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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung von Fügeverbindungen, eine Überwachungsvorrichtung für Fügeverbindungen, eine Schweißvorrichtung mit der Überwachungsvorrichtung, ein Computerprogramm sowie ein Maschinenlesbares Speichermedium.
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Bekannt sind Verfahren, um zwei Werkstoffe und/oder Werkstücke zu verbinden. Dazu gehören unter anderem Löten, Nieten, Druckfügen und/oder Schweißen.
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Aus der
DE 10 2018 209 143 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung sowie eine Vorrichtung zur Ausbildung einer Laserbondverbindung bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung von Fügeverbindungen gemäß dem Anspruch 1, eine Überwachungsvorrichtung gemäß dem Anspruch 10, eine Schweißvorrichtung gemäß dem Anspruch 11, ein Computerprogramm gemäß dem Anspruch 12 und ein maschinenlesbares Speichermedium gemäß dem Anspruch 13. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
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Es wird ein Verfahren zur Untersuchung von Fügeverbindungen vorgeschlagen. Insbesondere wird ein Verfahren zur Evaluierung und/oder Analyse der Fügeverbindungen vorgeschlagen, wobei die Fügeverbindungen insbesondere durch ein Fügeverfahren erzeugt sind. Bevorzugt wird eine Fügeverbindung von mindestens zwei Festkörper, im Speziellen Werkstücken und/oder Fügeteile untersucht. Bevorzugt ist die Fügeverbindung als eine unlösbare und/oder eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet. Im Speziellen ist die Fügeverbindung als eine Naht, bevorzugt eine Schweißnaht ausgebildet.
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Es wird ein Prüfbild einer insbesondere gebrochenen und/oder defekten Fügeverbindung eines Werkstücks aufgenommen. Das Prüfbild ist bevorzugt als ein, in einem Feld und/oder Kundeneinsatz aufgenommenes Digitalbild ausgebildet. Als das Feld und/oder der Kundeneinsatz wird insbesondere eine Stelle und/oder Ort verstanden, bei der zu dem Defekt der Fügeverbindung gekommen ist. Optional ist es vorgesehen, dass das Feld und/oder der Kundeneinsatz eine zu einem Prüflabor unterschiedliche Anwendung und/oder Einsatz des Werkstücks bilden. Es ist denkbar, dass das Feld und/oder der Kundeneinsatz eine Werkstatt, ein Industriegelände und/oder eine Unfallstelle bilden.
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Das Prüfbild stellt einen Defekt, eine gebrochene und/oder eine defekte Fügeverbindung dar. Ein Defekt, insbesondere die defekte Verbindung, ist beispielsweise durch einen Bruch und/oder Riss gebildet. Insbesondere ist der Defekt der Fügeverbindung durch eine zu hohe Belastung, eine Ermüdung des Werkstücks, ein Verschleiß und/oder einen Fehler der Verbindung ausgebildet, wobei ein Fehler vorzugsweise bereits bei der Fügefertigung oder danach entstanden ist. Im Speziellen ist der Defekt und/oder der Bruch der Fügeverbindung infolge einer Belastung des Werkstücks, eines Alters des Werkstücks einer Temperatur und/oder einer Witterung entstanden.
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Das Werkstück ist insbesondere als ein Festkörper ausgebildet. Bevorzugt ist das Werkstück metallisch ausgebildet. Das Werkstück umfasst beispielsweise zwei Fügepartner, wobei die Fügepartner in einem Fügeprozess zusammen verbunden, insbesondere gefügt, wurden. Eine optionale Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Werkstück aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist.
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Auf das Prüfbild wird ein Detektionsverfahren angewendet. Das Detektionsverfahren umfasst mehrere Schritte. Das Detektionsverfahren kann insbesondere software- und/oder computerimplementiert ausgeführt sein und/oder werden.
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In einem Schritt des Detektionsverfahrens werden in dem Prüfbild, basierend auf einer Bilddatenbank und/oder einem auf der Bilddatenbank basierenden neuronalen Netz, Bruchmerkmale der Fügeverbindung detektiert.
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Die Bruchmerkmale umfassen insbesondere Eigenschaften und/oder Besonderheiten eines Bruches und/oder eines Defekts der Fügeverbindung. Beispielsweise sind die Bruchmerkmale durch einen Sprödbruch, einen Sprödbruch mit Rampen oder Schollen, einen Verformungsbruch mit einem optionalen Einschluss, einen Bruch mit Welle, insbesondere Rastlinien gebildet. Im Speziellen bilden die Bruchmerkmale insbesondere optische Merkmale, wie zum Beispiel Risse, Bruch, Absplitterungen, Verformungen und/oder Verfärbungen.
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Basierend auf den in dem Prüfbild detektierten Bruchmerkmalen wird eine Bruchursache bestimmt. Eine Bruchursache bildet und/oder umfasst beispielsweise eine zu große und/oder wechselhafte Belastung der Fügeverbindung, Rissbildung an Mikrodefekten, plastische Verformung, axiale Verschiebung, ein Materialfehler, ein Verfahrensfehler, zum Beispiel bei einem Schweißen. Die Bruchursache wird insbesondere durch das neuronale Netz ermittelt, insbesondere basierend auf den Bruchmerkmalen, den Prüfbild und/oder Bilddatenbank. Das neuronale Netz ist beispielsweise trainiert in dem Prüfbild als Eingangsdaten die Bruchmerkmale und/oder Bruchursache zu bestimmen.
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Vorteilhaft erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren ein Eingrenzen der aufgetretenen Lasten und/oder Optionen, die zu einem Ausfall, insbesondere zu einem Defekt der Fügeverbindung geführt haben. Einen weiteren Vorteil bildet die Ersparnis der Zeit, die bei der Suche nach einer Ausfallursache in einem externen Feld entsteht. Eine Fügeverbindung kann unterschiedliche Fehler, wie beispielsweise Risse, Einschlüsse und/oder Bindefehler, aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen Übertrag des im Labor ermittelten Wissens auf einen Ausfall und/oder einen Defekt einer Fügeverbindung außerhalb eines Prüflabors ohne dass genaue Lasten und Einflüsse im Außenbereich bekannt sein müssen.
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Es ist vorgesehen, dass die Bilddatenbank Bilddaten umfasst. Die Bilddaten umfassen insbesondere eine Vielzahl an Testbildern. Beispielsweise umfasst die Bilddatenbank mindestens zehntausend Testbilder. Bevorzugt umfasst die Bilddatenbank mindestens hunderttausend Testbilder und im Speziellen umfasst die Bilddatenbank mindestens fünfhunderttausend Testbilder. Die Testbilder stellen insbesondere intakte Fügeverbindungen und/oder Defekte der Fügeverbindung. Ein oder mehrere der Testbilder stellen insbesondere frische Fügeverbindung dar. Im Speziellen zeigen die Testbilder die Fügeverbindungen aus unterschiedlichen Ansichten. Die Defekte und/oder Fehler der Fügeverbindungen die auf den Testbildern dargestellt sind, bilden insbesondere absichtlich erzeugte Defekte und/oder Brüche. Die Defekte und/oder Brüche sind insbesondere durch mindestens eine Laborprüfung entstanden und/oder zugefügt, wobei die Laborprüfungen bevorzugt aufgenommen und dokumentiert sind. Als Laborprüfung wird insbesondere ein Laborversuch, zum Beispiel ein Verschleißtest.
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Bevorzugt sind die Testbilder mit einer Kamera aufgenommen. Die Kamera nimmt die Testbilder vor, nach und/oder insbesondere während einer Laborprüfung und/oder eines Tests der Fügeverbindung auf. Die Kamera kann zum Beispiel als CCD-Kamera, eine CMOS Kamera und/oder eine Hochgeschwindigkeitskamera ausgebildet sein.
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Insbesondere umfassen die Testbilder Testbildpaare. Die Testbildpaare umfassen bevorzugt jeweils ein Bild der Fügeverbindung in einem intakten Zustand und ein Bild des Fügeverbindungsdefekts, der gebrochenen und/oder defekten Fügeverbindung.
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Die intakte Fügeverbindungen bilden insbesondere die Verbindungen, die keinen Defekt aufweisen. Bevorzugt sind die intakte Fügeverbindungen als die Verbindungen ausgebildet, die noch keinen Test und/oder keiner Prüfung unterzogen wurden. Im Speziellen sind die intakte Fügeverbindungen durch frisch hergestellte und/oder frisch ausgehärtete Fügeverbindungen gebildet.
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Vorzugsweise umfassen die auf den Testbildern dargestellte defekte und/oder gebrochene Fügeverbindungen die Fügeverbindungen, die basierend auf einer Laborprüfung, unter kontrollierten Bedingungen und/oder in Folge unterschiedlicher statischer und/oder dynamischer Beanspruchungen des Werkstücks erzeugt sind.
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Die Laborprüfung ist insbesondere als ein Versuch, ein Test oder eine Prüfung der Fügeverbindung ausgebildet. Bevorzugt ist bei der Laborprüfung ein Faktor und/oder ein Parameter der Prüfung geändert, während andere Faktoren und/oder Parameter der Prüfung konstant gehalten werden. Alternativ oder ergänzend ist und/oder wird eine Reihe der Laborprüfungen durchgeführt. Optional ist und/oder wird eine Prüfung und/oder ein Versuch variabel und/oder wiederholt durchgeführt. Als variable Prüfung wird insbesondere eine Prüfung verstanden die auf verschiedenen Fügeverbindungen durchgeführt ist, wobei die Prüfung insbesondere unter anderen Bedingungen und/oder mit anderen Parametern durchgeführt ist.
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Die Fügeverbindungsdefekte, sind insbesondere die, durch zahlreiche Labor-, Material- und/oder Werkstoffprüfungen entstandene Defekte der Fügeverbindung gebildet. Die Fügeverbindungsdefekte sind beispielsweise durch ein Duktil-, Spröd-, Ermüdungs-, Dauerbruch und/oder einen Riss gebildet. Optional ist jeder Defekt und/oder Bruch infolge einer anderen Prüfung und/oder eines anderen Tests entstanden. Alternativ oder Ergänzend ist jeder Schritt der Laborprüfung der Fügeverbindung durch die Kamera aufgenommen. Insbesondere sind bei der Laborprüfung Testbilder aufgenommen.
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Besonders bevorzugt weisen die, der Bilddatenbank bereitgestellten Testbilder und/oder Testbildpaare eine Information über eine Art der Laborprüfung auf. Die Laborprüfungen der Fügeverbindungen umfassen beispielsweise eine mechanische, eine chemische und/oder eine thermische Prüfung. Bevorzugt umfassen die mechanischen Prüfungen Härteprüfung, Magnetpulverprüfung, Scherversuch, Zugversuch, Torsionversuch, Kerbschlagbiegeversuch und/oder Dauerschwingversuch. Die chemische und/oder thermische Prüfungen sind beispielsweise durch eine Brennprobe, Gaschromatographie, Metallografie und/oder ein Aufschweißbiegeversuch gebildet. Alternativ oder ergänzend umfassen die Prüfungen zerstörende Prüfverfahren der Fügeverbindung.
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Insbesondere weisen die, der Bilddatenbank bereitgestellten, Testbilder und/oder Testbildpaare eine Information über Parameter der Laborprüfung und/oder der Art der Beanspruchung auf. Dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde einer Bestimmten Art des Defektes der Fügeverbindung eine mögliche Bruchursache anhand der durchgeführten Prüfung zuzuordnen.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das neuronale Netz basierend auf der Bilddatenbank trainiert ist. Insbesondere ist das neuronale Netz basierend auf den Testbildern der Datenbank trainiert. Bevorzugt ist das neuronale Netz basierend auf einem Regressionsansatz trainiert. Im Speziellen wird unter dem Regressionseinsatz eine überwachte Lernmethode verstanden. Beispielsweise wird mit dem Regressionsansatz ein linearer Zusammenhang zwischen sogenannten abhängigen Variablen und unabhängigen Variablen untersucht. Die unabhängige Variable bildet beispielsweise die vermeintliche Ursache des Defekts der Fügeverbindung, wobei die abhängige Variable insbesondere die Wirkung bildet.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das neuronale Netz ausgebildet ist, Bruchmerkmale in dem Prüfbild zu bestimmen. Beispielsweise ist das neuronale Netz ausgebildet einen spröden und/oder einen duktilen Bruch zu erkennen und/oder zu bestimmen. Das neuronale Netz gibt bevorzugt eine Bruchursache, eine Wahrscheinlichkeit der Bruchursache, ein ähnlichstes Testbild und/oder eine Ähnlichkeit zu dem Testbild aus und/oder bestimmt die. Im Speziellen vergleicht das neuronale Netz die Testbilder der Bilddatenbank mit dem Prüfbild der defekten und/oder gebrochenen Fügeverbindung des Werkstücks.
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Besonders bevorzugt ist die Fügeverbindung als eine Schweißverbindung ausgebildet. Insbesondere ist die Schweißverbindung als eine Laserschweißverbindung ausgebildet. Alternativ oder ergänzend ist es vorgesehen, dass ein Übertrag auf andere Fügetechnologien denkbar ist. Dabei umfassen die anderen Fügetechnologien beispielsweise ein Ultraschall-Bonden, Ultraschall-Schweißen und/oder ein Widerstandsschweißen.
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Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet eine Überwachungsvorrichtung für Fügeverbindungen wie diese zuvor beschrieben wurden. Die Überwachungsvorrichtung weist ein Auswertemodul. Dem Auswertemodul ist ein Prüfbild der Fügeverbindung Bereitgestellt. Optional ist dem Auswertemodul mindestens ein Prüfbild der Fügeverbindung Bereitgestellt. Das Auswertemodul ist ausgebildet, basierend auf der Bilderdatenbank eine Bruchursache im Prüfbild zu bestimmen. Insbesondere ist das Auswertemodul ausgebildet, basierend auf der Bilderdatenbank trainierten neuronalen Netz, eine Bruchursache im Prüfbild zu bestimmen.
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Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet eine Schweißvorrichtung mit der Überwachungsvorrichtung wie diese zuvor beschrieben wurde. Die Schweißvorrichtung ist insbesondere als eine Laserschweißvorrichtung ausgebildet, wobei eine Energiezuführung über einen Laser erfolgt. Alternativ oder ergänzend ist die Schweißvorrichtung als ein Ultraschall-Schweißvorrichtung ausgebildet.
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Einen weiteren Gegenstand bildet ein Computerprogramm ausgebildet und/oder eingerichtet jeden Schritt des Verfahrens wie der zuvor beschrieben wurde auszuführen, anzuwenden und/oder zu unterstützen.
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Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet maschinenlesbares Speichermedium, insbesondere nichtflüchtiges maschinenlesbares Speichermedium, wobei auf dem Speichermedium das Computerprogramm gespeichert ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht von einem Ausführungsbeispiel einer Überwachungsvorrichtung;
- 2 einen schematischen Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Untersuchung von Fügeverbindungen.
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Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht von einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung 1. Die Überwachungsvorrichtung 1 weist vorliegend eine Prüfvorrichtung 2 auf.
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Die Prüfvorrichtung 2 ist ausgebildet ein Werkstück 3, insbesondere eine Fügeverbindung 4 eines ersten Fügeteils 5 und eines zweiten Fügeteils 6 zu Prüfen und/oder zu testen. Die Prüfung der Fügeverbindung 4 ist vorliegend als ein Zugversuch ausgebildet. Der Zugversuch an der Fügeverbindung 4 dient dazu, eine Festigkeit und ein Verformungsverhalten quer zur der Fügeverbindung 4 zu ermitteln. Es wird eine Zugfestigkeit, eine Bruchlage sowie eine Art eines Bruches der Fügeverbindung 4 festgestellt. Durch die Prüfung können Unregelmäßigkeiten, insbesondere Bruchmerkmale in einer Bruchfläche bewertet und/oder bestimmt werden.
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Das Werkstück 3 ist durch eine Schweißvorrichtung 19, insbesondere eine Laserschweißvorrichtung unlösbar verbunden und/oder zusammengeschweißt. Das erste Fügeteil 5 und das zweite Fügeteil 6 sind vorliegend metallisch ausgebildet. Die Schweißvorrichtung 19 weist einen Laser auf, wobei der Laser ausgebildet ist ein Laserstrahl zu generieren. Durch eine Absorption einer Laserleistung, insbesondere des Laserstrahls erfolgt auf einer Oberfläche des Werkstücks 3 ein extrem schneller Anstieg der Temperatur über eine Schmelztemperatur von Metall hinaus, so dass sich eine Schmelze bildet. Durch das Schmelzen des Metalls und abschließendes Abkühlen der Schmelze ist die Fügeverbindung 4 gebildet.
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Die Überwachungsvorrichtung 1 weist eine Kamera 7 auf. Der Zugversuch, der durch die Prüfvorrichtung 2 durchgeführt wird, wird mit der Kamera 7 aufgenommen. Die Kamera 7 ist vorliegend als eine Hochgeschwindigkeitskamera ausgebildet. Die Kamera 7 ist derart ausgerichtet, dass die Kamera 7 eine Prüfbearbeitungszone 8 der Prüfvorrichtung 2 erfasst. Die Kamera 7 ist ausgebildet, Testbilder 9 in einem zeitlichen Abstand aufzunehmen und/oder bereitzustellen. Die Testbilder 9 umfassen mindestens ein erstes und ein zweites Bild.
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Das erste Bild umfasst die Fügeverbindung 4 in einem intakten Zustand. Bevorzugt ist das erste Bild vor der Prüfung der Fügeverbindung 4 aufgenommen. Das zweite Bild stellt die, bei dem Zugversuch, entstandene Bruchfläche und/oder ein Fügeverbindungdefekt dar.
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Die Überwachungsvorrichtung 1 weist ein Auswertemodul 10 auf. Das Auswertemodul 10 umfasst ein Neuronales Netz 11 zur Bildauswertung. Das neuronale Netz 11 bildet insbesondere ein maschinelles Lernsystem.
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Dem Auswertemodul 10 ist ein Prüfbild 12 bereitgestellt, wobei das Prüfbild 12 insbesondere dem neuronalen Netz 11 bereitgestellt wird. Das Prüfbild 12 stellt eine defekte Fügeverbindung 4 dar. Beispielsweise können so aus einzelnen Pixeln des Prüfbilds 12 Zusammenhänge und/oder Bruchmerkmale erkannt und/oder bestimmt werden. Das neuronale Netz 11 ist ein trainiertes neuronales Netz, wobei das Netz mittels einer Bilddatenbank 13 zu den Auswertezwecken trainiert ist.
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Die Bilddatenbank 13 umfasst Bilddaten 14, wobei die Bilddaten 14 eine Vielzahl an Testbildern 9 aufweisen. Die Testbilder 9 umfassen Testbilderpaare 15. Das Testbilderpaar 15 weist insbesondere jeweils ein Testbild 9, das eine intakte Fügeverbindung 4 darstellt, wobei ein zweites Testbild 9 ein Fügeverbindungdefekt. Die Testbildpaare 15 sind dem neuronalen Netz 11 zu Trainingszwecken bereitgestellt.
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Die Bilddatenbank 13 umfasst insbesondere Testbilder 9 und/oder Testbildpaare 15 die eine Information über Art und/oder Parameter der Laborprüfung und/oder der Beanspruchung aufweisen. Beispielsweise wird eine Information übermittelt, dass die durchgeführte Laborprüfung ein Zugversuch bildet, wobei das Werkstück 3 mit 50 kN beansprucht wurde.
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Das neuronale Netz 11 gibt, basierend auf Bruchmerkmalen, den Prüfbild 12 und/oder der Bilddatenbank 13 ein Ergebnis 16 aus. Das Ergebnis 16 stellt eine Bruchursache 17 und/oder eine Einschätzung zu der Bruchursache 17 dar. Im Speziellen wird die Bruchursache 17 durch das neuronale Netz 11 bestimmt.
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Die 2 stellt einen schematischen Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Das Verfahren ist zur Untersuchung von Fügeverbindungen 4 ausgebildet.
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In einem Verfahrensschritt 100 wird ein Prüfbild 12 aufgenommen. Das Prüfbild 12 stellt ein Fügeverbindungsdefekt dar. Das Prüfbild 12 wird vorzugsweise an dem Ort aufgenommen, an dem es zu dem Bruch und/oder zu dem Defekt der Fügeverbindung 4 gekommen ist. Beispielsweise ist das Prüfbild in einer Werkstatt aufgenommen und stellt ein gebrochenes Werkstück einer Maschine dar.
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In einem nächsten Schritt 200 wird das Prüfbild 12 dem Auswertemodul 10 der Überwachungsvorrichtung aus 1 bereitgestellt. Das Auswertemodul 10 ist ausgebildet das Prüfbild 12 auszuwerten und im Speziellen eine Bruchursache zu bestimmen.
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Einen weiteren Verfahrensschritt 300 bildet ein Detektionsverfahren 18. Bei dem Detektionsverfahren 18 wird eine, basierend auf der, dem neuronalen Netz 11 bereitgestellten Bilddatenbank 13, dem Testbildpaar 15 und/oder einem auf der Bilddatenbank 13 basierenden neuronalen Netz 11 Bruchstelle der Fügeverbindung 4 und/oder ein Defekt der Fügeverbindung 4 detektiert und/oder Ermittelt, wobei die Bruchstellen und/oder Defekte die Bruchmerkmale bilden.
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In einem Letzten Verfahrensschritt 400 des Verfahrens zur Untersuchung von Fügeverbindungen 4 wird ein Ergebnis 16, basierend auf den detektierten Bruchmerkmallen bestimmt, wobei das Ergebnis 16 als eine Bruchursache 17 ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018209143 A1 [0003]
