich 411, ... 441 der Maske 410, ... 440 liegt.
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In dem vorstehend angeführten Herstellungsverfahren wird beim Messschritt S22 eine für die Herstellung eingesetzt Messvorrichtung über die Kante 210 des jeweiligen Bauteils 200 geführt. Schließlich wird nur hierdurch ermöglicht, dass die Kanteneffekte gemessen werden und mehrere Bauteile 200 gemessen (und geprüft) werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Maske der vorstehend beschriebenen Prüfvorrichtung 100 gemäß dem beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt werden.
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Des Weiteren kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Maske des vorstehend beschriebenen Prüfverfahrens gemäß dem beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Demnach können das Herstellungsverfahren und Prüfverfahren nacheinander und sogar von derselben Prüfvorrichtung 100 ausgeführt werden.
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Zusätzlich können Schritte des Herstellungs- und Prüfverfahren kombiniert werden, sodass zuerst die Messdaten erfasst (Schritt S11/S12 und S21/S22), dann kombiniert (Schritt S23) und dann die Maske 410, ... 440 bestimmt (Schritt S24) werden und als zweites alle Messdaten anhand der bestimmten Maske 410, ... 440 auf analysiert (Schritt S13) werden. Somit kann die Prüfvorrichtung 100 in einem Arbeitsablauf ohne Vorkenntnis über die Geometrie der Bauteile 200 alle Bauteile mit hoher Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit prüfen.
