GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Qualitätsprüfung eines umgeformten thermoplastischen faserverstärkten Kunststoffbauteils, das mit einer

Sensoreinheit mit nachgeschalteter elektronischer Auswerteeinheit zur Analyse des sensortechnisch erfassten Messergebnisses geprüft wird.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Flugzeugtechnik.

Faserverstärkte Kunststoffbauteile kommen zur Bildung von Gehäusestrukturen,

Wandstrukturen und dergleichen zum Einsatz. Vornehmlich sind hier interessierende Kunststoffbauteile mit Kohlefasern verstärkt und bilden sogenannte CFK-Bauteile.

Faserverstärkte Kunststoffbauteile mit thermoplastischer Harzmatrix liegen gewöhnlich als Halbzeug in Plattenform vor und werden durch thermoplastisches Umformen in die Sollform gebracht. Zum thermoplastischen Umformen dient dabei eine Presse, die den erforderlichen Umformdruck liefert und deren beheiztes Umformgesenk die Endform des Kunststoffbauteils wiederspiegelt. In Folge des thermoplastischen Umformens kann es durch

Temperaturunterschiede zu unerwünschten Materialtrennungen oder einer erhöhten inneren Porosität des umgeformten Kunststoffbauteils kommen, so dass eine diesbezügliche

Qualitätsprüfung nach dem Umformvorgang durchzuführen ist. Dies hat durch eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung zu erfolgen. Grundlage dieser Problematik ist der Wärmefluss im Kunststoffbauteil während des

Umformvorgangs. Vor diesem Vorgang wird sowohl das Kunststoffbauteil als auch das Umformwerkzeug erwärmt. Ist das Umformwerkzeug nicht genügend erwärmt, kommt es während des Umformvorganges zum Wärmefluss vom Bauteil ins Werkzeug. Hierbei kühlt sich die Oberfläche des Kunststoffbauteils als erstes ab, wogegen das Innere des

Kunststoffbauteils zuletzt abkühlt. Ist die Temperatur des Kunststoffbauteils während des Umformvorgangs zu gering, bildet sich die besagte Porosität.

Aus der DE 102 58 336 B3 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung hervor, die sich auch für CFK-Bauteile eignet. Das zu überprüfende Kunststoffbauteil wird hier mittels einer Anordnung von Ultraschallköpfen durchschallt. Die Ultraschallköpfe werden auf einer vorgegebenen Bahn relativ zu dem Kunststoffbauteil bewegt und mittels eines Flüssigkeitsstrahls akustisch an das Werkstück angekoppelt. Dabei ist vorgesehen, dass die Verstärkung der Prüfköpfe über einen weiten Dynamikbereich verstellbar ist, wobei sowohl ein monolithischer Bereich als auch ein Sandwich-Bereich eines CFK-Bauteils hinsichtlich Materialqualität prüfbar ist.

Allerdings ist eine solche Ultraschallprüfung technisch recht aufwendig, da zur Sicherstellung der akustischen Ankopplung der Flüssigkeitsstrahl erzeugt, aufrecht erhalten und abgeführt werden muss. Weiterhin ist eine Ultraschallprüfung messprinzipsbedingt recht zeitaufwendig.

Aus der DE 41 06 334 Cl geht ein weiteres Verfahren zur Qualitätsprüfung faserverstärkter Kunststoffbauteile per Ultraschallprüfung hervor. Es wird hier mit einer bildhaften

Aufzeichnung von Echoimpulsen gearbeitet. An Messpunkten, an denen die Amplitude des Echos eines dem Kunststoffbauteil durchlaufenden Impulses unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, wird die Amplitude eines eventuellen Fehlerechos aufgezeichnet. Zwar ist mit dieser Methode eine vollflächige Prüfung des Kunststoffbauteils mit einem einzigen Bild, und damit in einem einzigen Prüfschritt darstellbar, jedoch unterliegt dieses Verfahren ebenfalls den vorstehend erläuterten der Ultraschallprüfung anhaftenden Nachteilen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Qualitätsprüfung faserverstärkter Kunststoffbauteile mit thermoplastischer Matrix zu schaffen, welche mit einfachen technischen Mitteln ein zeiteffizientes und genaues Prüfen der Kunststoffbauteile auf innere Qualität gewährleistet.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorrichtungstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 6 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass durch eine optische

Sensoreinheit die Oberflächenrauigkeit des Kunststoffbauteils nach dem Umformen eingemessen wird, welche durch eine nachgeschaltete Auswerteeinheit anhand eines

Vergleichs mit einem hinterlegten Referenzmuster derart analysiert wird, dass eine erhöhte Oberflächenrauigkeit als eine erhöhte innere Werkstoffporosität interpretiert wird. Mit anderen Worten beruht die Erfindung darauf, anhand der Oberflächenrauigkeit ein umgeformtes thermoplastisches faserverstärktes Kunststoffbauteil dahingehend zu

analysieren, ob die innere Qualität des Kunststoffbauteils sich durch den Umformvorgang verschlechtert hat. Damit wird davon abgegangen, zur Beurteilung der inneren Qualität auch - A -

die innere Qualität direkt zu untersuchen. Erfindungsgemäß erfolgt die Beurteilung der inneren Qualität vielmehr aufgrund der äußeren Erscheinung des Kunststoffbauteils. Da die optische Erfassung und Auswertung der Oberfläche eines Bauteils per Mustervergleich datenverarbeitungstechnisch für die gesamte erfasste Oberfläche sehr schnell durchzuführen ist, lässt sich eine hohe Zeitersparnis für die Qualitätsprüfung erzielen. Zudem ist keine besondere Ankopplung zwischen Sensoreinheit und zu prüfendes Kunststoffbauteil erforderlich, insbesondere braucht im Gegensatz zur Ultraschallprüfung keine

Koppelflüssigkeit verwendet werden, so dass sich die erfindungsgemäße Lösung

gerätetechnisch einfacher umsetzen lässt. Es kann auf Standardbauteile zur optischen Analyse zurückgegriffen werden. Durch die optische Analyse lässt sich auf eine schlechte innere Qualität durch eine sichtbar rauere Außenoberfläche als bei einem fehlerfreien

Kunststoffbauteil schließen. Es wurde festgestellt, dass sich innenliegende

Materialtrennungen und Porosität als vermehrte Rauigkeit an der Oberfläche des

Kunststoffbauteils abzeichnen. Die Erfindung macht sich damit diese Korrelation zwischen Oberfläche und innerer Qualität zu nutzen.

Als besonders bevorzugtes Messprinzip zur Realisierung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird die optische Streifenreflektion (Reflektometrie) vorgeschlagen. Bei diesem optischen Messverfahren wird von einer Strahlungsquelle ein Streifenmuster mit geraden und parallel zueinander beabstandet angeordneten Leuchtstreifen erzeugt, das auf die Oberfläche des Kunststoffbauteils als Messobjekt fällt und von dieser reflektiert wird. Bedingt durch die Oberflächenrauheit sind die reflektierten Streifen deformiert. Die deformierten Streifen werden von einer Kamera erfasst und hinsichtlich der Oberflächenwinkel sowie Krümmung und dergleichen per Bildanalyse ausgewertet, um Rückschlüsse auf die Verteilung sowie den Grad der Oberflächenrauheit zu erzielen.

Für die erfindungsgegenständliche Anwendung dieses Messprinzips wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit einen LCD-Monitor zur Erzeugung des besagten Streifenmusters umfasst. Unmittelbar daneben und entsprechend den optischen Achsen ausgerichtet sollte eine CCD- Kamera zur Aufnahme des von der Bauteiloberfläche reflektierten Streifenmusters angeordnet sein. Es können auch mehrere Sensoreinheiten vorgesehen werden, um das Kunststoffbauteil zeitgleich von mehreren Seiten her zu prüfen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung reicht allerdings eine einzige Sensoreinheit aus, welche ortsfest installiert ist, wogegen das zu prüfende Kunststoffbauteil mittels einer Handhabungseinrichtung flexibel gegenüber der Sensoreinheit positionierbar ist. Die Handhabungseinrichtung kann dabei ein entlang mehrerer Raumachsen bewegbarer Industrieroboter sein, der im Fertigungsprozess des

Kunststoffbauteils sowieso zum Einlegen und zur Entnahme des Kunststoffbauteils in bzw. aus dem Umformwerkzeug der Presse vorhanden ist.

Mit einer solchen Vorrichtung lässt sich das Kunststoffbauteil derart gegenüber der optischen Sensoreinheit positionieren, dass ein optisches Einmessen von mehreren Seiten erfolgen kann. Vorzugsweise werden alle Seiten und damit die gesamte Oberfläche des Kunststoffbauteils optisch eingemessen, um eine vollständige Qualitätsprüfung vorzunehmen. Es ist jedoch ausreichend, wenn nur diejenigen Seiten des Kunststoffbauteils optisch eingemessen werden, an denen sich durch eine erhöhte Oberflächenrauigkeit aller Erfahrung nach eine verminderte innere Qualität des Kunststoffbauteils abzeichnet. Durch diese Maßnahme kann die Prüfzeit weiter reduziert werden.

Gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das hinterlegte Referenzmuster derart über die optische Sensoreinheit erzeugt wird, dass ein Musterbauteil mit normaler Oberflächenrauigkeit hiervon optisch eingemessen wird. Die so eingemessenen Daten werden als eine Art Bilddatei in eine Speichereinheit der

Auswerteeinheit hinterlegt, die vorzugsweise in Form eines Rechners (PC) ausgebildet ist. Zur Durchführung einer eindeutigen Prüfung wird gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgeschlagen, einen Schwellenwert für die Oberflächenrauigkeit des Kunststoffbauteils festzulegen. Wird dieser Schwellenwert nach Durchführung des Vergleichs der eingemessenen Oberflächenrauigkeit mit dem hinterlegten Referenzmuster überschritten, so lässt sich im Zuge einer automatisierten Qualitätskontrolle eine Gut- Schlecht-Auswahl der zu prüfenden Kunststoffbauteile treffen. Hierdurch lässt sich ein eindeutiges und gleichmäßiges Prüfergebnis erzielen.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet die Voraussetzung dafür, dass durch die optische Sensoreinheit lokale Änderungen der Oberflächenrauigkeit bezüglich der Gesamtoberfläche einer eingemessenen Seite des Kunststoffbauteils festgestellt werden können. Liegt lokal eine erhöhte Oberflächenrauigkeit vor, so kann auf lokal schlechte innere Qualität des

Kunststoffbauteils rückgeschlossen werden. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 eine Vorrichtung zur Qualitätsprüfung eines umgeformten thermoplastischen faserverstärkten Kunststoffbauteils,

Figur 2 eine schematische Draufsicht auf lokale Änderungen der Oberflächenrauigkeit bezüglich der Gesamtoberfläche eines Kunststoffbauteils, und

Figur 3 einen Querschnitt im Schnitt A-A durch den Bereich erhöhter

Oberflächenrauigkeit in Figur 2. DETAILLIERTE BESCHREIBUBNG BEISPIELHAFTER

AUSFÜHRUNGSFORMEN Gemäß Figur 1 besteht die Vorrichtung zur Qualitätsprüfung eines im vorangegangenen

Fertigungsschritt thermoplastisch umgeformten faserverstärkten Kunststoffbauteils 1, das hier ein CFK-Bauteil ist, aus einer Sensoreinheit 2 zum optischen Prüfen des Kunststoffbauteils 1, die als eine CCD-Kamera ausgebildet ist. Benachbart neben der Sensoreinheit 2 ist ein LCD- Monitor 3 zur Erzeugung eines Streifenmusters positioniert. Der LCD-Monitor 3 emittiert das Streifenmuster derart in Richtung der Oberfläche des Kunststoffbauteils 1 , dass das hiervon reflektierte Bild auf der optischen Achse der Sensoreinheit 2 liegt, also von dieser bildlich erfasst werden kann. Das reflektierte Streifenmuster beinhaltet durch Unregelmäßigkeiten Informationen über die Oberflächenrauigkeit des Kunststoffbauteils 1. Diese Bildinformation wird durch eine nachgeschaltete Auswerteeinheit 4 anhand eines Vergleichs mit einem abgespeichert hinterlegten Referenzmusters per Bildanalyse ausgewertet. Basis der

Auswertung ist der Sachverhalt, dass eine erhöhte Oberflächenrauigkeit als eine erhöhte innere Werkstoffporosität interpretiert wird.

Die relative Positionierung des Kunststoffbauteils 1 zur Sensoreinheit 2 mit LCD-Monitor 3 erfolgt über eine Handhabungseinrichtung 5, welche hier als ein Industrieroboter ausgebildet ist und ansonsten dem Handling des Kunststoffbauteils 1 dient.

Wird das zu überprüfende Kunststoffbauteil in Folge des Vergleichs durch die

Auswerteeinheit 4 als Schlechtteil eingestuft, so legt die Handhabungseinrichtung 5 dieses Schlechtteil in eine Ausschussbox 6 ab. Anderenfalls erfolgt eine Ablage eines Gutteils in eine Bereitstellungsbox 7. In Figur 2 ist ein Kunststoffbauteil 1 dargestellt, welches neben einen Bereich 8 mit normaler Oberflächenrauigkeit einen Bereich 9 mit stark erhöhter Oberflächenrauigkeit aufweist. Dabei ist die Oberflächenrauigkeit des Bereichs 9 sichtbar und fühlbar. Unterhalb des Bereichs 9 befinden sich gemäß Figur 3 (Schnitt A-A) viele Poren 10, so dass eine starke innere

Werkstoffporosität vorhanden ist. Bei dieser erhöhten inneren Werkstoffporosität ist die Festigkeit des Kunststoffbauteils 1 in unzulässiger Weise beeinträchtigt, so dass dieses Kunststoffbauteil 1 als Schlechtteil auszusondern ist.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Bezugszeichenliste

1 Kunststoffbauteil

2 Sensoreinheit

3 LCD-Monitor

4 Auswerteeinheit

5 Handhabungseinrichtung

6 Ausschussbox

7 Bereitstellungsbox

8 Bereich normaler Oberflächenrauigkeit

9 Bereich erhöhter Oberflächenrauigkeit

10 Poren