DE102022000865A1

DE102022000865A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Beanspruchung von Werkstücken oder Werkstoffen durch Bestrahlung mit gepulster Strahlung, insbesondere mit gepulstem Licht

Info

Publication number: DE102022000865A1
Application number: DE102022000865.3A
Authority: DE
Inventors: Moritz Hemmerich; Jörg Meyer; Ronja Scholz; Frank Walther
Original assignee: Hochschule Hamm Lippstadt; Hochschule Hamm-Lippstadt; Technische Univ Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Hochschule Hamm Lippstadt; Hochschule Hamm-Lippstadt; Technische Univ Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2023-09-14
Also published as: WO2023169617A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Beanspruchung von Werkstücken (2) oder Werkstoffen (2) durch Bestrahlung mit gepulster Strahlung (3), insbesondere mit gepulstem Licht, bei dem das Werkstück (2) oder der Werkstoff (2) während eines Zeitraums mit einer gepulsten Strahlungsquelle (1) von hoher Intensität bestrahlt und dadurch zumindest Teile der Oberfläche in eine Schwingung im Wesentlichen gleicher Frequenz wie die Pulsfrequenz der Strahlung (3) versetzt wird, wobei während der Bestrahlung die durch die Strahlung der gepulsten Strahlungsquelle (1) angeregte Schwingung der Oberfläche des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) mittels Sensoren (4, 5, 6) zur Erfassung von Schwingungen detektiert wird, und auf Basis der erfassten Schwingungen des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) Veränderungen insbesondere der Oberfläche des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) durch die mittels gepulster Strahlung (3) ausgelösten Schwingungen erfasst und ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Beanspruchung von Werkstücken oder Werkstoffen bei optisch induzierter Schwingungsbeanspruchung durch Bestrahlung mit gepulster Strahlung, insbesondere gepulstem Licht gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 10.
Die Verwendung von Strahlung und insbesondere von Strahlung sichtbaren Lichts nimmt in vielen Bereichen immer größere Bedeutung ein und wird für viele verschiedene Zwecke eingesetzt. Hierbei werden zunehmend gepulste Strahlungsquellen eingesetzt, z.B. bei Verwendung von LEDs als Lichtquellen. So werden z.B. im Bereich der Beleuchtungstechnik LED-Lichtquellen häufig im gepulsten Betrieb verwendet, um diese zu dimmen. Hierbei werden Frequenzen im niedrigen bis mittleren Bereich (100 bis 2000 Hz) verwendet. Auch könne die Strahlungsquellen nicht kohärente Strahlung von sich geben.
Insbesondere beim automatisierten Fahren im Automobilbereich können gepulste LED-Lichtquellen auch zum optischen Datenaustausch zwischen den sich begegnenden Fahrzeugen verwendet werden (Visible Light Communications). Hierfür werden die Lichtquellen im hohen Frequenzbereich (1 bis 2 MHz) betrieben. Diese Form der Datenübertragung wird aber auch für andere breitere Anwendungsfälle diskutiert.
Weiterhin ist aus dem Bereich der Entfernung von Tätowierungen bekannt, dass es durch Verwendung von extrem kurzen Pulsen der Strahlung (1 GHz - 1 THz) bei extrem hohen Energiedosen zur optisch induzierten mechanischen Belastung (photomechanische Effekte) von Materialien kommt, wie dies etwa in Hsu, V. M.; Aldahan, A. S.; Mlacker, S.; Shah, V. V.; Nouri, K. The picosecond laser for tattoo removal. Lasers in Medical Science [Online] 2016, 31 (8), 1733-1737 beschrieben ist. Dabei wechselwirkt die Lichtstrahlung (hier eine Laserstrahlung) mit den unter den oberflächlichen Hautschichten befindlichen Farbpartikeln durch die optisch induzierten mechanischen Belastungen und zerstört diese dadurch derart, dass sie vom Körper aus diesen Hautschichten entfernt und abgebaut/ausgeschieden werden können, so dass die Sichtbarkeit der vorherigen Tätowierung reduziert oder ganz beseitigt werden kann.
Bei solchen Anwendungen gepulster Strahlungsquellen werden immer häufiger Materialien und Bauteile gepulsten Lichtquellen ausgesetzt, wenn diese Lichtquellen etwa in Fahrzeugschweinwerfern zur Beleuchtung eingesetzt werden. Die Bauteile des Scheinwerfers wie etwa durchsichtige Abdeckungen, Linsen oder dgl., die der gepulsten Lichtquelle ausgesetzt sind, können dadurch geschädigt werden, wodurch ihre Lebensdauer oder Funktionalität eingeschränkt wird. Allerdings sind Aussagen über derartige Materialveränderungen bisher nicht sicher zu treffen. So sind zum Beispiel im Frequenzbereich der Strahlung von 1 Hz bis 2 MHz und Bestrahlungsstärken von rund 0,5 bis 100 kW/m² die photomechanischen Auswirkungen auf Materialien bislang weitgehend unklar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit Hilfe derer die photomechanischen Auswirkungen gepulster Strahlungsquellen und insbesondere gepulster Lichtquellen auf Materialien untersucht und quantifiziert werden können.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich der Vorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 10 jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung hinsichtlich des Verfahren geht aus von einem Verfahren zur Erfassung der Beanspruchung von Werkstücken oder Werkstoffen durch Bestrahlung mit gepulster Strahlung, insbesondere mit gepulstem Licht. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird erfindungsgemäß dadurch weiter entwickelt, dass das Werkstück oder der Werkstoff während eines Zeitraums mit einer gepulsten Strahlungsquelle von hoher Intensität bestrahlt und dadurch zumindest Teile der Oberfläche in eine Schwingung im Wesentlichen gleicher Frequenz wie die Pulsfrequenz der Strahlung versetzt wird, wobei während der Bestrahlung die durch die Strahlung der gepulsten Strahlungsquelle angeregte Schwingung der Oberfläche des Werkstücks oder des Werkstoffs mittels Sensoren zur Erfassung von Schwingungen detektiert wird, und auf Basis der erfassten Schwingungen des Werkstücks oder des Werkstoffs Veränderungen insbesondere der Oberfläche des Werkstücks oder des Werkstoffs durch die mittels gepulster Strahlung ausgelösten Schwingungen erfasst und ausgewertet werden. Die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen zeigen überraschend, dass bei der genannten Belastung auch schon bei Bestrahlungsstärken von 0,5 - 100 kW/m² und im Frequenzbereich der gepulsten Strahlung von 1 Hz - 2 MHz mechanische Schwingungen im Material des Werkstücks oder Werkstoffs auftreten. Diese optisch induzierte Schwingungsbeanspruchung kann zu unerwünschter Materialermüdung und Materialversagen führen. Diese Erkenntnis kann dazu genutzt werden, eine Methode zur beschleunigten Messung der photomechanischen Auswirkungen auf unterschiedliche Materialien bei optisch induzierter Schwingbeanspruchung zu entwickeln, die eine Prüfung derartigen Belastungen unterworfener Materialien oder Bauteile zulassen und damit im Vorhinein das Verhalten derartiger Materialien abschätzbar machen. Dies gilt insbesondere auch für die Exposition von Materialien durch Strahlung gepulster Strahlungsquellen, insbesondere auch nicht kohärenter gepulster Strahlungsquellen, die durch die Weiterentwicklung der LED-Technik, aber auch der Lasertechnik in immer mehr Bereiche vordringt, in der bisher kontinuierlich oder mit geringen Frequenzen gepulst strahlende Strahlungsquellen eingesetzt wurden oder die Strahlungsintensitäten wesentlich geringer waren, so dass die Schädigung derart mit Strahlung exponierter Materialien nicht oder nicht in schädlichem Maße auftreten konnte. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet nunmehr die Möglichkeit, derartige Expositionen von Materialien gezielt und im Hinblick auf dadurch hervor gerufene Materialveränderungen in einem überschaubaren Zeitraum zu untersuchen. Die Materialantwort des der Strahlungsexposition ausgesetzten Werkstücks oder Werkstoffs erfolgt durch die Schwingung des Materials vor allem in dem Bereich der Strahlungsexposition, aber auch darüber hinaus, die und vor allem deren Veränderung mit zunehmender Bestrahlungszeit mittels der Sensoren erfasst werden kann. Dabei kann die Strahlungsexposition sowohl hinsichtlich der Einwirkdauer als auch hinsichtlich der Einwirkcharakteristik durch Beeinflussung der Strahlungsquelle einfach und in weiten Bereichen variiert und dem jeweiligen Prüfzweck angepasst werden. Das zumindest oberflächlich vor allem im Bereich der Strahlungsexposition schwingende Material kann dadurch seine Materialeigenschaften, stetig oder auch plötzlich, vorübergehend oder dauerhaft verändern, was sich wiederum unter anderem durch Veränderungen der durch die gepulste Strahlung hervorgerufenen Schwingung des Materials über entsprechende Sensoren erfassen und gezielt auswerten lässt. Diese Untersuchungen können durch die wählbaren Bedingungen bei der Strahlungsexposition quasi im Zeitraffer erfolgen, so dass das Materialverhalten in wesentlich kürzerer Zeit als bei der realen Strahlungsexposition von zu prüfenden Werkstücken oder Werkstoffen geprüft und beurteilt werden kann. Dies ist z.B. für Gewährleistungsaspekte bei der Auslegung realer, derartigen Belastungen unterliegender Bauteile von großer Wichtigkeit. Sowohl durch die Erzeugung der gepulsten Strahlung als auch durch die bevorzugt berührungslose Sensorik zur Erfassung der Materialschwingungen des Werkstücks oder Werkstoffs kann die Prüfung in sehr weiten Bereichen verändert und auch unterschiedlichen Einsatzbedingungen des Werkstücks angepasst werden.
Von besonderer Bedeutung ist es, dass die erfassten Schwingungen des Werkstücks oder des Werkstoffs, insbesondere im Hinblick auf Amplitude und/oder Signalform und/oder Frequenz und/oder Resonanzen, analysiert und materialspezifische Eigenschaften und insbesondere dauerhafte Veränderungen des Werkstücks oder des Werkstoffs aufgrund der einwirkenden gepulsten Strahlung bestimmt werden können. Aus der Materialantwort des der Strahlungsexposition ausgesetzten, schwingenden Bereichs des Werkstücks oder Werkstoffs sowie deren Veränderungen während der Prüfzeit lassen sich viele Informationen über optische, mechanische oder sonstige Veränderungen des Materials des Werkstücks oder des Werkstoffs erfassen, die durch die Strahlungsexposition hervorgerufen oder verstärkt werden und die bisher nicht oder nicht zufriedenstellend erfasst oder weiter verarbeitet werden konnten. Aus der Schwingungsantwort lassen sich über Amplitude, Signalform und Frequenz ggf. weitere probenspezifische Informationen gewinnen. Damit lassen sich sowohl zur Prüfung bestehender Werkstücke oder Werkstoffe als auch zur Auslegung neuer Werkstücke oder Werkstoffe wichtige Daten ermitteln und derartige Einsatzfälle optimieren.
In einer ersten Weiterbildung kann die gepulste Strahlungsquelle die Oberfläche des Werkstücks oder des Werkstoffs mit einer Bestrahlungsstärke von 0,5 - 100 kW/m² bestrahlen. In Abhängigkeit von der Entfernung zwischen der Strahlungsquelle und dem Werkstück könnten auch Bestrahlungsstärken von weit mehr als 100 kW/m² realisiert werden, auch wenn das nicht unbedingt den realen Einsatzbedingungen entspricht. Durch eine erhöhte Bestrahlungsstärke könnte aber eine zeitgeraffte Alterung der bestrahlten Materialien simuliert werden. Derartige Bestrahlungsstärken kommen durch den erweiterten Einsatz konzentriert und kleinflächig strahlender Strahlungsflächen etwa für Fahrzeugscheinwerfer, Projektoren oder dgl. immer häufiger vor, bei denen durch diese Strahlung z.B. aus Kunststoffen bestehende Linsen, Schweinwerferbauteile oder dgl. hinsichtlich ihres Materialverhaltens und dessen Veränderungen auch über längere Betriebsdauern beurteilt werden müssen. Für derartige Prüfungen stand bisher kein geeignetes Prüfungsverfahren zur Verfügung.
Weiter ist es von Vorteil, wenn die gepulste Strahlung der Strahlungsquelle im Frequenzbereich von 1 Hz - 2 MHz bei beliebigem Tastgrad (Tastgrad = Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer) emittiert wird. In derartigen Frequenzbereichen strahlen die Strahlungsquellen, wie etwa LEDs, Laser oder dgl. in immer mehr technischen Anwendungen und es ist daher erforderlich, die Auswirkungen der gepulsten Strahlung auf diese exponierten Bereiche für derartige Werkstücke oder des Werkstoffe testen zu können.
Dabei kann die gepulste Strahlung der Strahlungsquelle entweder nur im sichtbaren oder auch sowohl im sichtbaren als auch im nicht sichtbaren Frequenzbereich strahlen, vorzugsweise im Bereich der UV-Strahlung (λ<380 nm). Auch ein Betrieb der Strahlungsquelle nur im nicht sichtbaren Frequenzbereich ist denkbar. Je nach Strahlungsquelle ist die emittierte Strahlung nicht engbandig und nur auf den sichtbaren Spektralbereich beschränkt, sondern kann auch ganz oder teilweise außerhalb des sichtbaren Bereichs liegen. Auch in diesen Frequenzbereichen kann eine Wechselwirkung der Strahlung mit dem Werkstück oder Werkstoff mit den vorstehenden Veränderungen auftreten, die sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens durch entsprechende Auslegung der Strahlungsquelle und der Sensoren erfassen lassen. Auf Anwendungsfälle aus der Beleuchtungstechnik bezogen, ist Strahlung aus dem sichtbaren Bereich (Licht) von größerem Interesse. Besonders interessant ist hierbei der kurzwellige Bereich des sichtbaren Lichts (380-500 nm, blau). Ebenfalls wäre auch der Infrarot-Bereich möglicherweise von Interesse (>780 nm). Weiterhin ist es auch denkbar, dass das Spektrum der emittierten Strahlung und die Wellenlänge und/oder das Wellenlängenspektrum derart gewählt wird, dass insbesondere kurzwellige hochenergetische Strahlung nicht nur zur mechanischen Schwingungsbelastung des Werkstücks oder Werkstoffs führt, sondern auch zur simultanen Auslösung photochemischer Prozesse. Neben der Strahlungsleistung als dem abgegebenen Strahlungsfluss in W ist auch das Spektrum der emittierten Strahlungsenergie (also die Energie der Strahlungsphotonen) und damit der Wellenlänge bzw. des Wellenlängenspektrums von Relevanz und kann an einzelne Fragestellungen angepasst werden (z.B. kurzwellige hochenergetische Strahlung zur simultanen Auslösung photochemischer Prozesse). Auch derartige Veränderungen der der Exposition ausgesetzten Werkstücke oder Werkstoffe können durch entsprechende Auslegung der Strahlungscharakteristik der Strahlungsquelle und Verwendung passender Sensoren untersucht werden. Dabei wäre es auch denkbar, ein Werkstück sukzessive unterschiedlichen Wellenlängen oder Pulsfrequenzen oder Tastverhältnissen der Strahlung auszusetzen, also anwendungsspezifische „Rezepturen“ der Strahlung einwirken zu lassen.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn als Sensoren zur Erfassung der Schwingungsantwort des Werkstücks oder des Werkstoffs akustische und/oder mechanische und/oder optische Sensoren verwendet werden. Diese berührenden oder berührungslosen Sensoren sind heute als Standardsensoren einsetzbar und entsprechend robust und in ihren Eigenschaften wohl bekannt. Berührungslos arbeitende Sensoren haben den Vorteil, in ihrer Anordnung unabhängig von der jeweiligen Form des Werkstücks positioniert und betrieben werden zu können. Dabei ist es denkbar, dass ein oder mehrere Sensoren die Schwingung der Oberfläche an einer Stelle oder zeitgleich an mehreren Stellen der Oberfläche des Werkstücks oder des Werkstoffs erfassen. Bei den akustischen Sensoren erfassen die Sensoren die Schwingungen des Werkstücks oder des Werkstoffs vorteilhaft summarisch für das ganze Werkstück oder den ganzen Werkstoff. Auch die Kombination unterschiedlicher Sensoren für ein und dieselbe Testreihe ist denkbar.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Erfassung der Beanspruchung von Werkstücken oder Werkstoffen durch Bestrahlung mit gepulster Strahlung, insbesondere mit gepulstem Licht, bei der erfindungsgemäß die Vorrichtung eine gepulste Strahlungsquelle von hoher Intensität aufweist, die das Werkstück oder den Werkstoff bestrahlt und dadurch zumindest Teile der Oberfläche von Werkstück oder Werkstoff in eine Schwingung im Wesentlichen gleicher Frequenz wie die Pulsfrequenz der Strahlung versetzt, wobei Sensoren zur Erfassung von Schwingungen derart zur Oberfläche des Werkstücks oder des Werkstoffs angeordnet sind, dass die Sensoren die durch die Strahlung der gepulsten Strahlungsquelle angeregte Schwingung der Oberfläche des Werkstücks oder des Werkstoffs detektieren, und eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die auf Basis der erfassten Schwingungen des Werkstücks oder des Werkstoffs dauerhafte Veränderungen der Oberfläche des Werkstücks oder des Werkstoffs durch die mittels gepulster Strahlung ausgelösten Schwingungen auswertet. Der Aufbau der Vorrichtung und deren Baueinheiten ergeben sich aus dem schon beschriebenen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens und sind in ihren Grundideen schon dort geschildert worden, worauf hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Sowohl Strahlungsquelle als auch Sensoren können aus einer Vielzahl denkbarer technischer Standardkomponenten je nach Prüfzweck und Eigenschaften des Werkstücks oder des Werkstoffs ausgewählt und in der Vorrichtung eingesetzt werden. So sind als Strahlungsquelle LED-Licht, Laserlicht, Licht einer Gasentladungslampe, Licht einer Blitzlichtlampe oder dgl. künstlich erzeugte Strahlung oder natürliche Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, denkbar. Ebenfalls können entsprechende Strahlungsquellen zum Einsatz kommen, deren abgegebene Strahlung ganz oder teilweise im nicht-sichtbaren Spektralbereich liegt, z.B. im UV-Spektrum. Auch ist es denkbar, dass die Strahlungsquelle nicht direkt an dem Werkstück oder dem Werkstoff angeordnet ist und die Strahlung der Strahlungsquelle über einen Lichtleiter an das Werkstück oder den Werkstoff transportiert wird. Durch derartige Lichtleiter können die Strahlungsquellen in hinreichendem Abstand von Werkstück oder Werkstoff positioniert und die Strahlung durch Änderung der Form der Lichtleiter an das Werkstück oder den Werkstoff heran geführt werden.
Hinsichtlich der Sensoren ist es denkbar, dass zur Erfassung der Materialantwort des Werkstücks oder des Werkstoffs akustische Meßtechnik, insbesondere Schallwandler jeglicher Art, weiter insbesondere Mikrofone, und/oder taktile/ mechanische Sensoren, insbesondere Rasterkraftmikroskope, und/oder optische Sensoren, insbesondere Laservibrometer, eingesetzt werden. Es wäre auch eine Kombination aus den einzelnen Messprinzipen denkbar. Je nach geforderter Genauigkeit und zulässigem Kosteneinsatz können die jeweils passenden Sensoren ausgewählt werden, wobei aber grundsätzlich jedes Messprinzip, das Schwingungen mit kleinen Amplituden und Frequenzen zwischen einigen hundert Hz und einigen MHz messen kann, zum Einsatz kommen kann.
Bei dünnen Proben des Werkstücks oder des Werkstoffs können die Sensoren auch derart angeordnet werden, dass eine Erfassung der Materialschwingung des Werkstücks oder des Werkstoffs auf der der Strahlungsexposition gegenüberliegenden Oberfläche des Werkstücks oder des Werkstoffs erfolgt. Dies kann je nach Form und Zugänglichkeit der Erfassungsbereiche an einem Werkstück vorteilhaft sein.
Hinsichtlich der Strahlungserzeugung ist es von Vorteil, wenn die Bestrahlungsquelle eine Strahlungsstärke von 0,5 - 100 kW/m² oder darüber hinaus aufweist und die Strahlungsquelle derart ausgestaltet ist, dass sie eine Strahlung im Frequenzbereich von 1 Hz - 2 MHz emittiert. Hiermit wird ein technisch wichtiger Bereich der Strahlungsexposition abgedeckt, der in technischen Geräten häufig vorliegt und für den die Untersuchung der Materialeigenschaften derart bestrahlter Oberflächen von technischer und wirtschaftliche Bedeutung ist.
Hierbei ist es in weiterer Ausgestaltung denkbar, dass die gepulste Strahlung durch elektronische Schaltungen oder mechanisch durch eine oder mehrere rotierende Blenden erzeugt werden kann. Bei einer Erzeugung der gepulsten Strahlung mittels elektronischer Schaltungen können z.B. Mikrokontroller als programmierbarer Taktgeber oder Transistoren als elektronische Schalter mit Frequenzen zwischen 1 Hz bis mehreren MHz eingesetzt werden. Eine elektronische Erzeugung der Strahlungspulse hat darüber hinaus den Vorteil, dass das Tastverhältnis, also das Verhältnis der An- zu Auszeit des Pulses, mittels elektronischer Schaltungen einfach und technisch unaufwändig zwischen 0 und 100% variabel eingestellt werden kann.
In einer anderen Ausgestaltung ist es aber auch denkbar, dass eine oder eine Abfolge mehrerer, zwischen Strahlungsquelle und Werkstück oder Werkstoff positionierter optischer Blenden elektrisch angetrieben mit einer hinsichtlich der Frequenz gesteuerten Drehzahl rotieren und die Pulsung der gepulsten Strahlung ermöglichen. Durch die Drehzahl kann die Pulsfrequenz gesteuert werden. Die Pulse könnten auch durch laterale anstelle von rotatorischen Bewegungen erzeugt werden (z.B. auf und ab schwingende Blenden). Dabei wird in an sich bekannter Weise eine Modulation der Frequenz der Strahlungsquelle über den Versatz und die Anzahl von Öffnungen in der oder den rotierenden optischen Blenden variiert. Die Ausgestaltung mit hintereinander geschalteten, rotierenden Blenden kann zur Erzeugung extrem kurzer Pulse oder von Pulsen komplexer Form genutzt werden.
Auch ist sowohl bei elektronischer als auch mechanischer Erzeugung der Pulse die Pulsform variabel vorgebbar, vorzugsweise als Sinus, Rechteck, Sägezahn, oder dgl. Pulsform.
Weiterhin ist es denkbar, die Strahlungsintensität und/oder die Wellenlänge(n) der Strahlung während der Bestrahlung des Werkstücks oder Werkstoffes veränderbar auszugestalten. Dabei kann die Modulation der Strahlungsintensität sowohl zwischen Null und einem Maximalwert als auch zwischen beliebigen Minimal- und Maximalwerten eingestellt werden. Auch ist es denkbar, die gepulste Strahlung bei der Modulation als einfache Schwingung oder als komplexe Überlagerungen von verschiedenen Schwingungen, vorzugsweise als Schwebungen, zu erzeugen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:

1 - in einer rein prinziphaft ausgebildeten Darstellung den grundsätzlichen Aufbau und die Funktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer optischen Erfassung der Schwingungen des Werkstücks,
2 - in einer rein prinziphaft ausgebildeten Darstellung den grundsätzlichen Aufbau und die Funktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer taktilen/mechanischen Erfassung der Schwingungen des Werkstücks,
3 - in einer rein prinziphaft ausgebildeten Darstellung den grundsätzlichen Aufbau und die Funktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer akustischen Erfassung der Schwingungen des Werkstücks.

In der 1 ist in einer prinziphaft ausgebildeten Darstellung der grundsätzliche Aufbau und die Funktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erkennen, bei der ein Werkstück 2 oder ein Werkstoff in Form einer Probe 2 von einer Strahlungsquelle 1 mit einer gepulsten Strahlung 3, z.B. einer gepulsten Lichtstrahlung im sichtbaren Spektralbereich bestrahlt wird. Die Pulsung der Strahlung 3 wird dabei entweder durch eine nicht weiter dargestellte Elektronik oder über ebenfalls nicht dargestellte, rotierende oder sonstige bewegliche Blenden erzeugt. Der Einwirkungsbereich der gepulsten Strahlung 3 auf Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 kann dabei mit einer Einhausung 7 umgeben und damit eventuelles Personal in der Nähe der Vorrichtung geschützt werden. Bei der optischen Erfassung der Schwingungen zumindest der Oberfläche des Werkstücks 2, die in vorstehend ausführlich beschriebener Form durch die gepulste Strahlung 3 und mit gleicher Frequenz wie die der gepulsten Strahlung 3 hervorgerufen wird, kann ein optischer Sensor 5 oder auch mehrere optische Sensoren 5 wie etwa Laservibrometer seitlich oberhalb der Einwirkungsstelle der gepulsten Strahlung 3 auf dem Werkstück 2 oder der Werkstoffprobe 2 so angebracht werden, dass sie die Oberfläche des Werkstücks 2 beobachten und dort auftretende Schwingungen erfassen können. Bei hinreichend dünnen Wandungen des Werkstücks 2 oder dünnen Werkstoffproben 2 kann ein derartiger optischer Sensor 6 auch auf der der Einwirkungsstelle der gepulsten Strahlung 3 gegenüberliegenden Oberfläche von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 angeordnet werden, da ein derart dünner Bereich von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 nicht nur an der Oberfläche, sondern im Ganzen aufgrund der gepulsten Strahlung 3 zur Schwingung angeregt wird. Die erfassten Schwingungen von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 können dann von dem oder den optischen Sensoren 5, 6 abgenommen und einer nicht weiter dargestellten Auswertungseinrichtung zugeführt werden, die aus den Daten des oder der Sensoren 5, 6 dann Informationen über eventuelle Veränderungen von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 aufgrund der Einwirkung der gepulsten Strahlung 3 ermitteln kann.
In der 2 ist in einer der 1 entsprechend ausgestalteten Vorrichtung als Messprinzip die taktile oder mechanische Messung mit Hilfe von z.B. Rasterkraftmikroskopen 4, 6 zu erkennen, wobei der Sensor 4 auf der mit der gepulsten Strahlung 3 beaufschlagten Oberfläche von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 angeordnet ist und, wiederum bei hinreichend dünnen Wandungen des Werkstücks 2 oder dünnen Werkstoffproben 2, ein derartiger taktiler Sensor 6 auch auf der der Einwirkungsstelle der gepulsten Strahlung 3 gegenüberliegenden Oberfläche von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 angeordnet werden kann.
Die 3 zeigt als Messprinzip die akustische Messung der Schwingungen von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2, die durch die gepulste Strahlung 3 auf der Oberfläche von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 erzeugt werden, wobei der Sensor 4 auf der mit der gepulsten Strahlung 3 beaufschlagten Oberfläche von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 angeordnet werden kann. Auch hier ist wieder denkbar, dass ein akustischer Sensor 6 wie ein Mikrofon auch auf der der Einwirkungsstelle der gepulsten Strahlung 3 gegenüberliegenden Oberfläche von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 angeordnet wird, wenn die Wandungen des Werkstücks 2 oder die Werkstoffprobe 2 hinreichend dünn ausgebildet ist. Weiterhin ist es bei der akustischen Messung der Schwingungen von Werkstück 2 oder Werkstoffprobe 2 aber auch denkbar, einen akustischen Sensor 5 in den Bereich der Einwirkung der gepulsten Strahlung, aber beabstandet davon anzubringen, der dann die Schwingungen der umgebenden Luft aufgrund der Schwingungen des Werkstücks 2 oder der Werkstoffprobe 2 erfasst.
Es sind grundsätzlich alle Typen von Werkstoffen für die Prüfung gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens vorstellbar: Metalle, Kunststoffe, Keramiken, etc. Das Werkstück 2 muss auch kein definierter Probenkörper sein, sondern kann auch ein fertiges Bauteil/Objekt, z.B. eine Kunststofflinse aus einem Autoscheinwerfer sein.
Vorstellbar wäre als Vorrichtung auch ein kompaktes und portables Gerät, das nach dem optischen oder akustischen Messprinzip arbeitet, um mobil Prüfungen an großen Bauteilen oder Werkstücken vornehmen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung lässt sich insbesondere für folgende Einsatzgebiete nutzen, z.B. in der Beleuchtungstechnik zur

• beschleunigten Untersuchung der Beständigkeit von optischen Komponenten gegenüber dynamischer optischer Belastung, z.B. wegen Gewährleistungsaspekten (Vorhersage der Lebensdauer)
• Allgemeinbeleuchtung mit LEDs (LEDs werden in der Regel gepulst betrieben)
• Optische Komponenten in (z.B. Daten- und Kino-) Projektoren
• Komponenten in Fahrzeugscheinwerfern und Leuchten
• Allgemeine Prüfung optischer Komponenten unabhängig vom Anwendungsgebiet
• Komponenten aus dem Bereich der Lasertechnik.

Ein weiteres Anwendungsgebiet könnte die allgemeine kontaktlose dynamische Werkstoffprüfung sein:

• optisch induzierte Anregung des Materials zur Simulation kleinster Betriebsschwingungen im Nano- bis Mikrometerbereich
• konträre Herangehensweise zur klassischen mechanischen Schwing-/ Ermüdungsprüfung: Sehr hohe Frequenzen bei niedriger Beanspruchungsamplitude
• vorstellbares Anwendungsgebiet ist auch eine zeiteffiziente, kontaktlose, dynamische Werkstoffprüfung, speziell hochfrequente Charakterisierung kleinster Schwingungen des Werkstoffs im Nano- bis Mikrometerbereich durch thermische Ausdehnung
• Zeiteffizienz durch erhöhte Prüffrequenz
• Erstellung von Lebensdauerkurven analog zu Wöhlerlinien
• Anwendungsorientierte Kombination von mechanischer und lichtinduzierter dynamischer Beanspruchung: möglich ist beispielsweise das Einstellen von unterschiedlichen Frequenzen je Beanspruchungsart (mechanisch, lichtinduziert) zur Berechnung einer kombinierten Bauteillebensdauer unter Betriebslast, z.B. Komponenten in KFZ-Scheinwerfern
• Geeignet für sehr dünne Bauteile, die im Einsatz hochfrequenten Schwingungen mit niedrigen Beanspruchungsamplituden ausgesetzt sind, beispielsweise:
- - akustisch beanspruchte Membranen in Lautsprechern
- - flexible Bauteile aus Elastomeren
• Spezialmethode als Alternative zur konventionellen Ultraschallprüfung (Frequenzlimit bisher f = 20 kHz)
- - Vorteil: Frequenzen theoretisch > 1 MHz möglich → Zeitersparnis/-effizienz und neue Lebensdauerbereiche abbildbar
• Vorteile durch geometrieunabhängige Prüfung, zudem ist keine Einspannung der Probe erforderlich
• Probe kann theoretisch am Einsatzort geprüft werden → denkbar ist eine kontaktlose Zustandsüberwachung von schwingbeanspruchten Bauteilen, wie beispielsweise Brücken

Sachnummernliste

1: Gepulste Strahlungsquelle
2: Werkstück/Werkstoffprobe
3: gepulste Strahlung
4: Position Meßsensor
5: Position Meßsensor
6: Position Meßsensor
7: Einhausung

Claims

Verfahren zur Erfassung der Beanspruchung von Werkstücken (2) oder Werkstoffen (2) durch Bestrahlung mit gepulster Strahlung (3), insbesondere mit gepulstem Licht, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) oder der Werkstoff (2) während eines Zeitraums mit einer gepulsten Strahlungsquelle (1) von hoher Intensität bestrahlt und dadurch zumindest Teile der Oberfläche in eine Schwingung im Wesentlichen gleicher Frequenz wie die Pulsfrequenz der Strahlung (3) versetzt wird, während der Bestrahlung die durch die Strahlung der gepulsten Strahlungsquelle (1) angeregte Schwingung der Oberfläche des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) mittels Sensoren (4, 5, 6) zur Erfassung von Schwingungen detektiert wird, auf Basis der erfassten Schwingungen des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) Veränderungen insbesondere der Oberfläche des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) durch die mittels gepulster Strahlung (3) ausgelösten Schwingungen erfasst und ausgewertet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Schwingungen des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2), insbesondere im Hinblick auf Amplitude und/oder Signalform und/oder Frequenz und/oder Resonanzen, analysiert und materialspezifische Eigenschaften und insbesondere dauerhafte Veränderungen des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) aufgrund der einwirkenden gepulsten Strahlung bestimmt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Strahlungsquelle (1) die Oberfläche des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) mit einer Bestrahlungsstärke von 0,5 - 100 kW/m² oder darüber hinaus bestrahlt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Strahlung (3) der Strahlungsquelle (1) im Frequenzbereich von 1 Hz - 2 MHz bei beliebigem Tastgrad emittiert wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Strahlung (3) der Strahlungsquelle (1) im sichtbaren und/oder im nicht-sichtbaren Frequenzbereich, vorzugsweise im Bereich der UV-Strahlung (λ<380 nm), emittiert wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum der emittierten Strahlung (3) und die Wellenlänge und/oder das Wellenlängenspektrum, insbesondere als kurzwellige hochenergetische Strahlung (3) zur simultanen Auslösung photochemischer Prozesse, emittiert wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (4, 5, 6) zur Erfassung der Materialantwort des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) akustische und/oder mechanische und/oder optische Sensoren (4, 5, 6) verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4, 5, 6) die Schwingung der Oberfläche an einer Stelle oder zeitgleich an mehreren Stellen der Oberfläche des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) erfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Sensoren (4, 5, 6) die Schwingungen des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) summarisch für das ganze Werkstück (2) oder den ganzen Werkstoff (2) erfassen.
Vorrichtung zur Erfassung der Beanspruchung von Werkstücken (2) oder Werkstoffen (2) durch Bestrahlung mit gepulster Strahlung (3), insbesondere mit gepulstem Licht, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine gepulste Strahlungsquelle (1) von hoher Intensität aufweist, die das Werkstück (2) oder den Werkstoff (2) bestrahlt und dadurch zumindest Teile der Oberfläche von Werkstück (2) oder Werkstoff (2) in eine Schwingung im Wesentlichen gleicher Frequenz wie die Pulsfrequenz der Strahlung (3) versetzt, Sensoren (4, 5, 6) zur Erfassung von Schwingungen derart zur Oberfläche des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) angeordnet sind, dass die Sensoren (4, 5, 6) die durch die Strahlung (3) der gepulsten Strahlungsquelle (1) angeregte Schwingung der Oberfläche des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) detektieren, eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die auf Basis der erfassten Schwingungen des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2), insbesondere dauerhafte, Veränderungen der Oberfläche des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) durch die mittels gepulster Strahlung (3) ausgelösten Schwingungen auswertet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungsquelle (1) eine Strahlungsstärke von 0,5 - 100 kW/m² aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) derart ausgestaltet ist, dass sie eine Strahlung im Frequenzbereich von 1 Hz - 2 MHz bei beliebigem emittiert.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (4, 5, 6) zur Erfassung der Materialantwort des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) akustische Sensoren, insbesondere Schallwandler jeglicher Art, weiter insbesondere Mikrofone, und/oder taktile/mechanische, insbesondere Rasterkraftmikroskope, und/oder optische Sensoren, insbesondere Laservibrometer, einsetzbar sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei dünnen Proben des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) die Sensoren (6) derart angeordnet sind, dass eine Erfassung der Materialschwingung des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) auf der der Strahlungsexposition gegenüberliegenden Oberfläche des Werkstücks (2) oder des Werkstoffs (2) erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Strahlung (3) durch elektronische Schaltungen oder mechanisch durch eine oder mehrere rotierende Blenden erzeugbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in elektronischen Schaltungen als Erzeuger der gepulsten Strahlung (3) Mikrokontroller als programmierbare Taktgeber oder Transistoren als elektronische Schalter mit Frequenzen zwischen 1 Hz bis mehreren MHz einsetzbar sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis (Verhältnis der An- zu Auszeit des Pulses) mittels elektronischer Schaltungen zwischen 0 und 100% variabel einstellbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder eine Abfolge mehrerer, zwischen Strahlungsquelle (1) und Werkstück (2) oder Werkstoff (2) positionierter optischer Blenden elektrisch angetrieben mit einer hinsichtlich der Frequenz gesteuerten Drehzahl rotieren oder bewegen und die Pulsung der gepulsten Strahlung (3) ermöglichen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulation der Frequenz der Strahlungsquelle (1) über den Versatz und die Anzahl von Öffnungen in der oder den rotierenden oder sich bewegenden optischen Blenden variierbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsform der Strahlung (3) variabel vorgebbar ist, vorzugsweise als Sinus, Rechteck, Sägezahn, oder dgl. Pulsform.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsintensität und/oder die Wellenlänge(n) der Strahlung (3) während der Bestrahlung des Werkstücks (2) oder Werkstoffes (2) veränderbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Strahlung (3) bei der Modulation als einfache Schwingung oder als komplexe Überlagerungen von verschiedenen Schwingungen, vorzugsweise als Schwebungen, erzeugbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle (1) LED-Licht, Laserlicht, Licht einer Gasentladungslampe, Licht einer Blitzlichtlampe oder dgl. künstlich erzeugte Strahlung (3) oder natürliche Strahlung (3), insbesondere Sonnenlicht, nutzbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) nicht direkt an dem Werkstück (2) oder dem Werkstoff (2) angeordnet ist und die Strahlung (3) der Strahlungsquelle (1) über einen Lichtleiter an das Werkstück (2) oder den Werkstoff (2) transportiert wird.