Werkstoffverhalten ganzheitlich erfassen:

Die multimediale Materialprüfung

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Bei der multimedialen Prüfung werden zeitsynchron zu den Meßwerten von Kraft und Verformung auch Bilder und Töne erfaßt und als ein Gesamtdokument digital gespeichert. Der gesamte Prüfvorgang wird ganzheitlich erfaßt und kann zu jedem beliebigen späteren Zeitpunkt und an jedem Ort virtuell nachvollzogen und begutachtet werden.

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Klemm, Produktmanager Zwick GmbH & Co.Ulm, Dipl.-Ing. (FH) Walter Ganzenmüller, Vertriebsleiter

Begonnen hat die Werkstoffprüfung mit vergleichenden Beurteilungen: Welches Material läßt sich mit welchem bearbeiten? Oder anders gefragt: Welcher Stoff ist härter, widerstandsfähiger, haltbarer als ein anderer?
Komplexe Prüfanordnungen im Bild
In diesem Jahrhundert wurde es möglich Kräfte und Wege oder Verformungen als analoge Meßwerte anzuzeigen. Eine Speicherung der Meßwerte zur späteren Auswertung war aber nur eingeschränkt möglich, z. B. über Schleppzeiger (Kraft-Maximalwert) oder grafisch aufzeichnete Diagramme (Kraft-Weg-Verlauf). Erst in jüngerer Zeit können die Meßwerte digital erfaßt und damit auch elektronisch gespeichert und verarbeitet werden. Dies brachte entscheidende Vorteile mit sich: Die Genauigkeit der Meßwerte verbesserte sich, weil jetzt Fehlerquellen durch ungenaues Ablesen und manuelles Übertragen vermieden wurden. Weitere Vorteile: Nullpunkt- und Empfindlichkeitsabweichungen können automatisch korrigiert, Meßwerte gespeichert, automatisch bewertet, miteinander synchronisiert, interpoliert, zu anderen Orten übertragen, zu beliebigen Zeiten aufgerufen und weiter verarbeitet sowie in verschiedenster Weise grafisch dargestellt werden. Aus diesen Meßwerten kann das Werkstoff- oder Bauteilverhalten jedoch nur abstrakt in Form von Zahlenwerten und Diagrammen gekennzeichnet werden. Das visuelle oder akustische Geschehen der Prüfung konnte nur der Prüfer aufnehmen; es konnte aber nicht gespeichert werden.
Mit der Entwicklung kostengünstiger und leicht handhabbarer Videokameras konnten komplexe oder schwer beschreibbare Prüfanordnungen im Bild festgehalten werden. Außerdem war es möglich, den Prüfverlauf aufzuzeichnen und nachträglich zu beurteilen. Die Bilder wurden aber noch analog gespeichert. Eine Zuordnung des Bildes zu den Meßdaten war deshalb nur möglich, wenn diese Daten, z. B. über die digitale Meßwertanzeige, mit „in´s Bild“ genommen wurden, wozu aber eine zweite Kamera und ein Mischpult erforderlich waren.
Die multimediale Prüfung
Bei der multimedialen Prüfung werden dagegen Meßdaten und audiovisuelle Informationen zeitsynchron erfaßt und digital auf einem gemeinsamen Datenträger zur beliebigen späteren Darstellung und Auswertung gespeichert. Die visuelle Erfassung, z. B. durch eine Videokamera, gibt Auskunft, wann, wie und wo die Probe sich einschnürt, ausknickt oder sich verfärbt. Durch einen eingeblendeten Maßstab oder ein überlagertes Raster können geometrische Veränderungen besonders deutlich dargestellt werden. Auch die Versuchsanordnung selbst läßt sich im Bild festhalten. Bei klemmkritischen Materialien kann eine Bildfolge über den Einspannvorgang Aufschluß darüber geben, ob die Proben beim Einspannvorgang unzulässig vorbeansprucht oder z. B. verdreht oder außermittig eingesetzt wurden. Das kann für die spätere Beurteilungen der Prüfergebnisse bedeutsam sein.
Bei Aufnahmen durch ein Mikroskop lassen sich Veränderungen erfassen, die mit bloßem Auge nicht mehr erkennbar sind. Endoskopische Aufnahmen bieten Einblicke in das Innere von Hohlkörpern, die sonst visuell nicht zugänglich sind. Die Wärmebildkamera ermöglicht es schließlich, die beanspruchungsabhängige Wärmeentwicklung zu erfassen. Über ein Mikrofon können zusätzlich akustische Ereignisse aufgenommen und den jeweiligen Meßwerten zugeordnet werden, wie z.B. Knistern und Knacken der Probe während des Prüfvorganges. Außerdem kann der Prüfer den Prüfvorgang oder dabei auftretende besondere Ereignisse „live„ kommentieren. Bei der multimedialen Prüfung wird nicht nur gespeichert, was die Prüfmaschine mißt, sonder auch, was der Prüfer bei der Prüfung sieht, hört oder auch spricht – und mit Mikroskop, Endoskop oder Thermokamera – auch das, was die Prüfmaschine nicht messen und der Prüfer nicht erkennen kann.
Die multimediale Prüfung faßt alle Daten über den Prüfablauf und das Verhalten des Werkstoffes bzw. des Prüflings in einem Gesamtdokument zusammen: Allgemeine Prüfdaten (vom Prüfauftrag über Vorgabe- und Einstellwerte bis zur Maschinenkonfiguration), Meß- und Ergebnisdaten, stehende Bilder der Prüfanordnung und bewegte Bilder von Einspannvorgang, Prüfanordnung und –ablauf sowie Tonaufnahmen.
Das Ergebnis ist ein wirklichkeitsgetreues Bild des gesamten Prüfvorganges, der damit zu jedem späteren Zeitpunkt und überall rekonstruiert werden kann und somit nachvollziehbar wird (vergleichbar mit einer Video-Aufzeichnung vom Fußballspiel, mit der klarstellt werden kann, ob der Spieler „Abseits“ war oder nicht). Die Prüfung wird selbst überprüfbar und erhält so einen neuen Stellenwert.
Beispiel der multimedialen Prüfung
Das folgende Beispiel aus der Praxis zeigt deutlich die hohe Aussagefähigkeit der multimedialen Prüfung. Ein Faltkarton, wie ihn die Deutsche Post AG unter der Bezeichung PackSet in ihren Schaltern als „schnelle und sichere Versand-Verpackung“ anbietet, wird dazu zwischen zwei, den Karton vollflächig überdeckenden Druckplatten auf Druck geprüft (Abb. 1). Die untere Druckplatte ist starr, die obere kugelig gelagert, damit sie sich möglichst parallel zur Oberfläche des Kartons einstellen und die Druckkraft gleichmäßig verteilt übertragen kann. Damit das Attribut „sicher“ auch für diesen Faltkarton zutrifft, muß der Karton eine möglichst hohe Druckfestigkeit aufweisen, damit er auch als unterster in einem Stapel nicht „platt gemacht“ werden kann und auch die „Dynamik“ bei der Sortierung, Verteilung usw. heil übersteht.
Das Kurven-Diagramm zeigt die überraschend hohe Belastbarkeit dieses PackSets. Ein erstes, nur leichtes Einknicken ist erst nach Überschreiten einer Druckkraft von über 1.200 N zu erkennen. Aber erst bei über 2.200 N knickt der Karton – auch im Videobild deutlich erkennbar – endgültig ein. Diese Druckkraft enspricht dem Gewichtkraft von drei Personen mit je 75 kg Normalgewicht. Aber auch danach erfolgt kein „Kollaps“, sondern über einen relativ großen Stauchweg bleibt eine relativ große Druckkraft erhalten, die dann sogar noch einmal ansteigt, weil jetzt innere Laschen für eine zusätzliche Verstärkung sorgen.
Die multimediale Prüfung und das Kurven-Diagramm zeigen deutlich, daß das Attribut „sicher“ für diesen Faltkarton und den vorgesehen Anwendungsbereich berechtigt ist. Im Videobild kann z. B. erkannt werden, an welche Ecke der Karton zuerst einknickt. Daraus können z. B. in der Entwicklung Informationen über die konstruktive Gestaltung des Faltkartons gewonnen werden.
Bei dieser Prüfung wurden Druckkraft und die Stauchung kontinuierlich gemessen, gespeichert und als Kurven-Diagramm angezeigt. Eine Videokamera überwachte zeitgleich die gesamte aus Druckplatten und Verpackungseinheit bestehende Versuchanordung. Die von der Videokamera aufgenommen Bilder wurden sofort digitalisiert und synchron mit den zugeordneten Druckkraft- und Stauchungs-Meßwerten auf der Festplatte des zur Prüfmaschine gehörenden Personal-Computers gespeichert.
Nach der Prüfung können die gespeicherten Kurven-Diagramme und die zugehörigen Videos wiederholt angezeigt werden, wahlweise in Einzelbild-Schritten oder als Film. Ein Fadenkreuz über der Kurve zeigt an, welchem Kurvenpunkt das aktuelle Videobild zugeordnet ist (Abb. 2).
Vorteile und Nutzen
Gerade heute, im Zeitalter der Globalisierung, kommen die Vorteile der multimedialen Prüfung besonders zum Tragen. Weltweite Forschung, Entwicklung und Produktion stellen erhöhte Anforderungen an die internationale Zusammenarbeit. Ähnliches gilt für die Partnerschaft mit Zulieferanten, die mehr und mehr zu Systemanbietern und -entwicklern geworden sind. Nicht zu vergessen die gestiegenen Risiken durch die verschärfte Produkthaftung. Deshalb ist es von größter Bedeutung, besonders wichtige Prüfungen in ihrer Gesamtheit jederzeit und überall nachvollziehen und damit auch „nachprüfen“ zu können. Wo immer Detailfragen beantwortet, weitreichende Entscheidungen getroffen oder Schadenersatzansprüche geklärt werden müssen, kann die komplette Dokumentation zu jeder Zeit und an jedem Ort mit einem Personal-Computer über Bildschirm oder Projektor und Leinwand an den Schreib- oder Konferenztisch geholt und begutachtet werden.
CONTROL Halle 1 / E 313 und
Halle 3 / P 751
Weitere Informationen A QE 501
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