DE3537129C2 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, insbesondere zur Dickenbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, insbesondere zur Dickenbestimmung, an Kunststoffen sowie an Kleb- und Be­ schichtungswerkstoffen mittels hochfrequenter elektri­ scher und magnetischer Wechselfelder, bei dem bzw. mit­ tels der gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 ver­ fahren wird. Die bekannten Vorrichtungen dieser Art ent­ halten eine Vorrichtung zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer und magnetischer Wechselfelder und zu deren Einleitung in den Prüfling sowie zur Erfassung der Strom- und Spannungsausbildung dieser Wechselfelder unter der Einwirkung des Prüflings, sowie eine Vorrichtung zur Aus­ wertung der so erhaltenen Meßdaten für die Meßwertbe­ stimmung, insbesondere Dickenbestimmung.

Zur Bestimmung der Dicke von Kunststoffteilen, Beschich­ tungen und Klebstoffschichten sind folgende, je nach Art des zu prüfenden Teiles bzw. Werkstoffes unter­ schiedliche Techniken bekannt, die zu hinsichtlich des Prüfzieles unterschiedlichen Ergebnissen führen.

A. Prüfung von Kunststoffteilen

Bei der Herstellung von Kunststoffteilen, insbesondere Endlosteilen, wie Rohren, Folien u. ä., treten häufig Schwankungen in der Dicke infolge von Ungleichmäßigkeiten im Fertigungsprozeß auf. Diese Dickenbestimmungen lassen sich zerstörungsfrei nur unzulänglich erfassen, so daß Kunststoff-Bauteile (z. B. Einkaufstüten) in ihrer Gesamt­ festigkeit infolge der vorhandenen Schwachstellen wesentlich eingeschränkt sind.

B. Prüfung von Beschichtungen auf zugänglichen Seiten 1. Optische Verfahren

Diese können Anwendung finden für die Dickenprüfung von durchsichtigen Beschichtungen und Klebstoffschichten auf Werkstoffen auf Kunststoff- oder Metallbasis. Sie beruhen entweder auf der Erfassung und Auswertung der entstehenden Interferenzen oder auf einer Auswertung der optischen Wir­ kung einer Anreicherung des Beschichtungs- oder Kleber- Materials mit optisch sichtbaren Partikeln. Zwar kann mit diesen optischen Verfahren die Schichtdicke weitgehend be­ stimmt werden, jedoch ist ihr Anwendungsbereich sehr be­ schränkt, da sie nur für durchsichtige Werkstoffe bzw. sehr dünne Schichten anwendbar sind.

2. Prüfung mittels Meßsonden

Bei dieser wird, wie z. B. in den DE-PS 32 17 519 und 27 33 760 beschrieben, eine Meßsonde auf die zu vermes­ sende Schicht aufgesetzt und die Strom- und Spannungs­ ausbildung des Sondenfeldes gemessen und ausgewertet für die Erfassung des Abstandes Meßsonde/Grundwerkstoff, von dem auf die Schichtdicke der auf dem Grundwerkstoff be­ findlichen Schicht geschlossen werden kann. Diese Ver­ fahren sind jedoch nur für nicht leitfähige bzw. unma­ gnetische Beschichtungsstoffe anwendbar. Überdies können sie nur an bereits ausgehärteten Beschichtungsmassen an­ gewandt werden, weil sich anderenfalls die Sonden nicht aufsetzen lassen. Ferner muß sich die Beschichtung an einer zugänglichen Stelle befinden. Sofern diese Voraus­ setzungen nicht gegeben sind, wie bei den heute vorwiegend verwendeten automatischen Beschichtungs- und Fertigungs­ verfahren, versagen diese Prüfverfahren völlig.

C. Prüfung von Beschichtungen auf unzugänglichen Seiten

Erfolgt die Beschichtung auf einer abgewandten Seite, so lassen sich nach dem derzeitigen Stand der Erkennt­ nisse Informationen über die Dicke der Beschichtung nur über die Anreicherung des Klebers mit radioaktiven Partikeln bzw. schweren Metallen und eine anschließende Messung mit radioaktiven Strahlen erfassen. Diese Verfahren verlangen jedoch nicht nur einen großen Auf­ wand, sondern auch besondere Schutzmaßnahmen. Daher sind sie in vielen Fällen nicht anwendbar. Ähnliches gilt für die Messung mittels Neutronenstrahlen. Mittels dieser kann zwar die Dicke einer Beschichtung aus orga­ nischen Werkstoffen auf elektrisch und magnetisch lei­ tenden Bauteilen bestimmt werden, doch sind die ent­ sprechenden Maßnahmen (relativ hoher Neutronenfluß, Schutz) sehr aufwendig. Außerdem wird die Meßgenauigkeit auch dann noch eingeschränkt, wenn die Zusammensetzung (Werkstoffdicke) des über der Beschichtung befindlichen Grundmaterials nicht genau bekannt ist.

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, ein Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, mit welchen eine einfache Prüfung sowohl von Bauteilen als auch von Beschichtungen und Klebungen möglich ist, auch wenn das zu prüfende Kunststoffteil bzw. die zu prüfenden Beschichtungen oder Klebungen noch nicht ausgehärtet sind und die zu prüfenden Flächen verdeckt liegen oder schwer zugänglich sind.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß dem zu vermessenden Werkstoff elektrisch leitfähige oder ferromagnetische Partikel in einem relativ geringen Volumenanteil zugesetzt werden und sodann an dem fertiggestellten bzw. beschichteten Prüfling die elektrische Leitfähigkeit bzw. magnetische Permeabilität mittels hochfreqenter elektrischer und magnetischer Wechselfelder gemessen wird, deren zeitlicher und räumlicher Verlauf an die Meßaufgabe angepaßt ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Die Zeichnung ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Dickenmessung einer Kunststoff-Klebbeschichtung auf einem Grundmaterial, wie z. B. einem elektrisch leitenden Blech, mittels des Verfahrens nach der Erfindung.

Bei Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung wird zunächst der zu verwendende Kunststoff bzw. Kleb- oder Beschichtungswerkstoff mit elektrisch leitenden oder ferromagnetischen Partikeln angereichert, wobei allerdings der Volumenanteil dieser Partikel relativ gering gehalten wird. Diese Anreicherung wird je nach der Meßaufgabe unterschiedlich ausgeführt. Wenn reine Kunststoffe vermessen werden sollen, sei es als Material für reine Kunststoffteile oder als Grundwerkstoff für mit Kleb- oder Beschichtungsstoff zu beschichtende Kunststoffteile, oder Beschichtungen auf nicht-leitfähigen und nicht-ferromagnetischen Grundwerkstoffen, werden die zugesetzten Partikel vorwiegend aus rein elektrisch leitenden, nicht ferromagnetischen Materialien bestehen, wie z. B. Aluminium, Kupfer oder austenitische Stähle. Auch Edelmetalle kommen je nach Verträglichkeit mit dem Beschichtungswerkstoff und insbesondere dem später zu beschichtenden Grundwerkstoff infrage. Wenn elektrisch leitfähige Metalle, wie z. B. Aluminium oder auch austenitische Stähle beschichtet werden sollen, werden dem zu vermessenden Stoff magnetische Partikel zugesetzt.

Die Größe und vor allem der Volumenanteil der zugesetzten Partikel richtet sich nach dem zu erwartenden Abstand zwischen Meßsonde und zu vermessender Schicht und wird vorher entsprechend der Meßaufgabe festgelegt. Übliche Partikelkonzentrationen werden deutlich unter 10% des Gesamtmaterials liegen.

Zum Zweck des Partikelzusatzes wird der Kunststoff bzw. das Beschichtungsmaterial aus einem Behälter 1 in einen Mischer 3 geleitet, wo ihm der aus einem anderen Behälter 2 zugeführte entsprechende Zusatzwerkstoff (gekennzeichnet durch elektrische Leitfähigkeit bzw. magnetische Permeabilität) beigemengt wird. Es schließt sich ein Mischvorgang im Mischer 3 an, der in der Regel durch mechanisches Rühren oder Schütteln unterstützt werden wird, um eine möglichst homogene Verteilung der Meßpartikel zu erreichen.

Nach dem Mischvorgang wird das Material durch eine erste Meßstelle M1 hindurchgeleitet. An dieser Meßstelle M1 wird die Homogenität des (Beschichtungs-)Werkstoffes und die Konzentration der Partikel in ihm bestimmt durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit bzw. der magnetischen Permeabilität. Dieses geschieht durch Prüfung mittels eines in Amplitude und Phasenspektrum breitbandigen Impulses, der mit einer Sonde in das Material eingeleitet wird. Als Sonden können sowohl Tast- und Durchlauf- als auch Segmentspulen unterschiedlichster Geometrie eingesetzt werden. Die Strom- bzw. Spannungsausbildung in der Spule bzw. durch Sekundärspulen in der Nachbarschaft unter der Einwirkung der elektrischen Leitfähigkeit bzw. der magnetischen Permeabilität des zu vermessenden Materials wird erfaßt und ausgewertet für die Erzeugung eines Signals, dessen zeitlicher und räumlicher Verlauf die Homogenität bzw. Partikelkonzentration des zu vermessenden Materials wiedergibt.

Dieses von der Meßstelle M1 gelieferte Signal wird als (erstes) Eichsignal für das zur Dickenmessung eingesetzte hochfrequente elektrische und magnetische Wechselfeld verwertet, um dessen zeitlichen und räumlichen Verlauf bei der Dickenmessung am Prüfling der Homogenität und Partikelkonzentration im zu vermessenden Material anzupassen. Diese Anpassung erfolgt in einem Rechner 4, dem das von der Meßstelle M1 erzeugte Eichsignal zugeleitet wird und der die Aufgabe hat, den später eingesetzten Dickenimpuls anhand der ihm zugeführten Daten zu optimieren.

Wenn Materialien beschichtet werden sollen, die metallischer Natur und ggf. leitfähig oder gar mit einem magnetischen Restfeld versehen sind, wird parallel zur Messung an der Meßstelle M1 das zugeführte Grundmaterial an einer Zufuhr 5, z. B. einer Blechzufuhr, in einer zweiten Meßstelle M2 ebenfalls mit einem in Amplitude und Phasenspektrum breitbandigen Testimpuls geprüft. Bei derartigen Grundwerkstoffen werden als Zusatzwerkstoff im allgemeinen magnetische Partikelchen dienen. Da die magnetischen Partikelchen sowohl in ihrer Konzentration als auch in ihrem Abstand (Blechdicke) schwanken können, diese beiden Effekte aber durch Signalanalytik nicht trennbar sind, muß zunächst die Dicke des zu beschichtenden Teiles, z. B. Bleches erfaßt werden, was an der Meßstelle M2 erfolgt, indem die Wirkung der elektrischen Leitfähigkeit bzw. magnetischen Permeabilität des Grundwerkstoffes auf die Strom- bzw. Spannungsausbildung des Testimpulses erfaßt und für die Erzeugung eines Signales verwertet wird, dessen zeitlicher und räumlicher Verlauf der Materialzusammensetzung bzw. Dicke des Grundwerkstoffes entspricht. Es wird somit von der Meßstelle M2 ein weiteres Eichsignal erzeugt, das dazu benutzt wird, die später einzusetzenden Dickenmeßimpulse der Zusammensetzung und Dicke des Grundwerkstoffes anzupassen. Zu diesem Zweck wird auch das zweite Eichsignal dem Optimierungsrechner 4 zugeführt. Dieser ermittelt aus der vorgegebenen Homogenität bzw. Partikelkonzentration im zu vermessenden Werkstoff, bei dem Ausführungsbeispiel ein Beschichtungsmaterial, und ggf. der vorgegebenen Materialzusammensetzung bzw. Dicke des Grundwerkstoffes einen optimierten Dickenmeßimpuls, der insbesondere die Aufgabe hat, mögliche Abstandseffekte (lift off) sowie Störgrößen, die in der Fertigung auftreten können, zu reduzieren.

Wenn die Dickenmessung an reinen Kunststoffbauteilen oder an nichtleitfähigen und nichtmagnetischen Materialien als Grundwerkstoff erfolgen soll, kann die Erzeugung eines zweiten Eichsignales, das der Materialzusammensetzung bzw. Dicke des Grundwerkstoffes entspricht, unterbleiben, da eine diesbezügliche Anpassung des Dickenmeßimpulses nicht erforderlich ist. Die zweite Meßstelle M2 kann somit bei Anlagen für die Messung der Dicke von reinen Kunststoffbauteilen oder von Beschichtungen auf nichtleitfähigen und nicht ferromagnetischen Materialien entfallen.

Die Messung an der Meßstelle M2 kann ebenfalls mittels einer Sonde erfolgen, deren das zweite Eichsignal bildende Meßdaten zeitlich zugeordnet werden.

Die Testimpulse an den Meßstellen M1 und M2 sind zeitlich kurze Impulse, die in der Weise erzeugt werden, daß eine Spule mit einer oder mehreren rechnerisch vorgegebenen Schwingungen vorgebbarer Länge und Form mit jeweils ausgewähltem Amplituden- und Phasen-Spektrum erregt wird. Die Anregungsschwingungen für die Spule stammen aus einem von einem Rechner programmierten Speicher.

Im Optimierungsrechner 4 können die Eichsignale analysiert und mit einem vorgebbaren Sollwert für jede Eichkurve verglichen werden. Die Differenzwerte können benutzt werden, um die Parameter zeitlich kurzer Impulse mit vorgebbarem Frequenz-(Amplituden- und Phasen-) Spektrum einzustellen, die aus einem vom Rechner programmierten Speicher stammen und in Länge und Form veränderbar sind. Das so erhaltene Signal kann als Erregersignal für eine (Sonden-)Spule benutzt werden, um in dieser einen der Meßaufgabe angepaßten Meßimpuls zu erzeugen, durch dessen Wechselfeld der nach Material-Durchlauf durch die Meßstellen M1 und M2 in einer Fertigungs- bzw. Beschichtungseinrichtung 6 fertiggestellte bzw. beschichtete Prüfling an einer Meßstelle M3 hindurchgeführt wird. Dabei wird die Einwirkung der elektrischen Leitfähigkeit bzw. der magnetischen Permeabilität des zu vermessenden Prüflings-Materials auf die Strom- bzw. Spannungsausbildung des Wechselstrom-Meßimpulses erfaßt und ausgewertet für die Bestimmung der Dicke der zu messenden Prüflingsschicht bzw. - bei reinen Kunststoffbauteilen - Prüflingswandung und für die Feststellung etwaiger Fehlstellen in der Beschichtung. Der Meßwert wird in einer Anzeige 7 angezeigt und, je nach Fertigungsprozeß, einem Korrekturglied 8 zugeführt zwecks Einleitung von Korrekturmaßnahmen im Fertigungs- bzw. Beschichtungsprozeß.

Wesentliche Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung bestehen, außer in der Schnelligkeit der Prüfung, noch darin, daß

• - es universell anwendbar ist für die Bestimmung der Dicke sowohl von Kunststoffbauteilen als auch von Beschichtungen auf Grundwerkstoffen auf Metall- oder Kunststoff-Basis,
• - die Dicke von Kunststoffbeschichtungen auch an unzugänglichen Teilen von Bauteilen ermittelbar ist,
• - noch nicht ausgehärtete Werkstoffe geprüft werden können,
• - die Ermittlungen noch in flüssigem Zustand des Beschichtungswerkstoffes erfolgen können, so daß ggf. Korrekturmaßnahmen möglich sind,
• - aufgrund der speziell angepaßten Wechselstromimpulse gleichzeitig Störgrößen mit berücksichtigt bzw. eliminiert werden können.

Der Meßwert kann für spätere Wiederholungsprüfungen in einer Registrierungs- und/oder Speicherungseinheit 9 registriert und gespeichert werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, insbesondere zur Dickenbestimmung, an Kunststoffen sowie an Kleb- und Beschichtungswerkstoffen mittels hochfrequenter elektrischer und magnetischer Wechselfelder, deren Strom- und Spannungsausbildung unter der Einwirkung des zu messenden Prüflingsmaterials erfaßt und ausgewertet wird für die Meßwert-, insbesondere Dickenbestimmung, dadurch gekennzeichnet,

• - daß dem elektrisch nicht leitenden Werkstoff für die Herstellung des mittels dieser Wechselfelder zu ver­ messenden Prüflings elektrisch leitfähige oder - ins­ besondere bei Prüfung von Beschichtungen auf elektrisch leitendem Grundmaterial - ferromagnetische Partikel zugesetzt werden, deren Größe und Volumenanteil (in der Regel bis zu 10%) in Abhängigkeit von dem zu erwar­ tenden Abstand zwischen Meßsonde und zu vermessender Schicht entsprechend der Meßaufgabe festgelegt werden,
• - daß die elektrische Leitfähigkeit oder magnetische Permeabilität des mit Partikeln versetzten Werkstoffes vor dessen Verarbeitung an einer Meßstelle (M1) erfaßt und für die Erzeugung eines der Homogenität und Parti­ kelkonzentration entsprechenden Eichsignals verwertet wird,
• - daß bei Prüfung von Beschichtungen auf elektrisch leitenden oder magnetischen Grundwerkstoffen die Leitfähig­ keit oder magnetische Permeabilität der Grundwerkstoffe an einer Meßstelle (M2) erfaßt und für die Erzeugung eines der Zusammensetzung und Dicke des Grundwerkstoffes entsprechenden Eichsignals verwertet wird,
• - daß die Eichsignalerzeugung durch Erfassung und Aus­ wertung der unter der Materialeinwirkung an der Meßstelle (M1) oder an den Meßstellen (M1, M2) auftretenden Strom- und Spannungsausbildung von Testimpulsen erfolgt, deren Amplituden- und Phasenspektrum breitbandig vorgegeben ist,
• - daß das Eichsignal oder die Eichsignale analysiert und mit einem vorgebbaren Soll-Wert für jede Eichkurve verglichen werden und daß die hierbei erhaltenen Diffe­ renzwerte als Korrekturwerte benutzt werden,
• - und daß sodann an dem fertiggestellten und gegebenenfalls beschichteten Prüfling die elektrische Leitfähigkeit oder magnetische Permeabilität an einer Meßstelle (M3) mittels hochfrequenter elektrischer und magnetischer Wechselfelder gemessen wird, deren zeitlicher und räumlicher Verlauf in Abhängigkeit von den an der Meßstelle (M1) oder den Meßstellen (M1, M2) erhaltenen Eichsignalen und den daraus abgeleiteten Korrekturwerten moduliert wird unter Erzeugung von entsprechend der Homogenität oder Partikelkonzentration des vermessenen Prüflingsmaterials und gegebenenfalls der Zusammensetzung und Dicke des Grundmaterials optimierten Meßimpulsen, deren Strom- und Spannungsausbildung unter der Materialeinwirkung an der Meßstelle (M3) für die Abschluß-Meßwertbestimmung erfaßt und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eichsignal oder die Eichsignale, zeitlich zuge­ ordnet, einem Rechner (4) für die Optimierung des Meß­ impulses für die Abschlußprüfung zugeführt wird oder werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Testimpulse als zeitlich kurze Impulse durch Erregung einer Sondenspule mit mindestens einer rechnerisch vorgegebenen Schwingung vorgebbarer Länge und Form und mit jeweils ausgewählten Amplituden- und Phasenspektren erzeugt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der optimierte Meßimpuls für die Ab­ schlußprüfung (M3) durch Erregung einer (Sonden-)Spule mittels mindestens einer Impulsform vorgebbarer Länge erzeugt wird, deren Parameter mittels der Eichkurve(n) eingestellt werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Meß­ stelle (M3) erhaltenen Meßdaten in einer Korrektureinheit (8) in Korrektursignale für den Fertigungs- bzw. Be­ schichtungsprozeß umgewandelt werden.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Meßstelle (M3) gelieferten Meßdaten registriert und gespeichert werden.

7. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet

• - durch einen Vorratsbehälter (2) für elektrisch leitende oder ferromagnetische Partikel, der mit einem Mischer (3) verbunden ist, der in einer (Beschichtungs-)Material-Zu­ führung (5) für eine Fertigungs- oder Beschichtungs­ einrichtung (6) eingebaut ist für den dosierten Zusatz von Partikeln zum zugeführten Material,
• - durch eine im Materialfluß hinter dem Mischer (3) befindliche Meßstelle (M1) für die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder magnetischen Permeabilität des mit Partikeln versetzten Werkstoffes vor dessen Verarbeitung, deren Meßdaten dem Steuerungseingang einer Optimierungs­ einheit (4) zugeleitet werden,
• - durch eine für die Prüfung oder Überwachung von Be­ schichtungen auf elektrisch leitfähigem oder ferroma­ gnetischem Grundwerkstoff in dessen Zufuhr eingebaute Meßstelle (M2) für die Messung der elektrischen Leit­ fähigkeit oder magnetischen Permeabilität des Grund­ werkstoffes, deren Meßdaten dem Steuerungseingang einer Optimierungseinheit (4) zugeleitet werden
• - und durch eine der Fertigungs- oder Beschichtungs­ einrichtung (6) nachfolgende Meßstelle (M3) für die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder magnetischen Permeabilität der Prüflinge mittels hochfrequenter elektrischer und magnetischer Wechselfelder, deren Erregerstrom in der Optimierungseinheit (4) hinsichtlich seines zeitlichen und räumlichen Verlaufs in Abhängigkeit von den Meßdaten der Meßstelle(n) (M1, M2) moduliert wird,

wobei die Meßstellen (M1, M2, M3) mit einer Meßspule ausgerüstet sind, deren Erregerstrom-Impulsgenerator aus einem von einem Rechner programmierten Speicher besteht, der zeitlich kurze, in Länge und Form verän­ derliche Impulse mit vorgebbarem Frequenz-(Amplituden- und Phasen-)Spektrum erzeugt, und wobei die vorzugsweise aus einem Rechner bestehende Optimierungseinheit (4) einen Analysator für die Eich­ signale und einen Vergleicher für deren Vergleich mit einem für jede Eichkurve vorgebbaren Soll-Wert aufweist sowie eine Korrektureinheit zum Verstellen der Parameter der Meßimpulse an der Meßstelle (M3) mittels der als Analysenergebnis angefallenen Signale.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeich­ net durch eine der Meßstelle (M3) nachgeschaltete Korrek­ tureinheit (8) für die Erzeugung von Korrektursignalen für den Fertigungs- oder Beschichtungsprozeß.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine der Meßstelle (M3) nachgeschaltete Registrie­ rungs- oder Speichereinheit.