Wirtschaftliche Ermittlung der Eindruckfläche mit Bildanalyse

Härteprüfung produktiv und genau

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Die Härteprüfung ist grundlegender Bestandteil der Analyse der Eigenschaften von Bauteilen und ein wichtiges Werkzeug zur Materialprüfung. Zur Prüfung und Messung dieses kritischen Parameters stehen viele verschiedene Methoden und Verfahren zur Verfügung.

Einige Arten von Härteprüfungen, wie zum Beispiel die Rockwell-Prüfung, führen zwar schnell und in nur einem einzigen Prozess zu Ergebnissen auf der Grundlage der Eindrucktiefe; bei vielen der üblicherweise eingesetzten Testarten, wie zum Beispiel Vickers, Knoop und Brinell, ist jedoch ein zweiter Prozess zur Ermittlung der Größe des Eindrucks erforderlich. Diese Sekundärprozesse können zeitaufwändig, ineffizient und anfällig für subjektive Fehler sein. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Produktivität bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Konsistenz des Prozesses ist das automatische Ablesen des Eindrucks mit Hilfe der Bildanalyse. Die in den letzten Jahren erzielten enormen Verbesserungen der Möglichkeiten in den Bereichen Hardware, Elektronik, Bildalgorithmen und Software haben den Weg für höchst präzise und verlässliche Prüfprozesse bereitet, deren Ergebnisse schneller vorliegen als je zuvor. Diese Verfahren bieten ein vielversprechendes Potenzial dafür, die Effizienz, Geschwindigkeit und Genauigkeit in einem bisher noch nie da gewesenen Ausmaß steigern zu können.

Automatische Härteprüfung
Die beiden am häufigsten eingesetzten Härteprüfungen sind Knoop und Vickers. Diese Verfahren werden im Mikro- und Makro-Bereich zur Ermittlung der Materialhärte eingesetzt. Grundlage hierfür ist die Messung der Größe eines rautenförmigen Eindrucks, der durch Anwendung einer bestimmten spezifizierten Kraft erzielt wurde. Bei dieser Art der Prüfung ist normalerweise die Anwendung einer relativ leichten Kraft geboten, was zu äußerst kleinen Eindrücken führt, die auf Mikron-Ebene gemessen werden müssen. In den herkömmlichen Verfahren, die heute noch weit verbreitet sind, werden Mikroskope mit Objektiven mit unterschiedlicher Auflösung eingesetzt, die in den Härteprüfer integriert sind. Die Messung erfolgt manuell mittels eines Okulars, der Bediener muss also das, was er durch das Okular sieht, selbst interpretieren. Wie vorherzusehen war, ist dies zeitaufwändig und ineffizient und dies wird in unserer heutigen äußerst schnelllebigen Welt immer weniger akzeptiert. Es ist nichts Ungewöhnliches, wenn ein Techniker im Laufe eines Tages viele Hunderte von Eindrücken herstellt und mit bloßem Auge vermisst, wobei dann der Messprozess mit zunehmender Anzahl der zu vermessenden Eindrücke wahrscheinlich aufgrund von Ermüdungserscheinungen beeinträchtigt wird. Hinzu kommt noch, dass eine vollständige Analyse einer Härteprüftraverse erstellt werden muss, die oft aus über 15 Eindrücken je Traverse besteht, normalerweise auch noch für jeden einzelnen Prüfling mehrmals. Spätestens jetzt wird deutlich, dass fortschrittliche, automatische Verfahren gebraucht werden.
In den letzten Jahren mussten diese manuellen Prozesse verstärkt der Automatisierung in jedem Aspekt des Prozesses weichen. Diese Entwicklung wird sich künftig noch beschleunigen. Es werden neue Verfahren zur Materialvorbereitung, Tischbewegung, Interpretation und Analyse der Ergebnisse, ja sogar zur Berichterstattung über die Ergebnisse, entwickelt. Ein solches Verfahren, das derzeit in vielen Labors auf der ganzen Welt eingeführt wird, ist die automatische Durchführung von Tischbewegungen und Bildanalysen bei Knoop-, Vickers- und Brinell-Eindrücken.
Ein automatisches Härteprüfsystem besteht typischerweise aus einem voll steuerbaren Härteprüfer mit einem automatischen Revolverkopf mit automatischer Rotation und Auslösung in der Z-Achse, entweder vom Gehäuse der Prüfspitze oder von einem Spindelantriebssystem aus, sowohl zur Ausführung des Eindrucks mit einer zuvor festgelegten Kraft als auch zur Scharfstellung des Werkstücks. Hinzu kommen noch ein Desktop- oder ein Laptop-Computer, auf dem eine eigens für Härteprüfungen entwickelte Software installiert ist, ein motorisierter Kreuztisch, der die Tischbewegungen automatisch durchführt, und eine USB-Videokamera – und das Ergebnis ist ein hoch leistungsfähiges, vollautomatisches Härteprüfsystem. Nach der Ersteinrichtung mit Prüflingen und einem gespeicherten Programm führt das System selbsttätig, unbeaufsichtigt und automatisch eine fast unbegrenzte Anzahl von Eindruckstraversen durch, vermisst sie und erstellt die entsprechenden Messberichte.
Durch neuere Techniken ist ein Großteil der Hardware nicht mehr nötig, die in der Vergangenheit zu betrieblichen Herausforderungen und überfrachteten Arbeitsplätzen geführt hat. Der Tisch wird zum Beispiel über einen virtuellen Joystick bewegt und bei einigen Systemen sind Tischsteuerungen in das Tischgehäuse integriert. Fortschritte bei den Tischbewegungs-Algorithmen und im mechanischen Design haben die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Prüfungen mit Kreuztischen mehr verbessert denn je, was von höchster Bedeutung für die Präzisionstraversen-Anforderungen ist, wie zum Beispiel die Analyse der Einsatzhärtungstiefe.
Bildanalyse
Die Bildanalyse ist nicht neu, aber die Technik macht weiterhin Fortschritte und ermöglicht dadurch enorme Prozessverbesserungen. Zum Beispiel hat sich die Kameratechnik weiterentwickelt, von der Bildfangschaltung (frame grabber) über IEEE Firewire hin zu USB, wodurch nicht nur weitere Hardware wegfiel, die früher erforderlich gewesen war, sondern gleichzeitig auch die Auflösung der Kamera und die Sichtfeld-Möglichkeiten verbessert wurden. Die Möglichkeiten der heute bereits verfügbaren und der in der Entwicklungsphase befindlichen Kameras, zusammen mit der Leistungsfähigkeit moderner Computer und der ständig verbesserten Software-Pakete, haben zu einer erheblichen Verbesserung der Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit der automatischen Ablesung der Eindrücke geführt. Alle Digitalkameras verfügen über Pixel-Arrays. Jedes Pixel kann entweder an oder aus sein. Wenn ein Schwarzweiß-Bild auf die Pixelmatrix projiziert wird, sind die Pixel in den dunklen Bereichen aus und die Pixel in den hellen Bereichen an. Wenn man deren jeweilige Anzahl ermittelt, kann dadurch die Größe des dunklen Bereichs auf dem Bild ermittelt werden, und folglich der Bildbereich. Die Größe des Eindrucks wird dann, zusammen mit dem Eindringkörper und der aufgebrachten Kraft, zur Ermittlung des Härtewertes herangezogen.
Automatische Tischbewegungen
Eine weitere Produktivitätssteigerung lässt sich durch den Einsatz größerer Kreuztische erzielen, die in einer Anordnung von Vorrichtungsarten jeweils zwei, vier oder sogar sechs Prüflinge gleichzeitig aufnehmen können. Vorprogrammierte und abgespeicherte Traversen werden geöffnet, die Prüflinge werden in Haltevorrichtungen angeordnet, und mit einem einzigen Klick wird der Eindruck, das Ablesen und die Berichterstattung über eine Vielzahl von Traversen für jeden Prüfling eingeleitet. Durch den Autofokus gibt es weniger Probleme mit der Klarheit des Eindrucks aufgrund von Variationen in der Z-Position. Neuere Software ermöglicht sogar den Einsatz verschiedener Skalen, Kräfte und Mikroskop-Objektive innerhalb und zwischen den Traversen.
Automatische Prüfungen sind auch bei Rockwell-Härteprüfungen immer nützlicher, insbesondere bei iterativen Musteranforderungen, wie zum Beispiel bei der Jominy-Prüfung, bei der eine Anzahl von Balken vollständig geprüft und ein Prüfbericht darüber erstellt werden kann. Nach nur einem Mausklick geschieht dies automatisch, ohne Zutun eines Bedieners.
Weitere Anwendungen
Wie Knoop- und Vickers-Prüfungen sind auch Brinell-Prüfungen von Natur aus arbeitsintensive, manuelle Prozesse, die, wenn sie auf herkömmliche Weise durchgeführt werden, das ständige Eingreifen und Tätigwerden eines Bedieners erfordern. Da die herkömmliche Brinell-Prüfung aus einer einzigen, kontrollierten Prüfkraft besteht, die mit einer Wolframkarbidkugel mit einem bestimmten, spezifizierten Durchmesser aufgebracht wird, muss der daraus resultierende Eindruck optisch vermessen werden (Durchmesser in mm), um die Härte des Materials zu bestimmen. Dies geschieht üblicherweise mit einem einfachen Taschenmikroskop. Der Prozess ist sowohl arbeitsintensiv als auch subjektiv. Wie bei Knoop- und Vickers-Prüfungen kommen beim wiederholten Durchführen von Messungen aufgrund von Ermüdung häufig Fehler vor und der Prozess selbst kann ineffizient und zeitaufwändig sein. Da viele Prozesse eine 100%ige Inspektion erfordern und da die Produktivität davon abhängt, wie schnell die Ergebnisse geliefert werden können, ist es nicht überraschend, dass ein Mittel gefragt ist, mit dem sowohl der Prozess beschleunigt werden kann als auch die möglichen manuell induzierten Fehler reduziert werden können. Welches Verfahren am besten geeignet ist, hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von der erforderlichen Prüfzeit, von der Geometrie des Werkstücks, vom Be- und Entlastungsverfahren, von den Materialeigenschaften, von den Anforderungen und der Einhaltung der ASTM-Normen und natürlich von Budgetanpassungen.
Bei Einsatz eines herkömmlichen Brinell-Prüfers (Stand- oder Tischmodell), das nur den Teil der Prüfung durchführt, in dem der Eindruck ausgeführt wird, besteht eine Alternative zu dem manuellen Prozess mit einem tragbaren Gerät darin, eine Taschen-Digitalkamera zu benutzen, die den Durchmesser des Eindrucks mit Hilfe von Bildanalyseverfahren automatisch, präzise und effizient messen kann. Daher ist es relativ einfach geworden, Brinell-Eindrücke mit einer Kamera zu vermessen. Wenn ein tragbares Bildgebungssystem, das ein manuelles Eingreifen erfordert, in der gewünschten Produktion fehlt, dann kann mit einem vollautomatischen optischen Brinell-System sowohl die Einhaltung von ASTM E-10 als auch die Durchführung von vollautomatischen optischen Prüfungen sichergestellt werden.
Ein voll integriertes automatisches optisches Brinell-Prüfsystem kann den gesamten Brinell-Prüfprozess schnell und präzise gemäß ASTM E10 durchführen, einschließlich der präzisen Aufbringung des Eindrucks, und bietet ein Bildanalyse-System, um die Größe des Eindrucks automatisch scharfzustellen, zu identifizieren und zu erfassen und die Härteprüfung durchzuführen. All dies, zusammen mit der flexiblen und benutzerfreundlichen Software, gibt dem Bediener umfassende und vielfältige Möglichkeiten, Prüfungen zu generieren, Analysen durchzuführen und Berichte zu generieren. Der Bediener muss lediglich den Prüfling in der Prüfmaschine positionieren und den Start-Knopf drücken. Der Eindruck wird automatisch ausgeführt. Auch die Rotation eines revolverkopfartigen Systems, das das Messobjektiv / Mikroskop in die richtige Position dreht, erfolgt automatisch. Der automatische Scharfstellungs- und Bildgebungsprozess wird dann initiiert und die Ergebnisse liegen schon innerhalb von 20 Sekunden vor.
Die Beschränkungen, die in der Vergangenheit in Bezug auf die Oberflächenbeschaffenheit, Beleuchtung, voreingestellte Kalibrierung sowie die Pixelgröße bestanden, wurden reduziert und es werden ständig weitere Verbesserungen entwickelt. Das Ergebnis ist, dass man sich stärker darauf verlassen kann, dass „das Instrument schon seine Arbeit macht“, was zu einer erheblichen Steigerung des Durchsatzes und der Konsistenz beiträgt und außerdem auch dafür sorgt, dass der Bediener mehr Zeit für seine anderen Aufgaben hat. Mit einem voll integrierten System wird der bisherige arbeitsintensive, subjektive und fehleranfällige Prozess praktisch abgeschafft und stattdessen durch einen erheblich präziseren und produktiveren Prozess ersetzt.
Reicherter Wolpert ITW Test & Measurement, Esslingen www.wolpertwilson.com
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