DE102021103395B3

DE102021103395B3 - Vorrichtung zur Erkennung von Rissen in Materialproben

Info

Publication number: DE102021103395B3
Application number: DE102021103395.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Staupendahl; Jan-Luca Schneider; Ludger Wahlers
Original assignee: Erichsen & Co GmbH KG; Erichsen & Co Kg GmbH
Current assignee: Erichsen & Co GmbH KG; Erichsen & Co Kg GmbH
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-02-12
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2041-02-13
Also published as: WO2022171412A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von Rissen in Materialproben umfassend einen Probenhalter 1 und eine Matrize 2, zwischen denen eine Materialeinspannebene ausgebildet ist, sowie einen Stempel 4, der auf der Seite des Probenhalters 1 angeordnet ist und in Richtung Matrize 2 verfahrbar ist. Erfindungsgemäß ist auf der einen Seite der Materialeinspannebene eine Lichtquelle 5 und auf der anderen Seite der Materialeinspannebene ein Lichtempfänger 6 angeordnet. Der Stempel 4 ist mindestens bereichsweise transparent.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von Rissen in Materialproben umfassend einen Probenhalter und eine Matrize, zwischen denen eine Materialeinspannebene ausgebildet ist, sowie einen Stempel, der auf der Seite des Probenhalters angeordnet ist und in Richtung Matrize verfahrbar ist.
In der Blechumformung ist die Rissbildung ein häufig vorkommendes Versagensmerkmal. Der Zeitpunkt des Risses sowie die erreichten Dehnungen bei der Rissinitiierung werden in der Blechumformung, speziell in der Blechprüfung, genutzt, um Rückschlüsse auf die Umformbarkeit des verwendeten Blechs zu ziehen.
Mit dem Tiefungsversuch nach Erichsen (DIN EN ISO 20482) wird die Streckziehfähigkeit metallischer Bleche und Bänder bestimmt. Zunächst wird ein Probekörper zwischen einen kreisförmigen Blechhalter und eine kreisförmigen Matrize gespannt. Im Anschluss wird ein kugelförmiger Stempel in den Probekörper in Form eines Blechs oder Bands gepresst. Sobald ein durchgehender Riss über der gesamten Wandstärke des Probekörpers erkennbar ist, wird die Prüfung gestoppt. Die erzielte Tiefung ist das Ergebnis der Prüfung, wobei die Tiefung dem Stempelweg bis zur Rissbildung entspricht.
Ein durchgehender Riss ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass er durch die gesamte Dicke des Probekörpers verläuft und mindestens auf einem Teil seiner Länge so breit ist, dass Tageslicht hindurchgeht. In der DIN EN ISO 20482 wird zudem angemerkt, dass der Beginn des Einreißens von einem Ziehkraftabfall und manchmal von einem wahrnehmbaren Geräusch begleitet wird.
Für das Erstellen von Grenzformänderungskurven nach DIN EN ISO 12004, welche die Versagensgrenzen in Bezug auf lokales Einschnüren bzw. Reißen oder Bersten des Materials darstellen, werden die Haupt- und Nebenformänderungen im Bereich um den Riss bzw. den beginnenden Riss benötigt. Gerade für nachgelagerte (Offline-)Dehnungsmessungen ist ein Stoppen der Stempelbewegung beim Entstehen eines Risses wesentlich.
Aber nicht nur bei der Durchführung von Blechprüfungen ist eine zuverlässige Risserkennung notwendig. Auch in der Produktion kann eine in-situ bzw. Online-Risserkennung die Produktqualitätskontrolle direkt während der Fertigung ermöglichen. Schadhafte Bauteile können somit schnell erkannt und durch Anpassung des Umformprozesses vermieden werden. Anlaufzeiten können verkürzt und die Prozessanpassung bei Blechchargenänderungen beschleunigt werden.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, um beim Streckziehen und beim Tiefziehen Risse erkennen zu können. Bei Blechprüfgeräten ist die gängige Methode die Ziehkraft während der Umformung auszuwerten, um, wie in der DIN EN ISO 20482 beschrieben, durch einen Ziehkraftabfall auf eine Rissentstehung zu schließen. Diese Methode wird in DE 1 573 468 A beschrieben. Die Höhe des Kraftabfalls wird hierbei empirisch ermittelt. Die Reibung zwischen dem Stempel und dem Blech wirkt bei dieser Methode als Störgröße und kann bei sehr dünnen Blechen oder Folien dazu führen, dass ein Kraftabfall nicht mehr erkennbar ist.
Eine weitere Methode zur Risserkennung ist die Analyse des Körperschalls wie sie in WO 2010/051954 A2 beschrieben ist. Die Auswertung der bei dünnen Blechen und Folien geringen Schallemission bei der Rissinitiierung ist von umliegenden Störgeräuschen durch Bewegungen im Maschinensystem und Wechselwirkungen zwischen Blech und Werkzeugen, wie zum Beispiel Vibrationen und Rattern, stark beeinflusst, wodurch die Ergebnisse verfälscht sein können.
Eine andere Möglichkeit der Risserkennung ist in Demant, Matthias, et al „Detection and analysis of micro-cracks in multi-crystalline silicon wafers during solar cell production. In: 2011 37th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. Seattle, June 2011, S. 001641-001646. DOI: 10.1109/PVSC.2011.6186271“ beschrieben. Es ist eine Prüfvorrichtung zur Risserkennung offenbart, bei der in einer Materialprobe durch einen Stempel, der aus einer bestimmten Höhe fällt, Risse erzeugt werden, die durch IR-Transmission untersucht werden. Des Weiteren zeigt die DE 10 2016 224 767 B4 eine Vorrichtung zur Erkennung von Rissen in Materialproben, bei der auf der einen Seite der Materialprobe eine Lichtquelle und auf der anderen Seite der Materialprobe ein Lichtempfänger angeordnet sind.
Eine weitere Möglichkeit Risse während der Umformung zu erkennen bieten Auflichtverfahren (vgl. bspw DE 42 10 599 C2 ). Hierbei wird die Materialprobe aus der Richtung des Lichtempfängers beleuchtet. Das von der Probe reflektierte Licht wird vom Lichtempfänger aufgenommen und elektrisch verarbeitet. Bei diesen Methoden reichen jedoch keine einzelnen Lichtempfänger wie lichtempfindliche Widerstände oder Fotodioden aus. Es müssen vielmehr Matrizen von Lichtempfängern in der Form von zum Beispiel CCD („Charge-Coupled Device“)- oder CMOS („Complementary Metal Oxide Semiconductor“)-Bildsensoren eingesetzt werden. Um die relevanten Bereiche gesamter Bauteile abzudecken, ist es teilweise erforderlich, mehrere dieser Bildsensoren bzw. Kameras zu verwenden. Da Risse in ihrer Größe, Form und Orientierung veränderlich sind, müssen aufwändige Detektionsalgorithmen, wie zum Beispiel maschinelles Lernen, verwendet werden, die vor deren Verwendung angelernt werden müssen. Des Weiteren muss auf eine homogene Beleuchtung geachtet werden, da unerwünschte Reflektionen vom Blech und den umgebenen Werkzeugen die Rissauswertung stören oder auch gänzlich verhindern können (Heger, J., Zein EI Abdine, M., „Using data mining techniques to investigate the correlation between surface cracks and flange lengths in deep drawn sheet metals“ IFAC-PapersOnLine. 52-13 (2019) S. 851-856).
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erkennung von Rissen in Materialproben zu schaffen, die einen entstehenden Riss in dem Probenkörper erkennt und unmittelbar bei Vorliegen eines durchgehenden Risses gemäß DIN EN ISO 20482 die Prüfung stoppt.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erkennung von Rissen in Materialproben geschaffen, die einen entstehenden Riss in dem Probenkörper erkennt und unmittelbar bei Vorliegen eines durchgehenden Risses gemäß DIN EN ISO 20482 die Prüfung stoppt. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass die Messung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung unabhängig von der Reibung zwischen Stempel und Probenmaterial ist, unabhängig von akustischen Lauten und Vibrationen sowie unabhängig von der Beschaffenheit der Blechoberfläche. Da nur das durch einen Riss durchfallende Licht gemessen wird und nicht das von dem Blech reflektierte Licht, kann die Oberfläche der Probe glänzend oder auch matt sein, ohne das Messergebnis zu beeinflussen.
Vorteilhaft ist die Lichtquelle innerhalb des Stempels angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise der Vorrichtung.
In Weiterbildung der Erfindung sind eine Elektronik, ein Energiespeicher sowie ein Schaltmechanismus innerhalb des Stempels angeordnet. Hierdurch ist die Möglichkeit geschaffen, an bestehenden Prüfmaschinen den darin verbauten Stempel gegen den Stempel nach der vorliegenden Erfindung auszutauschen. Folglich lassen sich die bestehenden Prüfgeräte und -maschinen ohne großen Aufwand auf die erfindungsgemäße Lösung umrüsten.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:

1 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erkennung von Rissen in Materialproben;
2 die schematische Darstellung einer Vorrichtung in anderer Ausbildung;
3 die schematische Darstellung einer Vorrichtung in einer weiteren Ausbildung;
4 die schematische Darstellung einer Vorrichtung in einer zusätzlichen Ausgestaltung;
5 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stempels mit Ladestation.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung von Rissen in Materialproben umfasst einen Probenhalter 1 und eine Matrize 2. Zwischen dem Probenhalter 1 und der Matrize 2 ist eine Materialeinspannebene ausgebildet, in die, wie aus den 1 bis 4 ersichtlich, eine Materialprobe 3 einspannbar ist. Bei der Materialprobe 3 handelt es sich in der Regel um ein Blech oder eine Folie.
Die Vorrichtung weist einen Stempel 4 auf, der im Ausführungsbeispiel auf der Seite des Probenhalters 1 angeordnet ist und in Richtung Matrize 2 verfahrbar ist. Andere Anordnungen sind möglich. Der Stempel 4 ist erfindungsgemäß mindestens bereichsweise transparent, das heißt lichtdurchlässig ausgebildet. Der Stempel 4 besteht demzufolge entweder vollständig oder teilweise aus einem transparenten Werkstoff, der gleichzeitig eine für die Durchführung von Umformvorgängen ausreichende Festigkeit und Härte aufweist, um die Materialprobe 3 bearbeiten zu können. Vorzugsweise kommt als Werkstoff für den Stempel 4 transparente Keramik oder Glaskeramik zur Anwendung. Andere Materialien sind ebenfalls möglich, bspw. Glas oder Kunststoff. Unter transparenten Werkstoffen für den Stempel 4 im Sinne der vorliegenden Erfindung fallen auch transluzente Werkstoffe, also partiell oder teilweise lichtdurchlässige Materialien.
Erfindungsgemäß ist auf der einen Seite der Materialeinspannebene eine Lichtquelle 5 und auf der anderen Seite der Materialeinspannebene ein Lichtempfänger 6 angeordnet. Die Lichtquelle 5 strahlt vorzugsweise im Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen dem ultravioletten und dem infraroten Bereich. Es muss sich daher nicht um sichtbares Licht handeln, welches von der Lichtquelle ausgestrahlt wird. Vielmehr kann ein breiteres Frequenzspektrum abgedeckt werden (Weißlicht) oder nur einzelne Frequenzbänder, bspw. einzelne Farben wie etwa rot, blau, grün oder UV-A und IR-A. Besonders vorteilhaft ist die Aussendung von Infrarotstrahlung, weil in diesem Fall die Störung des Lichtempfängers 6 durch Fremdlicht wesentlich geringer ist als bei anderen Lichtarten.
Der Lichtempfänger 6 umfasst eine Empfangsoptik und ist mit einer - nicht dargestellten - Auswerteeinheit verbunden. Als Lichtempfänger können beispielsweise einzelne oder mehrere Photodioden oder Photowiderstände Anwendung finden. Alternativ können auch Matrizen in Form von CMOS oder CCD-Bildsensoren verwendet werden. Bei der Nutzung der Vorrichtung unter Verwendung einer Lichtquelle, die im Bereich von Infrarotstrahlung sendet, ist die Verwendung von üblichen Empfängerbauteilen im Lichtempfänger 6 möglich.
Soweit die Lichtquelle 5 auf der Seite des Probenhalters 1 angeordnet ist, kann die Lichtquelle 5 innerhalb des Stempels 4 angeordnet sein, wie dies im Ausführungsbeispiel nach 1 dargestellt ist, oder außerhalb des Stempels 4, wie dies in 3 dargestellt ist. Vergleichbar kann der Lichtempfänger 6 innerhalb des Stempels 4 (vgl. 2) oder außerhalb des Stempels 4 (vgl. 4) angeordnet sein, soweit der Lichtempfänger 6 auf der Seite des Probenhalters 1 angeordnet ist. In den 1 bis 4 ist jeweils der Moment unmittelbar nach dem Reißen der Materialprobe 3 dargestellt, was anhand der durch die Risse hindurchtretenden Lichtstrahlen angedeutet ist.
Zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine nicht dargestellte Elektronik vorgesehen, die vorzugsweise im Stempel 4 angeordnet ist. Sie kann über einen Energiespeicher betrieben werden oder an eine Elektroinstallation angeschlossen sein. Die beim Betrieb der Vorrichtung ermittelten Daten werden vorzugsweise drahtlos an die Auswerteeinheit übertagen.
Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgebildet, dass die Lichtquelle 5, die Elektronik einschließlich Sende- und Empfangseinheit, ein Energiespeicher sowie ein Schaltmechanismus innerhalb des Stempels 4 angeordnet sind und der Lichtempfänger 6, wie in 1 dargestellt, auf der dem Probenhalter 1 abgewandten Seite der Materialeinspannebene bzw. der Probe 3 angeordnet ist. Bei dieser Ausbildung kann der Lichtempfänger 6 dauerhaft mit der Auswerteeinheit verbunden sein.
Soweit die Lichtquelle 5, der Energiespeicher, die Elektronik sowie der Schaltmechanismus innerhalb des Stempels 4 verbaut sind, besteht die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Vorrichtung in bestehende Prüfgeräte bzw. -maschinen zu verbauen, ohne diese ändern zu müssen. Es ist lediglich der Austausch des bisherigen Stempels durch den erfindungsgemäßen (teil-)transparenten Stempel und die Installation des Lichtempfängers inklusive Optiken an dem jeweiligen Prüfgerät erforderlich. Folglich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Vielzahl aus dem Stand der Technik bekannten Blechumformmaschinen, insbesondere Blechumformprüfmaschinen bzw. Blechprüfmaschinen, nachträglich verbaut werden.
Soweit der Energiespeicher in dem Stempel verbaut ist, kann dieser durch Platzieren des Stempels 4 auf einer externen Ladestation 7 aufgeladen werden, wie dies in 5 dargestellt ist. Das Aufladen des Energiespeichers kann dann entweder induktiv oder mittels Kontaktelektroden erfolgen.
Der Schaltmechanismus zum Einschalten der sich im Stempel 4 befindenden Elektronik kann ein Taster oder Schalter sein, der vor Beginn der Umformung vom jeweiligen Maschinenbediener betätigt wird. Auch kann das Aktivieren der Auswerteeinheit manuell erfolgen. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Lichtquelle und die Auswerteeinheit drahtlos über Funk oder durch einen Schalter zu aktivieren, der durch Näherung an die umzuformende Probe oder durch deren Berührung ausgelöst wird.
Der Prüfvorgang mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung beginnt mit dem Verfahren des Stempels 4 in Richtung der zwischen Probenhalter 1 und Matrize 2 eingespannten Probe 3. Der mindestens bereichsweise transparente Stempel 4 dringt bei Erreichen der Probe 3 in bekannter Weise in die umzuformende Probe ein und formt diese um. Unmittelbar bevor der Stempel 4 mit der Probe 3 in Kontakt kommt oder im Moment der Kontaktierung, spätestens jedoch nach dem Eindringen in die Probe und vor dem erwarteten Reißen der Probe werden die Lichtquelle 5, der Lichtempfänger 6 sowie die Auswerteeinheit aktiviert. Sobald sich ein Riss formt, dringt das von der Lichtquelle 5 ausgesandte Licht durch den Riss und fällt direkt oder indirekt durch Reflektion auf den Lichtempfänger 6. Die Auswerteeinheit erkennt durch die spezifische Erhöhung der Empfängerbestrahlung den Rissbeginn, woraufhin der Stempel 4 angehalten wird. Die ermittelten Daten wie Tiefung vor der Rissbildung, die aufgewendete Kraft usw. werden dabei an die Auswerteeinheit übermittelt. Es kann dann in bekannter Weise eine Beurteilung der Probe vorgenommen werden.

Claims

Vorrichtung zur Erkennung von Rissen in Materialproben umfassend einen Probenhalter (1) und eine Matrize (2), zwischen denen eine Materialeinspannebene ausgebildet ist, sowie einen Stempel (4), der auf der Seite des Probenhalters (1) angeordnet ist und in Richtung Matrize (2) verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der einen Seite der Materialeinspannebene eine Lichtquelle (5) und auf der anderen Seite der Materialeinspannebene ein Lichtempfänger (6) angeordnet ist und der Stempel (4) mindestens bereichsweise transparent ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (5) auf der Seite des Probenhalters (1) und der Lichtempfänger (6) auf der dem Probenhalter (1) abgewandten Seite der Materialeinspannebene angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (6) auf der Seite des Probenhalters (1) und die Lichtquelle (5) auf der dem Probenhalter (1) abgewandten Seite der Materialeinspannebene angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (5) innerhalb des Stempels (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (6) innerhalb des Stempels (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronik, ein Energiespeicher sowie ein Schaltmechanismus innerhalb des Stempels (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik eine Sende- und Empfangseinheit umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für den Stempel (4) transparente Keramik oder Glaskeramik zur Anwendung kommt.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für den Stempel (4) Glas oder Kunststoff zur Anwendung kommt.