DE19609881C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen des Materials eines Probekörpers - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen des Materials eines ProbekörpersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erkennen des Materials eines
Probekörpers.
In neuerer Zeit gewinnt die Wiederverwertung von Materialien von Gebrauchsgütern, nachdem
diese das Ende ihrer Gebrauchsdauer erreicht haben, zunehmend an Bedeutung. Dabei ist es
wichtig, die unterschiedlichen Materialien sicher zu erkennen, um Materialströme ausreichender
Reinheit zu schaffen, die Voraussetzung für eine Wiederverwertbarkeit des Materials auf
möglichst hoher Wertstufe sind. Insbesondere beim Kraftfahrzeugrecyclen fallen große
Materialmengen an, die einer Wiederverwertung zugeführt werden müssen.
Derzeit eingesetzte automatische Materialerkennungsverfahren nutzen beispielsweise die
thermischen Eigenschaften der Materialoberfläche in Form einer Wärmeimpulsantwort, die die
Materialoberfläche auf einen Laserimpuls hin abgibt, oder arbeiten mit Hilfe von Spektroskopie,
die wegen der Auslegung des Spektrometers auf ein bestimmtes Spektrum allerdings im
allgemeinen nur eine Feinerkennung innerhalb einer Materialklasse ermöglicht.
In der US 4,852,397 ist ein Verfahren zur Erkennung von Strukturveränderungen eines
an sich bekannten Materials beschrieben, bei dem eine Vielzahl mechanischer Kenngrößen
bzw. Parameter dadurch ermittelt wird, daß ein Prüfkörper in einen zu untersuchenden
Probekörper zunehmend eingedrückt wird. Aus den mechanischen Kenngrößen bzw.
Parametern und deren Änderungen kann auf Strukturveränderungen des an sich bekannten
Materials des Probekörpers geschlossen werden.
Die DE 22 13 983 B2 beschreibt eine Werkstoffprüfvorrichtung, bei der ein Prüfling in
definierter Weise plastisch verformt und anschließend elektromagnetisch abgetastet wird.
Wenn die plastische Verformung einen bestimmten Bezugswert übersteigt, ist dies an einem
aus der elektromagnetischen Abtastung hergeleiteten Signal erkennbar und weist auf einen
anderen metallischen Werkstoff als den normalerweise vorhandenen hin.
Die DD 2 21 065 A1 beschreibt ein Verfahren zur Artsortierung von Fischen, bei dem
Fische mit konstantem Druck abgetastet werden. Die dabei entstehende Eindruckstelle hat
eine fischartspezifische Tiefe, die gemessen wird und zur Arterkennung herangezogen wird.
Die EP 0 457 412 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewertung der
Qualität einer Schicht elastisch nachgiebigen Polymerschaums, bei dem bzw. der ein
Prüfkörper mit einer vorbestimmten Zeitkonstanten die Schicht eindrückt, die auf den
Prüfkörper einwirkende Kraft in Abhängigkeit von der Zeit registriert wird und daraus eine
die Qualität des Schaums kennzeichnende Größe errechnet wird.
Die JP 4-12245 (A) beschreibt ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung, bei
dem ein Material als in Ordnung bewertet wird, wenn die Werte der die in ihm gemessene
Schallgeschwindigkeit und seiner Vickers-Härte innerhalb eines vorbestimmten Bereiches
einer Kurve liegen, die den Zusammenhang zwischen diesen Werten bei einwandfreien
Materialien darstellt.
Die JP 57-104837 (A) beschreibt ein Verfahren, bei dem auf einen Stahl bei verschiedenen
Temperaturen eine mechanische Spannung aufgebracht wird und die Spannung über dem
Larson-Miller Parameter für verschiedene Verhältnisse von Spannungseinwirkzeitdauer zu
Kriechbruchzeitdauer aufgetragen wird. Aus der gemessenen Härte des Stahls, seiner
Einsatzdauer und der Temperatur kann auf die mögliche Einsatzdauer geschlossen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen
des Materials eines Probekörpers anzugeben, mit dem bzw. der es möglich ist, unterschiedlichste
Materialien sicher zu erkennen, selbst wenn, wie in der Praxis häufig vorkommend, der
Probekörper lackiert ist.
Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs gelöst.
Die Unteransprüche 2 bis 8 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens gerichtet.
Ein wesentliches Element des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt somit darin, daß die
Eindringtiefe des Prüfkörpers in den Probekörper in Abhängigkeit von der Kraft gemessen
wird, mit der der Prüfkörper gegen den Probekörper gedrückt wird, und die sich ergeben
de Meßkurve bzw. die sich ergebenden Meßpunkte mit einer Schar von Sollkurven bzw.
Sollpunkten verglichen wird, die experimentell mit Probekörpern aus bekanntem Material
ermittelt wurden oder berechnet wurden und dem gemessenen Probekörper dann das
Material derjenigen Sollkurve bzw. der Sollwerte zugeordnet wird, bei dem sich die
geringste Abweichung zwischen Meßwerten bzw. Meßkurve und Sollwerten bzw. Soll
kurve ergibt. Vorteilhafterweise werden die geringsten Abweichungen dabei nicht über das
gesamte Kraftintervall bestimmt, sondern über einzelne Bereiche, wodurch das Verfahren
zu besonders sicheren Ergebnissen führt.
Der die Vorrichtung betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit dem Merkmal des
Anspruchs 9 gelöst.
Die Ansprüche 10 und 11 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungs
gemäßen Vorrichtung.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und
mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Vorrichtung zum
Erkennen des Materials eines Probekörpers,
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer zur Vorrichtung gemäß Fig. 1 gehörenden
Datenverarbeitungsanlage,
Fig. 3 eine Detailansicht eines in einen Probekörper eindringenden Prüfkörpers,
Fig. 4 eine schematische Ansicht der sich ergebenden Berührfläche zwischen Prüfkör
per und Probekörper,
Fig. 5 eine Kraft-Zeit-Kurve eines typischen Vorgangs zur Materialbestimmung,
Fig. 6 einen Satz von Meßwerten der Eindringtiefe in Abhängigkeit von der Kraft
und eine durch diese Meßwerte unter Anwendung der Methode des kleinsten
Fehlerquadrates gelegte errechnete Sollkurve zur Bestimmung eines das Materi
al kennzeichnenden Parameters a,
Fig. 7 Kurven zur Erläuterung des Verfahrens zur Ermittlung des Parameters a über
Bereiche zunehmender und abnehmender, auf den Prüfkörper aufgebrachten
Kräfte,
Fig. 8 bis 11 für verschiedene Materialien experimentell ermittelte Eindringtiefen in
Abhängigkeit von der Kraft und
Fig. 12 bis 15 Werte des Parameters a, jeweils für verschiedene Kraftbereiche er
mittelt.
Gemäß Fig. 1 weist eine Vorrichtung zum Erkennen des Materials eines Probekörpers ein
in sich stabiles Gestell 2 auf, das mit einem Ansatz 4 versehen ist, der beispielsweise von
einem Roboter sicher greifbar ist. In dem Gestell 2 ist an Tragarmen 6 starr befestigt eine
Krafterzeugungseinheit 8, mit der sich ein aus der Krafterzeugungseinheit 8 vorstehender,
relativ zur Krafterzeugungseinheit 8 beweglicher, als Aufnahmekopf 10 für einen Prüfkör
per 12 ausgebildeter Stempel mit einer definierten Kraft F gemäß Fig. 1 nach unten
beaufschlagen läßt. Die Krafterzeugungseinheit 8 kann in Form eines doppelt wirkenden,
hydraulischen Zylinders, aber auch als Piezoaktuator usw. ausgebildet sein. Die auf den
Aufnahmekopf 10 bzw. den Prüfkörper 12 von der Krafterzeugungseinheit 8 aufgebrachte
Kraft wird mittels einer in die Krafterzeugungseinheit 8 integrierten Kraftmeßeinrichtung 14
ermittelt, die beispielsweise die Drucke in dem Hydrauliksystem oder die Spannung am
Piezoaktuator ermitteln kann oder unmittelbar als Kraftmeßdose ausgebildet sein kann, die
an dem Aufnahmekopf 10 oder auch zwischen Aufnahmekopf 10 und Prüfkörper 12
angebracht ist.
Mit dem Aufnahmekopf 10 ist starr ein Weggeber 16 verbunden, der in einen gestellfesten
Wegsensor 18 einragt, so daß die jeweilige Bewegung des Prüfkörpers 12 relativ zum
Gestell 2 erfaßt werden kann.
Das Gestell 2 ruht auf einem Prüfkörper 20 über Stützen 22 in definierter Weise auf. An
der Unterseite des Gestells 2 sind Sensoren 24 ausgebildet, mit denen der Abstand zwi
schen der Unterseite des Gestells 2 und der Oberseite des Prüfkörpers 20 flächig erfaßt
werden kann.
Es versteht sich, daß im Zustand der Fig. 1 der Prüfkörper 12 bereits mit großer Kraft
beaufschlagt ist, da er weit in den Probekörper 20 eingedrungen ist. Damit bei diesem
Eindringen großflächige Verformungen des Probekörpers 20 oder ein Vergrößern des
Abstandes zwischen Unterseite des Gestells 2 und Oberseite des Probekörpers 20 erfaßt
werden, die den mittels des Wegsensors 18 erfaßten Eindringweg des Prüfkörpers 12 in
den Probekörper 20 verfälschen, werden die Signale der Sensoren 24 zweckentsprechend
ausgewertet und mit den Signalen des Wegsensors 18 zusammen verarbeitet.
Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer für die Vorrichtung gemäß Fig. 1 vor
gesehenen Datenverarbeitungsanlage, die aus an sich bekannten Bausteinen zusammen
gesetzt ist. Ein Prozessor 28 weist einen als ROM ausgebildeten Hauptspeicher 30 mit
seinem Arbeitsspeicher auf und ist mit programmierbaren Speichern 32 verbunden, in
denen das Betriebssystem, das Steuerprogramm sowie weitere Daten abgelegt sind. Über
eine Schnittstelle 34 zur Datenaufbereitung ist der Prozessor 28 mit der Krafterzeugungs
einheit 8, der Kraftmeßeinrichtung 14, dem Wegsensor 18 und den Sensoren 24 ver
bunden, um zu steuern, daß der Prüfkörper 12 mit vorgegebener Kraft und vorgegebenem
zeitlichen Verlauf in den Probekörper 20 eindringt und aus dem Probekörper 20 zurückge
zogen wird. Die Meßergebnisse können Ausgabegeräte 36, wie Drucker oder Bildschirm
ausgegeben werden. Als Eingabeeinheit 38 ist eine Tastatur vorgesehen.
Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab, wie ein Prüfkörper 12 in einen Probenkörper 20
eindringt. Der Prüfkörper 12 ist dabei eine an sich bekannte, für die Härtebestimmung
nach VICKERS verwendete Diamantpyramide mit quadratischer Grundfläche und einem
Flächenwinkel an der Spitze von 136°. Der Probekörper 20 ist ein Metallkörper 40 mit
einer Lackschicht 42.
Fig. 4 zeigt die Berührfläche des in den Probekörper 20 eingedrungenen Prüfkörpers 12,
wobei das zentrale schwarze Quadrat die Berührfläche mit dem Metallkörper 49 und das
umlaufende matte Quadrat die Berührfläche mit der Lackschicht 42 darstellen.
Fig. 5 zeigt einen typischen, im folgenden näher erläuterten Versuchsablauf zur Bestim
mung eines Materials, bei dem der Prüfkörper 12 zunächst mit zunehmender Prüfkraft F
gegen den Probekörper 20 gedrückt wird, dann die maximale Prüfkraft während einer
bestimmten Zeitdauer beibehalten wird, und dann entlastet wird, wobei sich der Prüfkörper
12 zumindest teilweise wieder aus dem Probekörper 20 herausbewegt.
Fig. 6 zeigt eine Meßreihe, bei der bei zunehmender Kraft F jeweils die Eindringtiefe h
ermittelt wurde. Die Meßpunkte (Fn; hn) sind durch mit Kreisen gefaßte Kreuze markiert.
Mathematisch läßt sich herleiten, daß bei einem metallischen Probekörper 20 und einem
Prüfkörper 12 gemäß Fig. 3 zwischen Eindringtiefe h und Kraft F die Beziehung gilt:
wobei der Parameter a von der Härte des Materials des Probekörpers 20 abhängt und
c eine rechnerische Offsetgröße ist.
Die in Fig. 6 durchgezogene Linie bezeichnet diejenige Kurve h(F), deren Parameter
a einen Wert hat, bei dem die Summe der kleinsten Fehlerquadrate zwischen den
Meßwerten und den zugehörigen Kurvenwerten ein Minimum annimmt. Das rech
nerische Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate ist an sich bekannt und wird hier
ebenso wie der zugehörige Rechner nicht beschrieben. Durch "Fitten" der Meßwerte
mittels einer Kurve läßt sich somit der Parameter a und damit das Material ermitteln,
für das die Meßwerte aufgenommen wurden.
Fig. 7 zeigt eine Weiterentwicklung des in Fig. 6 dargestellten Verfahrens.
Unten in Fig. 7 sind für zunehmende Kraft F und abnehmende Kraft F die sich erge
benden Eindringtiefen h als Meßkurven angegeben. Weiter eingezeichnet sind Intervalle
(geschweifte Klammern), über die mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate
gemäß Fig. 6 jeweils der Parameter ermittelt wird, bei dem die berechnete Kurve die
gemessene Kurve am besten fittet. Für den Mittelwert der Kraft F des jeweiligen
Intervalls ist in Fig. 7 oben der Wert des zugehörigen Parameters a angegeben, so daß
sich für zunehmende Kraft die in Fig. 7 oben gestrichelt eingezeichnete Linie und für
abnehmende Kraft die durchgehende Linie ergeben.
Die Fig. 8, 9, 10 und 11 zeigen Meßkurven der Eindringtiefe h in Abhängigkeit von
der Kraft F für unbeschichtetes Aluminium, beschichtetes Aluminium, Polycarbonat
und Glas.
Die Fig. 12 bis 15 zeigen nach dem Verfahren gemäß Fig. 7 für die Kurven gemäß
Fig. 8 bis 11 ermittelten Werte des Parameters a jeweils für unterschiedliche Probe
körper 20 aus unbeschichtetem Aluminium, lackiertem Aluminium, Polycarbonat und
Glas. Wie ersichtlich, liegen die Parameterwerte insbesondere bei hohen Kräften
und/oder für abnehmende Kraft F außerordentlich eng zusammen, so daß Materialien,
insbesondere Materialklassen, sicher identifiziert werden können, wobei eine Lackie
rung der Identifizierung des Materials nicht entgegensteht.
Claims (11)
1. Verfahren zum Erkennen des Materials eines Probekörpers (20),
bei welchem Verfahren ein Prüfkörper (12) aus einem Material großer Härte mit sich
verändernder Kraft F gegen die Oberfläche des Probekörpers (20) gedrückt wird,
die Eindringtiefe h des Prüfkörpers in den Probekörper als Funktion der Kraft gemessen wird,
die sich ergebenden Meßwerte für die Eindringtiefe hmeß(F) als Funktion der Kraft über ein
Kraftintervall mit einer Schar von Sollwerten hsoll(F,a) verglichen werden, die einen das
Material des Probekörpers kennzeichnenden Parameter a enthalten, und
dem zu erkennenden Material derjenige Wert von a zugeordnet wird, bei dem sich eine
minimale Abweichung zwischen hmeß(F) und hsoll(F,a) ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei welchem ein sich zu einem dem Probekörper (20) zugewandten Ende verjüngender Prüfkör
per (12) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei welchem die Schar der Sollwerte hsoll(F,a) experimentell ermittelt wird, indem der Prüfkör
per (12) mit sich verändernder Kraft F gegen unterschiedliche, bekannte Materialien gedrückt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei welchem die Schar der Sollwerte hsoll(F,a) berechnet wird, indem eine Formel verwendet
wird, die den Parameter a enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei welchem Bereiche der Meßwerte mit Bereichen der Sollwerte über Bereiche zunehmender
und/oder abnehmender Kraft F verglichen werden und der dem zu erkennenden Material
zugeordnete Wert a aus den für die einzelnen Bereiche ermittelten Werten von a bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei welchem die Meßwerte mit den Sollwerten nur in dem Bereich größerer Kräfte F verglichen
werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei welchem als Prüfkörper (20) eine Diamantpyramide verwendet wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 6, bei welchem die Formel für die Sollwerte
lautet:
wobei c eine Offsetgröße ist.
9. Vorrichtung zum Erkennen des Materials eines Probekörpers (20), enthaltend
einen Aufnahmekopf (10) für einen Prüfkörper (12) aus einem Material großer Härte, eine Einrichtung (8) zum Bewegen des Aufnahmekopfes derart, daß der Prüfkörper mit sich verändernder Kraft F gegen den Probekörper gedrängt wird,
eine Kraftmeßeinrichtung (14) zum Messen der jeweiligen Kraft F,
eine Wegmeßeinrichtung (16, 18, 24) zum Messen der jeweiligen Eindringtiefe h des Prüfkörpers in den Probekörper, und
eine Datenverarbeitungseinrichtung, in der die Meßwerte für die Eindringtiefe hmeß(F) als Funktion der Kraft mit einer Schar von Sollwerten hsoll(F,a) verglichen wird, wobei der Parameter a der Sollwerte ein das Material des Probekörpers kennzeichnender Wert ist, und als das Material des Probekörpers kennzeichnender Wert derjenige Wert des Parameters a genommen wird, bei dem sich eine minimale Abweichung zwischen Meßwerten und Sollwerten ergibt.
einen Aufnahmekopf (10) für einen Prüfkörper (12) aus einem Material großer Härte, eine Einrichtung (8) zum Bewegen des Aufnahmekopfes derart, daß der Prüfkörper mit sich verändernder Kraft F gegen den Probekörper gedrängt wird,
eine Kraftmeßeinrichtung (14) zum Messen der jeweiligen Kraft F,
eine Wegmeßeinrichtung (16, 18, 24) zum Messen der jeweiligen Eindringtiefe h des Prüfkörpers in den Probekörper, und
eine Datenverarbeitungseinrichtung, in der die Meßwerte für die Eindringtiefe hmeß(F) als Funktion der Kraft mit einer Schar von Sollwerten hsoll(F,a) verglichen wird, wobei der Parameter a der Sollwerte ein das Material des Probekörpers kennzeichnender Wert ist, und als das Material des Probekörpers kennzeichnender Wert derjenige Wert des Parameters a genommen wird, bei dem sich eine minimale Abweichung zwischen Meßwerten und Sollwerten ergibt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, enthaltend
ein Gestell (2), das den Prüfkörper (12), den Aufnahmekopf (10), die Einrichtung (8) zum Bewegen des Aufnahmekopfes, die Kraftmeßeinrichtung (14) und die Wegmeßeinrichtung (16, 18, 24) enthält,
eine am Gestell vorgesehene Stützeinrichtung (22) zum Auflegen des Gestells auf den Probekörper (20) und
eine Abstandmeßeinrichtung (Sensoren (24)) zum Erfassen eines sich kraftabhängig verändernden Abstandes zwischen dem Gestell und der Oberfläche des Probekörpers.
ein Gestell (2), das den Prüfkörper (12), den Aufnahmekopf (10), die Einrichtung (8) zum Bewegen des Aufnahmekopfes, die Kraftmeßeinrichtung (14) und die Wegmeßeinrichtung (16, 18, 24) enthält,
eine am Gestell vorgesehene Stützeinrichtung (22) zum Auflegen des Gestells auf den Probekörper (20) und
eine Abstandmeßeinrichtung (Sensoren (24)) zum Erfassen eines sich kraftabhängig verändernden Abstandes zwischen dem Gestell und der Oberfläche des Probekörpers.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der
die Abstandmeßeinrichtung beidseitig des Prüfkörpers (12) angeordnete Sensoren (24) enthält,
die außerhalb des Prüfkörpers auftretende Verformungen des Probekörpers (20) erfassen.
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