EP3824283A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstörungsfreien ermittlung lokaler mechanischer eigenschaften von bauteilen aus inhomogenen werkstoffen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur zerstörungsfreien ermittlung lokaler mechanischer eigenschaften von bauteilen aus inhomogenen werkstoffen

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Publication number
EP3824283A1
EP3824283A1 EP19749227.5A EP19749227A EP3824283A1 EP 3824283 A1 EP3824283 A1 EP 3824283A1 EP 19749227 A EP19749227 A EP 19749227A EP 3824283 A1 EP3824283 A1 EP 3824283A1
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EP
European Patent Office
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component
deformation
local
determined
mechanical properties
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19749227.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp MORITZ
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Fachhochschule Aachen
Original Assignee
Fachhochschule Aachen
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/46—Wood

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the non-destructive determination of local mechanical properties of a component, preferably an elongated component, made of inhomogeneous materials.
  • Typical examples of components with pronounced anisotropic and at the same time inhomogeneous properties are those made from recycled plastics,
  • the local mechanical properties of components made from such materials vary widely within the component. Local mechanical properties are understood to mean those that differ at different locations on the component, in particular with regard to their amount / value.
  • Composition of the starting materials have a complex interaction on the mechanical properties of the material and thus also on the component made from it.
  • the inhomogeneity of the properties results in high safety factors for component design with these materials.
  • Applications with high quality requirements and corresponding price and sales potential are usually excluded.
  • the mechanical properties of components made of fiber composite materials depend on the fiber distribution, the degree of wetting, the properties of the components, the thermal process control and many other factors.
  • the use as a lightweight material places special demands on the methods of design and a stable quality control.
  • the method of classic proof of strength in component design is only of limited suitability for lightweight construction with inhomogeneous materials.
  • the invention is intended to improve quality assurance in the manufacture of components and semi-finished products, e.g. for lightweight applications. It is intended to enable reliable prediction of the deformation behavior and reliable strength monitoring.
  • Lightweight applications is the monitoring of the manufacturing process.
  • Homogeneity of the matrix and fiber orientation are determined using different technologies.
  • the process-related imaging processes for example, control the orientation and number of fibers in the individual layers of a layered structure of the reinforcing fibers.
  • the stable control of the cross-linking depends on the matrix material. Sensors are integrated into the infusion systems and / or tools, and pressure and temperature profiles are monitored. The properties of the laminate quality, such as pore content, fiber volume content, fiber alignment and undulation, cracks and other matrix inhomogeneities, are compared with the specifications for the respective component on component samples using various imaging methods.
  • the deformation behavior of prototypes and sample components with measurement systems is determined on the basis of image correlation.
  • wood or bamboo as an organic lightweight construction material or directly as a component, there is no monitoring of the manufacturing process. Nevertheless, the procedure for determining the mechanical properties of wood-based materials is comparable.
  • the orientation and density distribution of the fiber structure are determined using X-ray systems or ultrasound methods. The result of this investigation is converted into a theoretical strength. Other important influencing factors in this evaluation are moisture and in particular the type of wood.
  • the design of components made from these materials are based on the processes for metallic materials or have been derived from them.
  • the basis is the principle of the reference voltage.
  • the mechanical properties of a material are determined using standardized sample geometries. The mechanical properties determined in this way then become dependent on
  • the determined comparison value is formed by the areas with low mechanical properties.
  • the size determined in this way is then determined by factors that are larger than the sample
  • the invention has the task of quality assurance in the manufacture of
  • the invention also has the task of enabling a digitally simulated construction with real components.
  • the invention is intended to allow components made of inhomogeneous materials or materials and / or with an inhomogeneous material / material distribution with regard to their mechanical
  • Capture properties and more preferably integrate them into digitized manufacturing processes The determination of specific individual mechanical properties is preferably intended to enable these materials to be used in a load-compatible manner.
  • Another object of the invention is preferably to reduce the reject rate in the production of components from fiber composite materials. It is also a task to reduce the safety coefficients, and thus to tap the potential of organic materials for lightweight applications.
  • This object is achieved according to the invention in that the component is subjected to a mechanical load which deforms the component and the deformation of the component at a plurality of defined measuring points or
  • Measuring sections is detected camera-based and the local deformation of the component is determined from the camera data and the local mechanical property is calculated from the local deformation.
  • a measuring point is not only a point in the mathematical sense, but also a location on the component with a finite extension.
  • a preferred development of the invention relates to a digital clone of inhomogeneous components / semi-finished products or workpieces that actually exist Materials or inhomogeneous material distribution.
  • the digital clone represents the individual specific mechanical properties of the component as a model. It is the explicit representation of the result of an individual test of the mechanical properties of a real existing component, the
  • the digital twin as an established state of the art is an image of a non-real one
  • Properties reflect the material properties determined in analogy experiments, projected onto the respective component or semi-finished product geometry.
  • the digital clone as a preferred embodiment of the invention is the digital image of a real component or semi-finished product. As a specific result of an individual test according to the invention, it does not exist without an equivalent in reality. It follows that there is an individual CAD file for each component or semi-finished product that represents the digital clone.
  • the decisive innovation of this further training is the individual mapping of the inhomogeneities of the respective component or semi-finished product in an explicit digital model.
  • the focus of the digital clone is on the digital or
  • Make properties usable for constructions in a digital working environment e.g. when planning products using CAD.
  • a component made of inhomogeneous material or inhomogeneous material distribution can preferably be positioned in the overall construction with the information from the digital clone in such a way that areas with particularly high mechanical
  • the digital clone is preferably the representation of the results of a mechanical test in the form of an individual CAD file.
  • a mechanical property is preferably understood to be one that characterizes the behavior of a component in relation to external stresses. Possible mechanical properties within the scope of the invention in terms of their local
  • the bending strength the tensile strength, the compressive strength, the shear strength, the breaking strength, the modulus of elasticity, the shear modulus, the transverse contraction number.
  • Such a device comprises a device for loading the component to be tested, e.g. by exerting force on the component at selected points, so that the component is deformed compared to the unloaded case.
  • the device further comprises at least one camera with which
  • different measuring points of the component preferably at least at several different spaced measuring points along its extent, preferably the longitudinal extent, the component deformed under the load, optionally also the originally unloaded component, optically, e.g. is captured photographically or videographically.
  • the invention can preferably also provide for a number of cameras to be used simultaneously for the acquisition, which corresponds at least to the number of (fixed) measurement points to be acquired or also measurement ranges of the component.
  • a number of cameras to be used simultaneously for the acquisition which corresponds at least to the number of (fixed) measurement points to be acquired or also measurement ranges of the component.
  • Longitudinal extension preferably lined up equidistant.
  • the at least one camera preferably has an alignment of its optical axis perpendicular to the component longitudinal extent, preferably also an alignment of the optical axis also perpendicular to the force exerted.
  • the type of load can preferably depend on the component and / or on the mechanical tested
  • Property in the facility can be selected differently, or different facilities are selected for this.
  • the mechanical load on the component to be tested takes place entirely in the area of the elastic deformation. Damage to the component or semi-finished product is excluded in this way.
  • the form of the mechanical load is preferably based on the load to be expected when using or using the component or semi-finished product. The requirement for a purely elastic deformation leads to comparatively small test loads and
  • Loads can be realized in different ways. Examples are the 3-point or 4-point load, an example of which is also described below. Other types of stress are e.g. Tensile, compressive, shear or torsional loads.
  • One possible method is that of image correlation. Although this method is known as the state of the art and enables a partial evaluation of the deformation under load on individual areas of the sample, the invention generally still provides regardless of the evaluation method used, e.g. by conversion, to determine an individual local value or several values of the respectively examined mechanical properties from the optically recorded local deformation of individual areas of a tested component, e.g. the
  • Flexural rigidity as a mechanical property is expressly not limited to evaluation in the visible light range. However, this is preferably carried out with visible light.
  • the local mechanical properties determined are preferred.
  • Property values represent at least one vector or a matrix of the values.
  • the results of the component test are e.g. converted into a CAD file using selected algorithms.
  • the algorithms preferably ensure that the digital clone accurately reproduces the properties of the tested component or semi-finished product in the required resolution.
  • a recursive optimization of these algorithms can be carried out, e.g. through a particularly weak artificial intelligence.
  • the invention can provide that the local deformation is determined in relation to the non-deformed component, in particular which is also recorded camera-based or is determined in relation to a deformed component assumed to be homogeneous, the deformation of which is simulated.
  • a mathematical model that describes the deformation behavior of the component in particular describes the deformation behavior of the component assumed to be homogeneous, from the measured values that represent the local deformation in relation to the non-deformed component, in particular in connection with the known forces used during loading by changing the model, a simulated deformed component described by the modified model is approximated to the real deformed component, in particular iteratively until a convergence criterion is met.
  • the invention can provide the real deformation behavior of the tested component from inhomogeneous components
  • finite elements To depict or simulate materials / materials with the known methods of mechanics, eg with methods of finite elements (FEM). This can lead to multidimensional systems of equations that can be solved with iterative methods.
  • FEM finite elements
  • Boundary conditions react and how loads and reactions propagate during the transition from one element of the body to the neighboring. It can thus be calculated numerically how a component discretized into finite elements deforms under a load.
  • a general form of the finite element method is e.g. given by:
  • [K] is the total stiffness matrix, which includes all information about the geometric shape, the volumetric properties and solution methods from the exact mechanics for the component under consideration.
  • the overall stiffness matrix comprises the coefficients and values formed therefrom for the individual element stiffness matrices of those elements in which the component is discretized.
  • ⁇ U ⁇ is the solution in the form of displacements of the nodes of the discretized elements of the component. The areas that connect the discretized elements are understood as nodes.
  • the invention can generally apply methods of mechanics, e.g. the FEM, for example so that it is quasi inverted.
  • FEM e.g. the FEM
  • This is to be understood in particular in such a way that a mathematical model, in the example one of the finite element method, is changed so that it describes the deformation behavior actually recorded. At least part of this model can form the digital clone mentioned.
  • this overall stiffness matrix can be changed successively, in particular iteratively, in particular in one or more parameters
  • the unloaded component and the loaded component can be optically recorded with the at least one camera. From a comparison of the recorded data (images / videos), e.g. As part of a computer-based image evaluation, the exact displacement of the component can be determined, or the displacement of the nodes of the elements into which the component is discretized in this method, thus the exact solution ⁇ UEX ⁇ in the FEM.
  • the image evaluation e.g. a position difference is formed between the deformed and undeformed component, in particular for the previously defined nodes of the elements in which the component is discretized.
  • the position differences form, for example
  • Load method or device and the acting forces is given. It can thus be numerical, e.g. a solution of the overall stiffness matrix is determined iteratively, with knowledge of the displacements ⁇ U EX ⁇ and the load ⁇ F ⁇ , in particular where at least some of the coefficients of this matrix represent the values of the local mechanical property sought.
  • the mechanical properties of the component generally result from the at least one, preferably iteratively changed, overall stiffness matrix, in particular with a local resolution that corresponds to the resolution when the component is discretized into finite elements, but at least in the resolution of the number of cameras or measuring points.
  • the at least one overall stiffness matrix can directly change the digital one after the preferably iterative change Represent clone, or from this values are taken to form the digital clone.
  • An iteration can e.g. in such a way that the first digital clone generated, that is to say preferably the overall stiffness matrix of an FEM model of the component assumed to be homogeneous, is exposed to the loads on the real component test in a simulation using FEM methods.
  • This initial simulation will, in particular due to the iterative solution chosen in its first solution ⁇ Ui ⁇ , initially deviate from the real component behavior, ie the real displacement of the element nodes. These deviations are preferably quantified, especially afterwards used to form a changed overall stiffness matrix.
  • the evaluation takes place e.g. analogous to the determination of the deformation behavior.
  • the quantified deviations are preferably an additional input variable for the generation of a second digital clone, preferably one compared to the first
  • Component behavior lies within previously defined limits, in particular the iteration converges within the specified limits, i.e. a solution ⁇ U N ⁇ has been found whose deviation from the exact optically recorded solution ⁇ U EX ⁇ is less than or equal to the limit or the limits.
  • the total stiffness matrix determined after the iteration describes the selected one to be tested in at least one of the coefficients, preferably in several
  • the overall stiffness matrix can be e.g. be changed (preferably iteratively) by changing the coefficients of the element stiffness matrices of the individual elements into which the component is discretized.
  • the overall stiffness matrix must be created individually for each component to be tested, in particular it depends on the material of the component and its shape.
  • a bamboo cane as an exemplary component, it can be provided, for example, to iteratively change the element stiffness matrix assigned to each measuring point on the tube or the tube section that is recorded with the at least one camera, as a result of which the overall stiffness matrix of the component is also changed as a whole.
  • the tube outside diameter of the bamboo tube at each measuring point or section and the inside diameter can be included in the respective element stiffness matrix or the total stiffness matrix at each measuring location / section.
  • the outer diameter can e.g. within the scope of the invention, measurement technology is used to determine it from the camera images or beforehand separately at each measurement point / section and then, as a fixed parameter, to be taken into account in an iteration.
  • the simulated component e.g. The shape of the bamboo cane can be adapted to the optically recorded simulative.
  • the inner diameter values of the measuring points / sections form at least representatives of the chosen local sought
  • the quality of the algorithms for generating the first digital clone can be continuously optimized.
  • the coherence between real component behavior and the deformation behavior represented by the digital clone is continuously improved.
  • a property value that is valid globally for the entire component for example the bending stiffness
  • a measured deformation value first assuming a homogeneous component formation.
  • the central maximum deflection of the component for example, again, can be used for this bamboo tube between the supports and the stamps compared to the unloaded case can be determined and from this, for example, the global bending stiffness of the component can be determined assuming a homogeneous composition. From this, the theoretical deformation of the component assumed to be homogeneous is calculated under the selected load type, for example the theoretical bending line of the component with a 4-point load.
  • Measurement point or between adjacent measurement points ( measurement section) of the loaded and unloaded component.
  • At least one per measuring point / section can directly represent a representative measure of a mechanical property or can be converted into such a property on the basis of mathematical relationships that apply to the component and / or the type of load.
  • the invention can provide generally and therefore regardless of the type of evaluation that follows in general in the case of elongated components, the selected one
  • tubular components for example, tubular components, rod-shaped components and flat components can be examined.
  • the component is rotated by an angular amount about its longitudinal axis and the measurement is repeated, possibly several times for several different angles, so that several measurements for determining the selected property at several different angles
  • the component surface can be completely captured, i.e. it can be captured from several directions, even though the cameras relate to the
  • Earth reference system capture the component in only one direction.
  • a possible embodiment of the described invention is quality assurance for an elongated or elongated, for example tubular component, for example a naturally grown bamboo tube.
  • This component for example bamboo cane, generally has large inhomogeneities distributed over its length and over the circumference.
  • a bamboo tube is a preferred component, since its structure, as a naturally grown bamboo tube, is a bionic model for modern lightweight constructions.
  • bamboo cane has a stiffness to ratio
  • bamboo can be used for a variety of products, e.g. among other things as material for the construction of bicycle frames. Use in scaffolding or other stiffening structures is also known.
  • the invention accordingly has the task of investigating the inhomogeneous distribution of the bending stiffness of the component, e.g. of the bamboo cane to record and map.
  • the mechanical property determined, e.g. the bending stiffness selected here is represented in the form of the digital clone.
  • a bicycle frame is one of several inhomogeneous ones
  • Components e.g. bamboo cane composite structure.
  • the digital model thus consists of the individual digital clones of the components used. With the information about the local bending stiffness distribution of the components used, e.g. bamboo tubes, the composite structure is also mapped by a digital clone.
  • the component e.g. a bamboo cane loaded.
  • the mechanical load is e.g. a 4-point bending test was chosen.
  • the component is preferably placed on two spaced-apart supports and loaded with two spaced-apart punches arranged between them.
  • the 4-point bending test has the advantage of introducing a shear-free bending load on the component under investigation, for example the bamboo tube, between the loading punches.
  • the longitudinal axis of the component is marked by the x coordinate. This is shown, for example, in Figures 1 to 4.
  • the distances between the load application and support are, for example, different from the standard for 4-point bending tests
  • the area free of lateral force in the sample is e.g. with a length of 1 m selected so that all for later use in one product, e.g. relevant component lengths are mapped to a bicycle frame.
  • the applied load is preferably dependent on the pipe diameter examined and is limited by the specification of the purely elastic deformation.
  • a plurality of cameras are mounted parallel to the longitudinal extent, with which the component is recorded in sections over its longitudinal extent, in this example parallel to the longitudinal axis of the
  • the measured deflection is a function of the x coordinate along the longitudinal extent or longitudinal axis of the component, for example the bamboo tube.
  • the component for example the bamboo tube.
  • the inhomogeneous material in the component eg bamboo cane
  • there is a bending line whose local deflection and slope is directly dependent on the local distribution of the bending stiffness in the respective component being examined.
  • Picture 3 In direct comparison to the deformation of a component with a homogeneous material distribution, areas in the component, for example bamboo cane with high bending stiffness, lead to a locally flat slope of the bending line. Areas with weaknesses or defects, which lead to a local reduction in the bending stiffness are shown in the form of a larger slope.
  • the component is rotated several times around its longitudinal direction at a defined angle. In the new position, the corresponding images are again created and compared in an exemplary evaluation in the loaded and unloaded state.
  • the determined values of the local deformation can already be understood as representatives of the local bending stiffness and can preferably be converted into local stiffness.
  • the determined values can also be used to form the exact measured solution ⁇ UEX ⁇ within the framework of an FEM.
  • the iterative calculation of the overall stiffness matrix thus effectively converts the determined values into the local bending stiffness values sought.
  • the result of the examination is represented by the digital clone, in particular namely by the determined overall stiffness matrix of the component, and this local stiffness determined in the form of a CAD file.
  • the invention makes no statement about the cause of the local
  • Another possible exemplary embodiment of the described invention is quality assurance for shell-shaped structural components or cladding parts made of preferably fiber composite materials. These components are often characterized by a very low material thickness or thickness in relation to the other dimensions of the component.
  • Sheet material in a statistical value for the mechanical properties. As a potential source of error, this detour leads to high safety factors regardless of the resolution of the measurement or evaluation methods used.
  • the digital clone contains information about the size and distribution of the mechanical properties in a component that have been examined as relevant
  • the invention enables the relevant mechanical properties to be determined directly. Defects without any impact on the mechanical properties can be identified with the invention and accordingly reduce the reject rate.
  • Comparable components can according to the invention locally by a pin or
  • the probe body is loaded with a bump in the surface.
  • This bulge generated by the load can be determined geometrically using an image correlation application according to the invention.
  • the shape of the bulge is proportional to the mechanical properties of the exposed area and its surroundings.
  • the invention and the method described are also suitable for quality assurance of complex components.
  • a condition for use is preferably a damage-free deformation of the component in the elastic region. It makes sense to use all components or semi-finished products for one
  • FIG. 5 shows a flow chart from which an exemplary embodiment for various exemplary component shapes a), b), c) can be found.
  • Performing photogrammetry is optional.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ermittlung von lokalen mechanischen Eigenschaften eines Bauteils, bevorzugt eines länglichen Bauteils aus inhomogenen Materialien oder einer inhomogenen Materialverteilung, wobei das Bauteil einer mechanischen Belastung ausgesetzt wird, welche das Bauteil verformt und die Verformung des Bauteils an einer Vielzahl definierter Messpunkte oder Messabschnitte kamerabasiert detektiert wird und die lokale Verformung des Bauteils aus den Kameradaten bestimmt wird und aus der lokalen Verformung die lokale mechanische Eigenschaft berechnet wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ermittlung lokaler mechanischer Eigenschaften von Bauteilen aus inhomogenen Werkstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ermittlung von lokalen mechanischen Eigenschaften eines Bauteils, bevorzugt eines länglichen Bauteils, aus inhomogenen Materialien.
Typische Beispiele für Bauteile mit ausgeprägten anisotropen und gleichzeitig inhomogenen Eigenschaften sind solche aus Recyclingkunststoffen,
Faserverbundwerkstoffen und insbesondere organischen, bevorzugt natürlich gewachsenen Werkstoffen, wie Holz und Bambusrohr. Die lokalen mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus solchen Werkstoffen variieren innerhalb des Bauteil stark. Unter den lokalen mechanischen Eigenschaften werden solche verstanden, die an verschiedene Orten des Bauteils unterschiedlich sind, insbesondere hinsichtlich ihres Betrags/Wertes.
Bei Recyclingkunststoffen hängen sie von den Ausgangswerkstoffen ab.
Vermischungsgrad, wechselseitige Verträglichkeit und Eigenschaften und
Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien haben eine komplexe Wechselwirkung auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes und damit auch auf das daraus hergestellte Bauteil. In der industriellen Weiterverarbeitung folgen aus der Inhomogenität der Eigenschaften hohe Sicherheitsbeiwerte für die Bauteilauslegung mit diesen Materialien. Anwendungen mit hohen Qualitätsanforderungen und entsprechendem Preis und Absatzpotential sind meist ausgeschlossen.
Die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen sind abhängig von der Faserverteilung, dem Benetzungsgrad, den Eigenschaften der Komponenten, der thermischen Prozessführung und vielen weiteren Faktoren. Der Einsatz als Leichtbauwerkstoff stellt besondere Anforderungen an die Methoden zur Auslegung und eine stabile Qualitätskontrolle. Die Qualitätsüberwachung der
Fertigungsprozesse von industriell hergestellten Faserverbundbauteilen ist in der Folge aufwändig und ein entscheidender Kostenfaktor. Bei organischen, bevorzugt natürlich gewachsenen Bauteilen bzw. Halbzeugen wie z.B. Bambusrohr ist die ausgeprägte Inhomogenität eine Folge des natürlichen Wachstumsprozesses.
Die Methode des klassischen Festigkeitsnachweises in der Bauteilauslegung ist für den Leichtbau mit inhomogenen Werkstoffen nur eingeschränkt geeignet. Die Erfindung soll die Qualitätssicherung in der Fertigung von Bauteilen und Halbzeugen verbessern, z.B. für Leichtbauanwendungen. Sie soll die sichere Vorhersage des Verformungsverhaltens und eine verlässliche Festigkeitsüberwachung ermöglichen.
Stand der Technik in der Fertigung von Bauteilen aus Recycling-Kunststoffen ist die Auslegung des gesamten Bauteils unter der Annahme von homogenen
mechanischen Eigenschaften. Die Bandbreite der mechanischen Eigenschaften des Materials in verschiedenen Bereichen des Bauteils variiert. Zur betriebssicheren Auslegung wird die untere Grenze der mechanischen Eigenschaften als Referenz und Berechnungsgrundlage verwendet.
Stand der Technik in der Fertigungskontrolle von Faserverbundbauteilen für
Leichtbauanwendungen ist die Überwachung des Fertigungsprozesses. Die
Homogenität der Matrix und die Faserausrichtung werden mit unterschiedlichen Technologien bestimmt. Durch prozessbegleitende bildgebende Verfahren wird beispielsweise die Ausrichtung und Anzahl der Fasern in den einzelnen Lagen eines schichtweisen Aufbaus der Verstärkungsfasern kontrolliert.
Die stabile Kontrolle der Vernetzung ist abhängig vom Matrixmaterial. Dabei werden Sensoren in die Infusionsanlagen und/oder die Werkzeuge integriert und Druck und Temperaturverläufe überwacht. An Bauteilproben werden mit verschiedenen bildgebenden Verfahren Eigenschaften der Laminatqualität wie Porengehalt, Faservolumengehalt, Faserausrichtung und Ondulation, Risse und andere Matrix- Inhomogenitäten mit den Vorgaben für das jeweilige Bauteil verglichen.
Die Vorhersage des Einflusses einzelner struktureller Abweichungen auf das resultierende Bauteilverhalten basiert auf hochkomplexer Modellbildung.
Zur Verbesserung der Modellqualität wird im Entwicklungsprozess vereinzelt das Verformungsverhalten von Prototypen und Musterbauteilen mit Messsystemen auf der Basis von Bildkorrelation bestimmt. Bei Holz oder Bambus als organischem Leichtbauwerkstoff oder direkt als Bauteil gibt es keine Überwachung des Fertigungsprozesses. Trotzdem ist das Vorgehen zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Holzwerkstoffen vergleichbar. Die Orientierung und Dichteverteilung der Faserstruktur werden mit Röntgensystemen oder Ultraschallverfahren bestimmt. Das Ergebnis dieser Untersuchung wird in eine theoretische Festigkeit umgerechnet. Weitere wichtige Einflussgrößen in dieser Auswertung sind die Feuchtigkeit und insbesondere die Holzart.
Die Methoden der Datenauswertung und die Grundlagen der Modellbildung zur Vorhersage des Verformungs- und Versagensverhaltens sind in einem
umfangreichen Normenwerk für den industriellen Einsatz von Holz standardisiert. Die Normen wurden auf der Grundlage von experimentellen Versuchen mit
verschiedenen Proben-Geometrien, Holzarten und unter unterschiedlichen äußeren Einflüssen ermittelt. Mit dem bisherigen Verfahren sind prinzipbedingt hohe
Sicherheitsbeiwerte verbunden, die sich zum Beispiel aus dem im Vergleich zur Probe größeren Bauteilvolumen ergeben. Folge der Sicherheitsbeiwerte ist eine Überdimensionierung von Bauteilen aus Holz, die den Einsatz als Leichtbauwerkstoff verhindert. Bambus ist ein Gras und bisher nicht vergleichbar standardisiert. Der industrielle Einsatz von Bambusrohr beschränkt sich auf die vereinzelten Fasern der Pflanze als Zuschlagstoff in Kunstoffen bzw. Massivwerkstoffen, die aus Teilen des Rohres zusammengesetzt werden und vergleichbare Eigenschaften aufweisen wie Balken oder Latten aus Massivholz. Eine zu Holzwerkstoffen vergleichbare
Standardisierung gibt es für Bambuswerkstoffe oder natürlich gewachsenes
Bambusrohr nicht.
Der gemeinsame Nachteil des heutigen Stands der Technik bei der Qualitätskontrolle von inhomogenen Werkstoffen für die industrielle Fertigung ergibt sich aus der Methodik bei der Auswertung der Ergebnisse. Die Werkstoffprüfung und die
Auslegung der Bauteile aus diesen Materialien orientieren sich an den Verfahren für metallische Werkstoffe bzw. wurden aus diesen abgeleitet. Grundlage ist das Prinzip der Vergleichsspannung. Mit standardisierten Proben-Geometrien werden die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes ermittelt. Die so ermittelten mechanischen Eigenschaften werden anschließend den sich abhängig von
Bauteilgeometrie und Lasteinleitung ergebenden Spannungen im Bauteil bzw.
Halbzeug gegenübergestellt. Bei inhomogenen Werkstoffen wird der ermittelte Vergleichswert durch die Bereiche mit geringen mechanischen Eigenschaften gebildet. Die so ermittelte Größe wird anschließend durch Faktoren, die das im Vergleich zur Probe größere
Bauteilvolumen bzw. sich aus der Fertigung ergebende Einflüsse berücksichtigen, weiter reduziert. Das beschriebene bisherige Verfahren führt zu einer deutlichen Überdimensionierung der Bauteile bzw. zu einer erhöhten Ausschussquote.
Die Erfindung hat die Aufgabe die Qualitätssicherung bei der Fertigung von
Produkten mit Bauteilen bzw. Flalbzeugen aus Werkstoffen mit inhomogenen mechanischen Eigenschaften zu verbessern, insbesondere durch Kenntnis der lokalen Eigenschaften, also der unterschiedlichen Eigenschaften an verschiedenen Orten desselben Bauteils. Die Erfindung hat auch die Aufgabe eine digital simulierte Konstruktion mit realen Bauteilen zu ermöglichen. Die Erfindung soll es erlauben Bauteile aus inhomogenen Materialien bzw. Werkstoffen und/oder mit einer inhomogenen Material-/Werkstoffverteilung hinsichtlich deren mechanischen
Eigenschaften zu erfassen und weiter bevorzugt in digitalisierte Fertigungsprozesse zu integrieren. Durch die Bestimmung von spezifischen individuellen mechanischen Eigenschaften soll bevorzugt ein belastungsgerechter Einsatz dieser Werkstoffe ermöglicht werden. Bevorzugt ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung bei der Fertigung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen die Ausschussquote zu reduzieren. Ebenso ist es eine Aufgabe die Sicherheitsbeiwerte zu reduzieren, und so das Potential von organischen Werkstoffen für Leichtbauanwendungen zu erschließen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bauteil einer mechanischen Belastung ausgesetzt wird, welche das Bauteil verformt und die Verformung des Bauteils an einer Vielzahl definierter Messpunkte oder
Messabschnitte kamerabasiert detektiert wird und die lokale Verformung des Bauteils aus den Kameradaten bestimmt wird und aus der lokalen Verformung die lokale mechanische Eigenschaft berechnet wird.
Unter einem Messpunkt wird dabei nicht nur ein Punkt im mathematischen Sinne verstanden, sondern auch ein Ort auf dem Bauteil mit endlicher Erstreckung.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung betrifft einen digitalen Klon von von real existierenden Bauteilen / Halbzeugen bzw. Werkstücken aus inhomogenen Werkstoffen oder inhomogener Werkstoffverteilung. Der digitale Klon repräsentiert als Modell die individuellen spezifischen mechanischen Eigenschaften des Bauteils. Er ist die explizite Abbildung des Ergebnisses einer individuellen Prüfung der mechanischen Eigenschaften eines real existierenden Bauteils, das
erfindungsgemäß erfasst wurde, in einer digitalen Fertigungsumgebung.
In dieser Entstehung des individuellen Modells besteht ein wesentlicher Unterschied zu dem mittlerweile verbreiteten Prinzip des digitalen Zwillings. Der digitale Zwilling als etablierter Stand der Technik ist das Abbild eines nicht real existierenden
Bauteils, also lediglich eines Bauteils mit den theoretischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe. Der digitale Zwilling entsteht während des
Konstruktionsprozess und existiert auch ohne seinen realen Zwilling. Seine
Eigenschaften spiegeln die in Analogieversuchen ermittelten Werkstoffeigenschaften projiziert auf die jeweilige Bauteil- bzw. Halbzeug-Geometrie.
Der digitale Klon als bevorzugte Ausbildung der Erfindung ist das digitale Abbild eines real existierenden Bauteils- bzw. Halbzeuges. Als spezifisches Ergebnis einer individuellen erfindungsgemäßen Prüfung existiert er nicht ohne Entsprechung in der Realität. Daraus folgt, dass es für jedes Bauteil oder Halbzeug eine individuelle CAD- Datei gibt, die den digitalen Klon darstellt.
Die entscheidende Neuerung dieser Weiterbildung ist die individuelle Abbildung der Inhomogenitäten des jeweiligen Bauteils bzw. Halbzeuges in einem expliziten digitalen Modell. Der Fokus des digitalen Klons liegt auf der digitalen bzw.
computerbasierten Darstellung der individuellen lokalen mechanischen
Eigenschaften des real existierenden Vorbildes. Er ermöglicht es diese
Eigenschaften für Konstruktionen in einer digitalen Arbeitsumgebung nutzbar zu machen, z.B. bei der Planung von Produkten mittels CAD.
Ein Bauteil aus inhomogenem Material bzw. inhomogener Materialverteilung kann mit den Informationen des digitalen Klons bevorzugt in der Gesamtkonstruktion so positioniert werden, dass Bereiche mit besonders hohen mechanischen
Eigenschaften den besonders belasteten Bereichen der Gesamtkonstruktion gegenübergestellt werden. Gleichzeitig sind insbesondere Schwachstellen im
Werkstoff kein Ausschusskriterium, wenn sie in der Gesamtkonstruktion nur geringen Belastungen ausgesetzt sind. Der digitale Klon ist bevorzugt die Darstellung der Ergebnisse einer mechanischen Prüfung in Form einer individuellen CAD-Datei.
Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung sind an das jeweilige Bauteil- bzw.
Halbzeug angepasste Einrichtungen zur Bestimmung der mechanischen
Eigenschaften, bevorzugt der lokal verschiedenen mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer gewählten mechanischen Eigenschaft aus einer Vielzahl möglicher mechanischer Eigenschaften. Dabei wird unter einer mechanischen Eigenschaft bevorzugt eine solche verstanden, die das Verhalten eines Bauteils gegenüber äußeren Beanspruchungen kennzeichnet. Mögliche mechanische Eigenschaften, die im Rahmen der Erfindung hinsichtlich ihres lokal
unterschiedlichen Auftretens in einem Bauteil untersucht werden sind beispielsweise die Biegefestigkeit, die Zugfestigkeit, die Druckfestigkeit, die Scherfestigkeit, die Bruchfestigkeit, das Elastizitätsmodul, das Schubmodul, die Querkontraktionszahl.
Eine solche Einrichtung umfasst eine Vorrichtung zur Belastung des zu prüfenden Bauteils, z.B. durch eine Kraftausübung auf das Bauteil an ausgewählten Stellen, so dass sich eine Verformung des Bauteils gegenüber dem nicht belasteten Fall ergibt. Die Einrichtung umfasst weiterhin wenigstens eine Kamera, mit der an
verschiedenen Messpunkten des Bauteils, bevorzugt zumindest an mehreren verschiedenen beabstandeten Messpunkten entlang von dessen Erstreckung, bevorzugt der Längserstreckung das unter der Belastung verformte Bauteil, ggfs auch das ursprünglich nicht belastete Bauteil, optisch, z.B. fotografisch oder videografisch erfasst wird.
Bei Verwendung von nur einer Kamera kann diese mehrfach verschieden zum Bauteil positioniert werden, z.B. entlang der Erstreckung, bevorzugt
Längserstreckung verschieden, z.B. äquidistant, positioniert werden, um an jeder gewählten Position das Bauteil im festgelegten Messpunkt zu erfassen,
insbesondere wofür wenigstens ein aufgenommenes Bild oder Video zur
nachfolgenden Auswertung gespeichert wird.
Bevorzugt kann die Erfindung auch vorsehen eine Anzahl von Kameras gleichzeitig zur Erfassung zu verwenden, die zumindest der Anzahl der (festgelegten) zu erfassenden Messpunkte oder auch Messbereiche des Bauteils entspricht. Bei einer Erfassung eines bevorzugt längserstreckten Bauteiles kann es vorgesehen sein, die mehreren Kameras in einer Nebeneinanderanordnung parallel zur
Längserstreckung, bevorzugt äquidistant aufzureihen.
Die wenigstens eine Kamera hat bevorzugt eine Ausrichtung von deren optischer Achse senkrecht zur Bauteil-Längserstreckung, bevorzugt weiterhin eine Ausrichtung der optischen Achse auch senkrecht zur ausgeübten Kraft. Die Art der Belastung kann vorzugsweise je nach Bauteil und/oder je nach geprüfter mechanischer
Eigenschaft in der Einrichtung unterschiedlich gewählt werden, bzw. es werden dafür verschiedene Einrichtungen gewählt.
Die mechanische Belastung des zu prüfenden Bauteils findet vollständig im Bereich der elastischen Verformung statt. Eine Schädigung des Bauteiles bzw. Halbzeuges wird auf diese Weise ausgeschlossen. Die Ausprägung der mechanischen Belastung orientiert sich bevorzugt an der zu erwartenden Belastung beim Einsatz bzw. der Verwendung des Bauteiles oder Halbzeuges. Die Forderung nach einer rein elastischen Verformung führt zu vergleichsweise kleinen Prüflasten und
dementsprechend nur geringen Verformungen des zu prüfenden Bauteils.
Belastungen können auf verschiedene Weisen realisiert werden. Beispielhaft zu nennen ist die 3-Punkt oder auch die 4-Punkt-Belastung, wobei zu letzterer nachfolgend auch ein Beispiel beschrieben wird. Weitere Arten der Belastung sind z.B. Zug-, Druck-, Scher- oder Torsionsbelastungen.
Zur Bestimmung der Auswirkungen der Inhomogenitäten des geprüften Bauteil unter der Belastung, insbesondere gegenüber dem unbelasteten Fall können
verschiedenen Verfahren eingesetzt werden.
Ein mögliches Verfahren ist das der Bildkorrelation. Dieses Verfahren ist als Stand der Technik zwar bekannt und ermöglicht eine partielle Auswertung der Verformung unter Belastung einzelner Bereiche der Probe, die Erfindung sieht aber allgemein unabhängig vom konkret eingesetzten Auswertungsverfahren weiterhin vor, z.B. durch Umrechnung, aus der optisch erfassten lokalen Verformung einzelner Bereiche eines geprüften Bauteils einen individuellen lokalen Wert oder mehrere Werte der jeweilig untersuchten mechanischen Eigenschaften zu bestimmen, z.B. der
Biegesteifigkeit als mechanischen Eigenschaft. Die beispielhafte Anwendung der Bildkorrelation beschränkt sich in der Erfindung ausdrücklich nicht auf die Auswertung im Bereich des sichtbaren Licht. Bevorzugt wird diese aber mit sichtbarem Licht durchgeführt.
Die ermittelten lokalen mechanischen Eigenschaften werden in bevorzugter
Ausführung anschließend durch den digitalen Klon abgebildet und nutzbar gemacht. Ein solcher Klon, kann je nach Anzahl und Erfassungsrichtung der erfassten
Eigenschaftswerte zumindest einen Vektor oder eine Matrix der Werte darstellen.
Die Ergebnisse der Bauteilprüfung werden z.B. durch ausgewählte Algorithmen in eine CAD-Datei umgerechnet. Die Algorithmen stellen bevorzugt sicher, dass der digitale Klon die Eigenschaften des geprüften Bauteiles oder Halbzeuges in der benötigten Auflösung exakt wiedergibt.
Beispielsweise kann eine rekursive Optimierung dieser Algorithmen vorgenommen werden, z.B. durch eine insbesondere schwache künstliche Intelligenz.
Allgemein kann die Erfindung vorsehen, dass die lokale Verformung in Relation zu dem nicht verformten Bauteil bestimmt wird, insbesondere welches ebenso kamerabasiert erfasst wird oder in Relation zu einem als homogen angenommenen verformten Bauteil bestimmt wird, dessen Verformung simuliert wird.
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass mittels eines mathematischen Modells, welches das Verformungsverhalten des Bauteils beschreibt, insbesondere das Verformungsverhalten des als homogen angenommenen Bauteils beschreibt, aus den erfassten Messwerten, welche die lokale Verformung in Relation zu dem nicht verformten Bauteil repräsentieren, insbesondere in Verbindung mit den bekannten bei der Belastung eingesetzten Kräften durch Änderung des Modells, ein durch das geänderte Modell beschriebenes simuliertes verformtes Bauteil an das reale verformte Bauteil approximiert wird, insbesondere iterativ bis zur Erfüllung eines Konvergenzkriteriums.
Die Erfindung kann in einer konkretisierten Ausgestaltung vorsehen das reale Verformungsverhalten des geprüften Bauteils aus inhomogenen
Materialen/Werkstoffen mit den bekannten Methoden der Mechanik abzubilden bzw. zu simulieren, z.B. mit Methoden der finiten Elemente (FEM). Dies kann auf mehrdimensionale Gleichungssysteme führen, die mit iterativen Verfahren gelöst werden können. Die Methode der finiten Elemente ist im Stand der Technik allgemein etabliert und hier demnach als dem Fachmann grundsätzlich bekannt unterstellt.
Im Wesentlichen handelt es sich um ein numerisches Verfahren, um das
physikalische Verhalten eines Körpers dadurch nachzubilden, das berechnet wird, wie die Elemente des diskretisierten Körpers auf die Kräfte, Lasten und
Randbedingungen reagieren und wie sich Lasten und Reaktionen beim Übergang von einem Element des Körpers ins benachbarte fortpflanzen. Es kann somit numerisch errechnet werden, wie sich ein in finite Elemente diskretisiertes Bauteil unter einer Last verformt.
Eine allgemeine Form der Finite-Elemente-Methode ist z.B. gegeben durch:
{F} = [K]{U}
Hierbei sind {F} alle auf ein Bauteil wirkenden Kräfte, insbesondere die an den Knoten der Elemente des Bauteils angreifen, in die das Bauteil diskretisiert ist. [K] ist die Gesamtsteifigkeitsmatrix, die alle Informationen über die geometrische Gestalt, die volumetrischen Eigenschaften und Lösungsverfahren aus der exakten Mechanik für das betrachtete Bauteil umfasst. Die Gesamtsteifigkeitsmatrix umfasst die Koeffizienten und daraus gebildete Werte der einzelnen Elementsteifigkeitsmatrizen derjenigen Elemente, in die das Bauteil diskretisiert ist. {U} ist die Lösung in Form von Verschiebungen der Knoten der diskretisierten Elemente des Bauteils. Als Knoten werden die Bereiche verstanden, welche die diskretisierten Elemente verbinden.
Die Erfindung kann allgemein Methoden der Mechanik, z.B. der FEM, beispielsweise so anwenden, dass diese quasi invertiert wird. Dies ist insbesondere so zu verstehen, dass ein mathematisches Modell, im Beispiel eins der Finiten-Elemente- Methode, so geändert wird, dass es das tatsächlich erfasste Verformungsverhalten beschreibt. Zumindest ein Teil dieses Modells kann den genannten digitalen Klon bilden.
In einer beispielhaften Ausführung kann ausgehend von einem homogenen Bauteil, welches durch eine Gesamtsteifigkeitsmatrix der Finite-Elemente-Methode beschrieben wird, diese Gesamtsteifigkeitsmatrix so sukzessive, insbesondere iterativ geändert werden, insbesondere in einem oder mehreren Parametern
(Matrixkoeffizienten), dass unter der Vorgabe der bekannten Belastung bei der konkreten Prüfung eine Form des simulierten Bauteils in der FEM-Simulation entsteht, die der optisch erfassten Form des real belasteten Bauteils innerhalb von vorgegebenen Grenzen entspricht. Dafür können z.B. die Parameter der wenigstens einen in der FEM-Methode eingesetzten Gesamtsteifigkeitsmatrix des ursprünglich als homogen angenommenen Bauteils iterativ bis zur Konvergenz mit dem optisch erfassten realen Bauteil geändert werden.
Es kann in einer möglichen Ausführung so vorgegangen werden, dass sowohl das unbelastete Bauteil als auch das belastete Bauteil optisch mit der wenigstens einen Kamera erfasst wird. Aus einem Vergleich der erfassten Daten (BilderA/ideos), z.B. im Rahmen einer computerbasierten Bildauswertung, kann die exakte Verschiebung des Bauteils ermittelt werden, bzw. die Verschiebung der Knoten der Elemente, in die das Bauteil in dieser Methode diskretistert ist, somit also in der FEM die exakt vorliegende Lösung {UEX}. In der Bildauswertung kann z.B. eine Positions- Differenzbildung zwischen dem verformten und unverformten Bauteil vorgenommen werden, insbesondere für die zuvor festgelegten Knoten der Elemente, in die das Bauteil diskretisiert ist. Die Positionsdifferenzen bilden beispielsweise die
Verschiebungen der Knoten, welche im Rahmen einer FEM eingesetzt werden.
Weiterhin ist die Last {F} bekannt, da diese konkret durch die eingesetzte
Belastungsmethode bzw. Vorrichtung und die wirkenden Kräfte gegeben ist. Es kann somit numerisch, z.B. iterativ, unter Kenntnis von den Verschiebungen {U EX} und der Last {F} eine Lösung der Gesamtsteifigkeitsmatrix ermittelt werden, insbesondere wobei zumindest einige der Koeffizienten dieser Matrix die Werte der gesuchten lokalen mechanischen Eigenschaft repräsentieren.
Aus der wenigstens einen, bevorzugt iterativ geänderten Gesamtsteifigkeitsmatrix ergeben sich somit allgemein die mechanischen Eigenschaften des Bauteils, insbesondere mit einer örtlichen Auflösung, die der Auflösung bei der Diskretisierung des Bauteils in finite Elemente entspricht, zumindest aber in der Auflösung der Anzahl der Kameras oder Messpunkte. Erfindungsgemäß kann die wenigstens eine Gesamtsteifigkeitsmatrix nach der bevorzugt iterativen Änderung direkt den digitalen Klon darstellen, oder aus dieser werden Werte zur Bildung des digitalen Klons entnommen.
Eine Iteration kann z.B. so erfolgen, dass der erste erzeugte digitale Klon, also bevorzugt die Gesamtsteifigkeitsmatrix eines FEM-Modells des als homogen angenommenen Bauteils in einer Simulation mit FEM-Methoden den Belastungen auf der realen Bauteilprüfung ausgesetzt wird. Diese Ausgangssimulation wird, insbesondere aufgrund des gewählten iterativen Lösungsweges in seiner ersten Lösung {Ui} zunächst von dem realen Bauteilverhalten, also der realen Verschiebung der Elementknoten abweichen. Diese Abweichungen werden bevorzugt quantifiziert, insbesondere hiernach zur Bildung einer geänderten Gesamtsteifigkeitsmatrix herangezogen.
Insbesondere erfolgt dabei die Auswertung z.B. analog zu der Bestimmung des Verformungsverhaltens. Für jeden in der Bauteilprüfung erzeugten Verformungswert gibt es eine Entsprechung als Auswertstelle der Simulation. Die quantifizierten Abweichungen sind bevorzugt eine zusätzliche Eingangsgröße für die Erzeugung eines zweiten digitalen Klon, bevorzugt also einer gegenüber der ersten
Gesamtsteifigkeitsmatrix geänderten Matrix. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt bis die Abweichungen zwischen dem simulierten und dem realen
Bauteilverhalten innerhalb zuvor festgelegter Grenzen liegen, insbesondere also die Iteration in den genannten Grenzen konvergiert, also eine Lösung {U N} gefunden wurde, deren Abweichung zur exakten optisch erfassten Lösung {U EX} kleiner gleich der Grenze oder den Grenzen ist.
Die nach der Iteration ermittelte Gesamtsteifigkeitsmatrix beschreibt in wenigstens einem der Koeffizienten, bevorzugt in mehreren die gewählte zu prüfende
mechanische Eigenschaft, z.B. eine mechanische Steifigkeit, bevorzugt
Biegesteifigkeit.
Die Gesamtsteifigkeitsmatrix kann im Verfahren z.B. dadurch (bevorzugt iterativ) geändert werden, dass die Koeffizienten der Elementsteifigkeitsmatrizen der einzelnen Elemente, in die das Bauteil diskretisiert ist, geändert werden.
Die Gesamtsteifigkeitsmatrix ist für jedes zu prüfende Bauteil individuell zu erstellen, insbesondere ist sie abhängig vom Material des Bauteils und dessen Form. Bei einem Bambusrohr als beispielhaftes Bauteil kann es z.B. vorgesehen sein, die jedem mit der wenigstens einen Kamera erfassten Messpunkt am Rohr oder dem Rohrabschnitt zugeordnete Elementsteifigkeitsmatrix iterativ zu ändern, wodurch somit auch die Gesamtsteifigkeitsmatrix des Bauteils insgesamt geändert wird. In die jeweilige Elementsteifigkeitsmatrix bzw. die Gesamtsteifigkeitsmatrix an jedem Messort / -abschnitt können z.B. der Rohraußendurchmesser des Bambusrohres an jedem Meßpunkt oder -Abschnitt und der Innendurchmesser eingehen.
Der Außendurchmesser kann dabei z.B. im Rahmen der Erfindung messtechnisch aus den Kamerabildern oder zuvor separat an jedem Messpunkt /-abschnitt bestimmt werden und als sodann weiterhin fester Parameter in einer Iteration berücksichtigt werden.
Durch iterative Änderung des Innendurchmessers an jedem Messpunkt (an der Kameraposition) oder in jedem Messabschnitt (z.B. zwischen zwei Kameras) als variable Größe zur Änderung der lokalen Eigenschaft, z.B. der Biegesteifigkeit in der jeweiligen Elementsteifigkeitsmatrix kann das simulierte Bauteil, z.B. Bambusrohr in seiner Form an das optisch erfasste simulativ angepasst werden.
Nach der Konvergenz bilden die Innendurchmesserwerte der Messpunkte /- abschnitte zumindest Repräsentanten der gewählten gesuchten lokalen
mechanischen Eigenschaft, z.B. der Biegesteifigkeit oder können konkret in diese durch bekannte mathematische Zusammenhänge umgerechnet werden.
Mit zunehmender Anzahl an durchgeführten Prüfungen kann dabei kontinuierlich die Qualität der Algorithmen zur Erzeugung des ersten digitalen Klon optimiert werden. Die Kohärenz zwischen realem Bauteilverhalten und, durch den digitalen Klon abgebildeten Verformungsverhalten wird so kontinuierlich verbessert. Der
beschriebene Vorgang wird für jedes neue Bauteil und jeden neuen Prüfaufbau wiederholt.
In einer anderen Methode kann es auch vorgesehen sein, bei einer Belastung, aus einem gemessenen Verformungswert zunächst unter Annahme einer homogenen Bauteilausbildung einen global für das gesamte Bauteil gültigen Eigenschaftswert, z.B. der Biegesteifigkeit zu ermitteln. Bei einer beispielhaften 4-Punkt-Belastung kann dafür die mittige Maximalauslenkung des Bauteils, z.B. wiederum eines Bambusrohres zwischen den Auflagern und den Stempeln gegenüber dem unbelasteten Fall ermittelt werden und hieraus z.B. die globale Biegesteifigkeit des Bauteils unter der Annahme einer homogenen Zusammensetzung bestimmt werden. Hieraus wird die theoretische Verformung des als homogen angenommenen Bauteils unter der gewählten Belastungsart errechnet, z.B. die theoretische Biegelinie des Bauteils bei einer 4-Punkt-Belastung.
Anhand der erfassten Bilder der wenigstens einen Kamera kann eine
Differenzbildung zwischen den Positionen des belasteten und unbelasteten Bauteils am jeweiligen Messpunkt / Messabschnitt und/oder der Steigungen an einem
Messpunkt oder zwischen benachbarten Messpunkten (=Messabschnitt) des belasteten und unbelasteten Bauteils erfolgen. Die mehreren Differenzwerte
(mindestens einer pro Messpunkt / -abschnitt) können direkt ein repräsentierendes Maß für eine mechanische Eigenschaft darstellen oder anhand von mathematischen Zusammenhängen, die für das Bauteil und/oder die Belastungsart gelten, in eine solche Eigenschaft umgerechnet werden.
Die Erfindung kann allgemein und damit unabhängig von der Art der folgenden Auswertung bei längserstreckten Bauteilen allgemein vorsehen, die gewählte
Eigenschaft an mehreren Messpunkten/Messabschnitten entlang der
Längserstreckung zu bestimmen. Grundsätzlich können beispielsweise rohrförmige Bautteile, stabförmige Bauteile und flächige Bauteile untersucht werden.
In einer Weiterbildung wird nach einer solchen Messung das Bauteil um seine Längsachse um einen Winkelbetrag rotiert und die Messung wiederholt, ggfs mehrfach für mehrere verschiedene Winkel, so dass mehrere Messungen für die Bestimmung der gewählten Eigenschaft an mehreren verschiedenen
Längspositionen und mehreren verschiedenen Umfangspositionen vorliegen.
Faktisch kann damit die Bauteiloberfläche komplett erfasst werden, dieses also aus mehreren Richtungen erfasst werden, obwohl die Kameras bzgl. der
Erdbezugssystems das Bauteil in nur einer Richtung erfassen.
Insbesondere in Verbindung mit der oben beschriebenen Finite-Elemente-Methode können so die benötigten Verschiebungen der Knoten der diskreten Elemente des Bauteils im Raum genauer ermittelt werden. Ein mögliches Ausführungsbeispiel der beschriebenen Erfindung ist die Qualitätssicherung für ein längliches bzw. längserstrecktes, z.B. rohrförmiges Bauteil, beispielsweise ein natürlich gewachsenes Bambusrohr. Dieses Bauteil, z.B. Bambusrohr weist im Allgemeinen auf seiner Länge als auch über den Umfang verteilt große Inhomogenitäten auf. Ein Bambusrohr ist im Rahmen der Erfindung ein bevorzugtes Bauteil, da es als natürlich gewachsenes Bambusrohr in seinem Aufbau ein bionisches Vorbild für moderne Leichtbaukonstruktionen ist. Bambusrohr hat ein Verhältnis von Steifigkeit zu
Gewicht auf dem Niveau von legierten Aluminiumrohren. Bambus kann für eine Vielzahl von Produkten eingesetzt werden, z.B. unter anderem als Material für den Bau von Fahrradrahmen. Auch ist der Einsatz bei Gerüsten oder auch sonstigen aussteifenden Konstruktionen bekannt.
Die größten auftretenden Belastungen bei längserstreckten Bauteilen, wie z.B.
Bambusrohren sind Biegemomente, die auf das Bauteil wirken.
Die Erfindung hat in dieser beispielhaften Anwendung entsprechend die Aufgabe als zu untersuchende Eigenschaft die inhomogene Verteilung der Biegesteifigkeit des Bauteils, z.B. des Bambusrohres aufzuzeichnen und abzubilden.
Bevorzugt werden sowohl die absolute lokale Größe der Biegesteifigkeit, oder diese zumindest repräsentierende Werte, als auch deren Position auf dem Umfang und der Länge des Bauteils, z.B. eines natürlich gewachsenen Bambusrohres ermittelt. In weiterer Bevorzugung wird die ermittelte mechanische Eigenschaft, also z.B. die hier gewählte Biegesteifigkeit in Form des digitalen Klons dargestellt.
Ein entstehendes digitales Modell jedes aus mehreren Bauteilen gefertigten
Produktes, z.B. eines Fahrradrahmens ist eine aus mehreren inhomogenen
Bauteilen, z.B. Bambusrohren zusammengesetzte Struktur. Das digitale Modell setzt sich somit aus den einzelnen digitalen Klonen der verwendeten Bauteile zusammen. Mit den Informationen über die lokale Biegesteifigkeitsverteilung der verwendeten Bauteile, z.B. Bambusrohre ist auch die zusammengesetzte Struktur durch einen digitalen Klon abgebildet.
Zu Bestimmung der lokalen Biegesteifigkeiten wird als Bauteil, z.B. ein Bambusrohr belastet. Als mechanische Belastung wird z.B. ein 4-Punkt-Biegeversuch gewählt.
Bei diesem wird bevorzugt das Bauteil auf zwei beabstandeten Auflagern aufgelegt und mit zwei zwischen diesen angeordneten, beabstandeten Stempeln belastet. Der 4-Punkt-Biegeversuch hat den Vorteil zwischen den belastenden Stempeln eine querkraftfreie Biegebelastung auf das untersuchte Bauteil, z.B. das Bambusrohr einzubringen. Die Längsachse des Bauteils ist durch die x-Koordinate markiert. Dies ist z.B. in den Bildern 1 bis 4 dargestellt. Die Abstände der Lastaufbringung und Auflager sind z.B. abweichend von der Norm für 4-Punkt-Biege-Versuche
entsprechend der verfügbaren Bauteilgeometrie und der gewünschten Auswertlänge angepasst.
Im Beispiel eines Bambusrohres ist der querkraftfreie Bereich in der Probe z.B. mit 1 m Länge so gewählt, dass alle für den späteren Einsatz in einem Produkt, z.B. einem Fahrradrahmen relevanten Bauteillängen abgebildet werden. Bevorzugt ist die aufgebrachte Belastung abhängig vom untersuchten Rohrdurchmesser und wird durch die Vorgabe der rein elastischen Verformung beschränkt. Für die
erfindungsgemäße Auswertung werden parallel zur Längserstreckung mehrere Kameras montiert, mit denen das Bauteil über seine Längserstreckung hinweg abschnittsweise erfasst wird, in diesem Beispiel parallel zur Längsachse des
Bambusrohres mit zehn Kameras, wie z.B. in Bild 4 gezeigt.
Die gleichzeitige Auswertung mehrerer Kamerabilder ermöglicht die Erfassung der kompletten Auswertlänge.
Für die beispielhaft angewendete Bildkorrelation kann z.B. jeweils die Aufnahme einer einzelnen Kamera im unbelasteten Zustand der entsprechenden Aufnahme nach Aufbringung der Prüflast gegenübergestellt werden. Für ein Bauteil, z.B. ein Rohr aus einem homogenen Werkstoff würde sich für den Lastfall eine konstante Biegelinie ergeben, Bild 2.
Die gemessene Auslenkung ist für diesen Fall eine Funktion der x-Koordinate entlang der Längserstreckung, bzw. Längsachse des Bauteils, z.B. des Bambusrohres. Für den inhomogenen Werkstoff im Bauteil, z.B. Bambusrohr ergibt sich eine Biegelinie deren lokale Auslenkung und Steigung direkt abhängig ist von der lokalen Verteilung der Biegesteifigkeit in dem jeweiligen untersuchten Bauteil. Bild 3). Im direkten Vergleich zu der Verformung eines Bauteils mit homogener Werkstoffverteilung führen Bereiche in dem Bauteil, z.B. Bambusrohr mit hoher Biegesteifigkeit zu einer lokal flachen Steigung der Biegelinie. Bereiche mit Schwachstellen oder Fehlstellen, die zu einer lokalen Reduzierung der Biegesteifigkeit führen, bilden sich in Form einer größeren Steigung ab.
In einem natürlich gewachsenen Bambusrohr als beispielhaftem Bauteil sind beide Formen der Abweichung auch in direkter Folge anzutreffen.
Bild 3) zeigt die sich ergebende Biegelinie. Um die Verteilung und Größe der
Inhomogenität über den Umfang des Bauteils, z.B. des Bambusrohres abzubilden wird das Bauteil mehrfach um einen definierten Winkel um dessen Längsrichtung herum gedreht. In der neuen Position werden wieder die entsprechenden Aufnahmen erstellt und in beispielhafter Auswertung im belasteten und unbelasteten Zustand gegenübergestellt. Die ermittelten Werte der lokalen Verformung können bereits als Repräsentanten der lokalen Biegesteifigkeit verstanden werden und können vorzugsweise in lokale Steifigkeiten umgerechnet werden.
Die ermittelten Werte können, wie zuvor beschrieben, auch zur Bildung der exakten gemessenen Lösung {UEX} im Rahmen einer FEM genutzt werden. Durch iterative Berechnung der Gesamtsteifigkeitsmatrix werden die ermittelten Werte somit faktisch umgerechnet in die gesuchten lokalen Biegesteifigkeitswerte.
Das Ergebnis der Untersuchung bildet in bevorzugter Weiterbildung durch den digitalen Klon, insbesondere nämlich durch die ermittelte Gesamtsteifigkeitsmatrix des Bauteils, diese ermittelten lokalen Steifigkeiten in Form einer CAD-Datei ab.
Dabei wird durch die Erfindung keine Aussage über die Ursache der lokalen
Biegesteifigkeitsverteilung gemacht. Für die Qualitätssicherung ist diese Aussage nachrangig. Entscheidend ist eine verlässliche Aussage über die tatsächlichen mechanischen Eigenschaften des eingesetzten Bauteils, bzw. des Bambusrohres und die Lokalisierung und Klassifizierung eventuell vorhandener Schwachstellen. In dem Beispiel sind solche Schwachstellen durch eine lokal große Verformung identifizierbar.
Der Vorteil der Erfindung ist die direkte Bestimmung der für den Einsatz des jeweiligen Bauteils bzw. Halbzeuges relevanten lokal unterschiedlichen
mechanischen Eigenschaften. Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel der beschriebenen Erfindung ist die Qualitätssicherung für schalenförmige Strukturbauteile oder Verkleidungsteile aus bevorzugt Faserverbundwerkstoffen. Diese Bauteile sind häufig durch eine sehr geringe Materialstärke bzw. Dicke im Verhältnis zu den weiteren Dimensionen des Bauteils gekennzeichnet.
Stand der Technik ist die Auswertung des Fertigungsprozesses bzw. die
Umrechnung der Materialverteilung und inneren Struktur eines Bauteils oder
Flalbzeuges in einen statistischen Wert für die mechanischen Eigenschaften. Dieser Umweg führt als potentielle Fehlerquelle unabhängig von der Auflösung der eingesetzten Mess- bzw. Auswertverfahren zu hohen Sicherheitsbeiwerten.
Der digitale Klon enthält Informationen über die Größe und Verteilung der jeweils als relevant untersuchten mechanischen Eigenschaften in einem Bauteil aus
inhomogenem Werkstoff und macht diese nutzbar.
Stand der Technik ist die Ermittlung der minimalen mechanischen Eigenschaften und die Dimensionierung des gesamten Bauteils auf Grundlage dieser Größe. In
Bereichen mit lokal besseren mechanischen Eigenschaften führt dieses Vorgehen jedoch zu einer Überdimensionierung, die bei der Erfindung vermeidbar ist.
Bei der Qualitätssicherung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen führt jede dokumentierte Abweichung im Fertigungsprozess zu einer potentiellen Fehlstelle und unabhängig von den tatsächlichen Auswirkungen dieser Fehlstelle auf die
mechanischen Eigenschaften des Bauteils zu Ausschuss. Die Erfindung ermöglicht die direkte Bestimmung der relevanten mechanischen Eigenschaften. Fehlstellen ohne Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften werden mit der Erfindung identifizierbar und verringern die Ausschussquote entsprechend.
Vergleichbare Bauteile können erfindungsgemäß lokal durch einen Stift oder
Tastkörper belastet werden der eine Beule in der Oberfläche erzeugt. Diese durch die Belastung erzeugte Beule kann anhand einer erfindungsgemäßen Anwendung der Bildkorrelation geometrisch bestimmt werden. Die Form der Ausbeulung ist dabei proportional zu den mechanischen Eigenschaften des belasteten Bereichs und seiner Umgebung. Die Erfindung und das beschriebene Verfahren sind auch für die Qualitätssicherung von komplexen Bauteilen geeignet. Bevorzugt ist auch hier eine Bedingung für einen Einsatz eine beschädigungsfreie Verformung des Bauteils im elastischen Bereich. Sinnvoll ist der Einsatz bei allen Bauteilen oder Halbzeugen, die für eine
mechanische Belastung in der Anwendung ausgelegt werden.
Die Durchführung des Messverfahrens ist den Bildern 1 bis 4 mit Bezug auf ein stabförmiges, bevorzugt rohrförmiges Bauteil, z.B. ein Bambusrohr zu entnehmen. Die Figur 5 zeigt ein Flußdiagramm, dem eine beispielshafte Ausführung für verschiedene beispielshafte Bauteilformen a), b), c) zu entnehmen ist. Die
Durchführung der Photogrammetrie ist fakultativ.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung von lokalen mechanischen
Eigenschaften eines Bauteils, bevorzugt eines länglichen Bauteils aus inhomogenen Materialien oder einer inhomogenen Materialverteilung, wobei das Bauteil einer mechanischen Belastung ausgesetzt wird, welche das Bauteil verformt und die Verformung des Bauteils an einer Vielzahl definierter Messpunkte oder Messabschnitte kamerabasiert detektiert wird und die lokale Verformung des Bauteils aus den Kameradaten bestimmt wird und aus der lokalen Verformung die lokale mechanische Eigenschaft berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Belastung im Rahmen eines Biegeversuchs, insbesondere eines 4-Punkt- Biegeversuchs, eines Zugversuchs, eines Druckversuches oder eines anderen Verfahrens zur Werkstoffprüfung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zerstörungsfreie Verformung im elastischen Bereich des Bauteils stattfindet.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere in Abhängigkeit der Art der Einbringung der Kraft in das Bauteil, durch Auswertung der erfassten Verformung als mechanische
Eigenschaft die Festigkeit, insbesondere die Biegefestigkeit, die
Druckfestigkeit, die Zugfestigkeit, Knick , Scher- und/oder Torsionsfestigkeit und/oder die Steifigkeit, insbesondere die Biege-, Dehn-, Schub- und /oder Torsionssteifigkeit bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten lokalen mechanischen Eigenschaften des Bauteils ein digitales Modell, insbesondere zur Erzeugung eines digitalen Klons gebildet wird, insbesondere mit dem das real existierende Bauteil in einer digitalen Konstruktionsumgebung eines Computers repräsentiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des Bauteils als lokale Verformung an der Vielzahl der Messpunkte / Messabschnitte mit wenigstens einer Kamera erfasst wird, die sukzessive an verschiedene Positionen entlang der Erstreckung des Bauteils bewegt wird zur Erfassung des Bauteils an einem jeweiligen Messpunkt / Messabschnitt oder gleichzeitig mit einer Vielzahl entlang der Erstreckung des Bauteils verschieden positionierter Kameras erfasst wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Verformung in Relation zu dem nicht verformten Bauteil bestimmt wird, insbesondere welches ebenso kamerabasiert erfasst wird oder in Relation zu einem als homogen angenommenen verformten Bauteil bestimmt wird, dessen Verformung simuliert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines mathematischen Modells, welches das Verformungsverhalten des Bauteils beschreibt, insbesondere das Verformungsverhalten des als homogen angenommenen Bauteils beschreibt, bevorzugt mit dem Modell der finiten Elemente, aus den erfassten Messwerten, welche die lokale Verformung in Relation zu dem nicht verformten Bauteil repräsentieren, insbesondere in Verbindung mit den bekannten bei der Belastung eingesetzten Kräften durch Änderung des Modells, das durch das geänderte Modell beschriebene simulierte verformte Bauteil an das reale verformte Bauteil approximiert wird, insbesondere iterativ bis zur Erfüllung eines Konvergenzkriteriums.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Änderung des Modells die Gesamtsteifigkeitsmatrix im Modell der finiten Elemente geändert wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass aus dem geänderten Modell, insbesondere der bei der Änderung ermittelten Gesamtsteifigkeitsmatrix der digitale Klon ermittelt wird, insbesondere die ermittelte Gesamtsteifigkeitsmatrix diesen repräsentiert.
11.Vorrichtung zur Durchführung der zerstörungsfreien Ermittlung lokaler mechanischer Eigenschaften von Bauteilen, bevorzugt länglichen Bauteilen aus inhomogenen Materialien oder mit inhomogener Materialverteilung, umfassend eine Einrichtung zur Belastung des Bauteiles und wenigstens einer Kamera, bevorzugt mehrere Kameras, mit der /mit denen die jeweilige lokale Verformung an einem jeweiligen Messpunkt / Messabschnitt erfasst wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit den
Kameras die gesamte Oberfläche des Bauteils erfassbar ist, insbesondere mit den Kameras eine Erfassung des Bauteils und dessen Verformung aus mehreren Richtungen ermöglicht ist, bevorzugt durch sukzessive Erfassung nach mehreren Bauteildrehungen um eine Bauteilachse, bevorzugt um die Längsachse.
13. Bauteile aus inhomogenen Werkstoffen, die mittels computerbasierter
Konstruktion produziert werden unter Nutzung der Daten, die durch das Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10 ermittelt worden sind.
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