DE102017124051A1

DE102017124051A1 - Vorrichtung und Verfahren zur automatischen Werkstückprüfung

Info

Publication number: DE102017124051A1
Application number: DE102017124051.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2019-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (10) zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe (100), welches in einer Werkstückaufnahme (11) der Messvorrichtung (10) zur Prüfung fixierbar ist. Erfindungsgemäß weist die Messvorrichtung (10) zumindest eine Bilderfassungseinheit (12) zur optischen Ermittlung einer Werkstückgeometrie der Werkstückprobe (100) und zumindest einen mechanischen Prüfkopf (13) zur Erzeugung eines Eindrucks (101) in der Werkstückprobe (100) auf. Des Weiteren ist zumindest eine Antriebseinheit (14) zur zumindest teilweisen Positionierung der Werkstückaufnahme (11), der Bilderfassungseinheit (12) und/oder dem Prüfkopf (13) zueinander vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe gemäß des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie ein Verfahren zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt für eine Messvorrichtung zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe.
Prinzipiell sind Messvorrichtungen zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe bekannt. Dabei kann zwischen zerstörungsfreier und zerstörender Werkstoffprüfung unterschieden werden. Die Messvorrichtungen aus dem Stand der Technik weisen jedoch aufwendige und kostenintensive Messapparaturen auf, wobei darüber hinaus immer ein manueller Eingriff durch ein Bedienpersonal nötig ist, damit die Werkstoffprüfung entsprechend qualitative Messergebnisse liefert. Vielfach sind auch mehrere baulich getrennte Messvorrichtungen notwendig, um die gewünschten Messverfahren ausüben zu können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest tlw. zu beheben. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkstoffprüfung, insbesondere eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung auf nur einer Messvorrichtung, zu ermöglichen, wobei vorzugsweise das entsprechende Messverfahren im Wesentlichen automatisiert durchführbar ist.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs, einem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs und ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des unabhängigen Softwareanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungsgegenstände möglich.
Erfindungsgemäß weist die Messvorrichtung zur (insbesondere optischen) Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstoff-Probe, welche in einer Werkstückaufnahme der Messvorrichtung zur Prüfung fixierbar ist, zumindest eine Bilderfassungseinheit zur optischen Ermittlung einer Werkstückgeometrie der Werkstückprobe auf. Darüber hinaus ist bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zumindest ein mechanischer Prüfkopf zur Erzeugung eines insbesondere mechanischen Eindrucks in der Werkstückprobe sowie zumindest eine Antriebseinheit zur zumindest tlw. Positionierung der Werkstückaufnahme, der Bilderfassungseinheit und/oder dem Prüfkopf zueinander vorgesehen.
Unter einer Werkstückprobe im Sinne der Erfindung kann ein oder mehrere Bauteile, Oberflächenschichten und/oder Werkstoff-Proben verstanden werden. Die mechanischen Eigenschaften der Werkstückproben können dabei Verfestigungsverhalten, Schädigungsparameter, Bruchdehnung, Zugfestigkeit, Duktilität, Verformungsvermögen, Zähigkeit, Fließbeginn, Dehngrenzen, Parameter die das Kriechverhalten beschreiben, Parameter die die Materialermüdung beschreiben, Streckgrenze und/oder Verfestigungen der Werkstoffe sein.
Dabei kann durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine insbesondere zerstörungsfreie Werkstück-/Werkstoff-Prüfung (insbesondere vollautomatisch, d. h. ohne manuellen Eingriff) durchgeführt werden, die insbesondere zur Ermittlung von lokalen Werkstoffeigenschaften führen kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zug- und Härteprüfungen wird bei der erfindungsgemäßen Messung zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe, ein mechanischer Eindruck, der jedoch zerstörungsarm oder zerstörungsfrei für die Werkstückprobe ist, in die Werkstückprobe durchgeführt, wodurch lokale Werkstoffeigenschaften/Parameter, vorzugsweise durch einen Vergleich einer (insbesondere ausschließlich optisch) gemessenen Eindrucktopographie mit einer computerbasierten Simulation einer theoretischen Eindrucktopographie unter Verwendung eines Materialmodells, ermittelbar sind.
Dafür kann die Werkstückprobe in einer Werkstückaufnahme, vorzugsweise über ein Spannfutter, insbesondere Schnellspannfutter, der Messvorrichtung fixiert werden und diese von einer Bilderfassungseinheit derart optisch erfasst werden, dass von der Bilderfassungseinheit die Werkstückgeometrie der Werkstückprobe ermittelbar ist. Die Werkstückaufnahme kann auch ohne eine Einspannung der Werkstückprobe erfolgen, je nachdem, wie diese in ihrer Form, z. B bei planparallele Proben, ausgestaltet ist und wo der Eindruck erfolgen soll. Unter der Werkstückgeometrie kann dabei im Sinne der Erfindung insbesondere die Oberflächengeometrie und/oder die geometrischen Abmessungen verstanden werden. Dabei ist es erfindungsgemäß denkbar, dass die Bilderfassungseinheit die Werkstückprobe eindimensional in Verbindung mit einer Rasterung, zweidimensional und/oder dreidimensional optisch erfasst. Der zumindest eine mechanische Prüfkopf der Messvorrichtung kann (nach der optischen Erfassung) einen mechanischen Eindruck in die Werkstückprobe durch ein Eindruckverfahren einbringen. Der Prüfkopf, die Werkstückaufnahme und/oder die Bilderfassungseinheit können hierbei beweglich ausgebildet sein, wobei erfindungsgemäß zumindest eine Antriebseinheit zur zumindest tlw. Positionierung der Werkstückaufnahme, der Bilderfassungseinheit und/oder den Prüfkopf zueinander vorgesehen ist. Hierdurch kann auf ein Umspannen oder eine erneute Fixierung der Werkstückprobe in einer optischen Erfassungsvorrichtung verzichtet werden. Die Antriebseinheit kann dabei erfindungsgemäß mechanisch, elektrisch, elektromechanisch, hydraulisch und/oder pneumatisch angetrieben sein. Dabei kann die Antriebseinheit auch „passiv“ als ein Totgewicht und/oder Federantrieb und/oder Kraft-/Energiespeicher ausgebildet sein, sodass kein aktiver Antrieb für die Relativbewegung von Prüfkopf zur Werkstückprobe notwendig ist.
Es ist denkbar, dass lediglich eines der drei Bauteile, Werkstückaufnahme, Bilderfassungseinheit und Prüfkopf oder sämtliche Bauteile zueinander beweglich ausgebildet sind. Auch ist es denkbar, dass mehr als eine Antriebseinheit vorgesehen ist, wobei eine Antriebseinheit zumindest ein Bauteil, Werkstückaufnahme, Bilderfassungseinheit und/oder Prüfkopf, positioniert oder die eine Antriebseinheit mehr als ein Bauteil oder sämtliche Bauteile, der Werkstückaufnahme, Bilderfassungseinheit und/oder den Prüfkopf antreibt und somit zumindest tlw. positioniert. Vorzugsweise dient die zumindest eine Antriebseinheit zumindest zur tlw. Positionierung der Werkstückaufnahme mit einer darin fixierten Werkstückprobe und dem zumindest einen Prüfkopf zueinander, sodass ein Eindruck, insbesondere mechanischer Eindruck, in der Werkstückprobe erzeugt werden kann. Dieser Vorgang kann auch als Härteprüfung oder Indentationsvorgang, insbesondere Nanoindentationsvorgang, bezeichnet werden. Im Rahmen der Erfindung kann die Werkstückprobe insbesondere ein isotropes und/oder anisotropes Material und/oder Sintermaterialien und/oder gehärtete Materialien, aufweisen.
Darüber hinaus ist es denkbar, dass der Prüfkopf, die Werkstückaufnahme und/oder die Bilderfassungseinheit auswechselbar an der Messvorrichtung angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ermöglicht somit eine (insbesondere vollständige) automatisierbare Werkstoffprüfung, welche insbesondere in vorhandene Produktionssysteme und/oder -prozesse integriert werden kann.
Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine im Wesentlichen zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, wobei der Eingriff eines Bedieners für die Ermittlung von mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe zumindest reduziert oder auch vollständig vermieden werden kann. Hierdurch lassen sich die erhaltenen Ergebnisse zu den mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe deutlich verbessern, da persönliche Bedienungsfehler zumindest teilweise oder auch vollständig vermieden werden können. Auch die Reproduzierbarkeit des Messverfahrens kann somit deutlich verbessert werden. Die optische Ermittlung der Werkstückgeometrie, der mechanische Eindruck in die Werkstückprobe sowie die optische Erfassung des mechanischen Eindrucks kann durch die zumindest tlw. oder vollständige Positionierung der Bauteile zueinander (automatisch) ermöglicht werden. Somit kann ein automatisches Prüfen einer oder mehrerer Werkstückproben durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, vorzugsweise vollautomatisch, durchgeführt werden. Hierdurch kann das Messverfahren besonders zügig und exakt durchgeführt werden, so dass die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse hervorragend ist.
Im Rahmen der Erfindung kann zumindest die Bilderfassungseinheit, der Prüfkopf, die Antriebseinheit und die Werkstückaufnahme an einem Prüfrahmen angeordnet sein, wobei insbesondere ein beweglicher Prüftisch vorgesehen ist, an dem die Werkstückaufnahme anordbar ist. Durch einen gemeinsamen Prüfrahmen, an welchem zumindest die Bilderfassungseinheit, der Prüfkopf, die Antriebseinheit und die Werkstückaufnahme angeordnet sind, kann ein kompakter Aufbau der Messvorrichtung erzielt werden. An dem Prüfrahmen sind die Werkstückaufnahme, die Bilderfassungseinheit und/oder der Prüfkopf zumindest tlw. zueinander positionierbar, sodass insbesondere eine Relativbewegung zwischen der Werkstückaufnahme, der Bilderfassungseinheit und/oder dem Prüfkopf durchführbar ist. Die Positionierung bzw. eine Relativbewegung zueinander kann dabei horizontal (in y-Richtung) und/oder vertikal (in x-Richtung) und/oder rotatorisch ausgebildet sein, wobei insbesondere ein beweglicher Prüftisch vorgesehen ist, an dem die Werkstückaufnahme anordbar und welche derart ausgestaltet ist, dass eine zumindest tlw. Positionierung zueinander durchführbar ist. Der Prüftisch kann dabei derart ausgestaltet sein, dass zumindest eine Werkstückprobe oder eine Mehrzahl an Werkstückproben bzw. Werkstücken an der Werkstückaufnahme des beweglichen Prüftisches anordbar ist und der Prüftisch horizontal, vertikal und/oder rotatorisch verfahren werden kann. Der Prüfrahmen kann erfindungsgemäß eine U-Form aufweisen, wobei an dem einen Schenkel der Prüftisch und/oder die Werkstückaufnahme und dem weiteren Schenkel die Bilderfassungseinheit und/oder der Prüfkopf angeordnet sein kann. Die zumindest eine Antriebseinheit kann ebenfalls an einem der Schenkel I des Prüfrahmens angeordnet sein. Somit entsteht ein kompakter Aufbau der Messvorrichtung durch den Prüfrahmen.
Es ist des Weiteren denkbar, dass der Prüfkopf eine Prüfspitze aufweist, wobei die Prüfspitze zumindest ein Mineral oder Hartmetall aufweist. Die Prüfspitze selber kann, vorzugsweise über ein Spannfutter, insbesondere Schnellspannfutter, austauschbar sein. Insbesondere kann die Prüfspitze eine definierte Prüfspitzengeometrie aufweisen. Bei einem Mineral kann es sich erfindungsgemäß um einen Diamant oder einen Rubin handeln. Ein Hartmetall kann in Form eines gesinterten Carbidhartmetalls ausgebildet sein, wodurch eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit erzielbar ist. Vorzugsweise kann das Hartmetall zumindest Wolframcarbid und/oder Kobalt aufweisen. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Prüfspitze Titankarbide, Tantalkarbide, Chromkarbide und/oder Varnadiumkarbide, insbesondere in einem Metallwerkstoff, aufweist. Die dadurch erreichbare hohe Härte und Verschleißfestigkeit kann somit über einen langen Zeitraum vergleichbare, insbesondere gleichbleibende mechanische Eindrücke in einer Werkstückprobe ermöglichen. Darüber hinaus ist der Verschleiß solcher Hartmetalle und Minerale gering. Die Prüfspitzengeometrie kann dabei sphärisch, konisch, sphärokonisch oder kugelförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Prüfspitze derart geometrisch ausgebildet, dass eine Materialaufweitung im Bereich des mechanischen Eindrucks in der Werkstückprobe erzielt werden kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Prüfspitzengeometrie rotationssymmetrisch ausgebildet ist, sodass eine optische Erfassung des mechanischen Eindrucks in der Werkstückprobe einen rotationssymmetrischen Verlauf aufweist. Dementsprechend kann eine Mittelung entlang des mechanischen Eindrucks bspw. in Gradwinkelschritten, vorzugsweise alle 1° bis 5° vorgenommen werden.
Vorteilhafterweise kann ein Tiefenmesser (sowie ggf. ein Kraftmesser) u. a. für den Prüfkopf vorgesehen sein, wodurch zumindest eine Eindrucktiefe des Prüfkopfes, insbesondere der Prüfspitze, in der Werkstückprobe messbar ist. Der Messvorgang wird vorzugsweise mit vordefinierten Prüfbedingungen, bspw. vordefinierter Kraft- und/oder Eindrucktiefe, durchgeführt. Durch die bekannte Prüfspitzengeometrie und den ermittelten Messdaten für Eindringkraft und Eindringweg, kann die Kontaktfläche und in weiterer Folge die zuvor genannten Werkstoffparameter/ Eigenschaften gemittelt werden. Bei einem erfindungsgemäßen Tiefenmesser kann es sich bspw. um einen Plattenkondensator, insbesondere Treibplattenkondensator handeln, welcher auf einem bspw. Rasterkraftmikroskop angebracht ist und bei Aufbringung einer Kraft zur Durchführung eines mechanischen Eindrucks in die Werkstückprobe eine Kapazitätsänderung im Plattenkondensator messbar ist. Hierdurch kann zum einen die erforderliche Kraft und die entsprechende Eindringtiefe gemessen werden, wodurch auch die Werkstückparameter/ Eigenschaften geschlossen werden kann.
Die Eindrucktiefe des Prüfkopfes, insbesondere der Prüfspitze, kann erfindungsgemäß zwischen ungefähr 1 µm und ungefähr 3.000 µm, vorzugsweise zwischen ungefähr 10 µm und ungefähr 500 µm, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 50 µm und ungefähr 250 µm, betragen. Die geringe Eindrucktiefe ermöglicht eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung der Werkstückprobe und gleichzeitig können Metalle, Legierungen sowie gewisse Kunststoffe durch die Messvorrichtungen vermessen werden. Demensprechend bleiben die Werkstückproben bzw. Bauteile bei dem Messverfahren erfindungsgemäßen nahezu unversehrt gegenüber bspw. bekannten Zugprüfungen, die üblicher Weise eine Zerstörung der Probe bewirken.
Im Rahmen der Erfindung kann eine Lichtquelle vorgesehen sein, wobei insbesondere die Lichtquelle in der Bilderfassungseinheit integriert ist. Die Lichtquelle dient erfindungsgemäß zur (optimalen) Beleuchtung der Werkstückproben bzw. des mechanischen Eindrucks in der Werkstückprobe. Somit kann die Lichtquelle in der Bilderfassungseinheit als Teil des optischen Sensors ausgestaltet sein und somit auch zum Messverfahren (Interferometer) gehören. Die Lichtquelle kann die Oberflächengeometrie der Werkstückprobe sowie die Eindruckgeometrie des mechanischen Eindrucks derart ausleuchten, dass über die Bilderfassungseinheit die Werkstückgeometrie und die Eindrucksgeometrie optisch erfasst werden können. Erfindungsgemäß kann die Lichtquelle derart regelbar sein, dass die Lichtstärke bspw. an die vorhandenen Lichtgegebenheiten angepasst werden kann, sodass Reflektionen im Wesentlichen verhindert werden können. Bei der Lichtquelle kann es sich bspw. um einen optischen Sensor mit zumindest einer (integrierter) Infrarot-, LED- und/oder OLED-Lichtquellen handeln. Vorzugsweise wird von der Lichtquelle zumindest ein Lichtpunkt oder ein linearer Lichtstreifen erzeugt, die (Lichtpunkt oder Lichtstreifen) ansteuerbar sind. Somit kann das Licht an die definierten Stellen des mechanischen Eindrucks der Werkstückprobe gesendet werden, wodurch eine optische Messung deutlich verbesserbar ist. Auch ist es denkbar, dass die vorhandene Lichtquelle die gesamte Werkstückprobe großflächig und insbesondere homogen ausleuchtet.
Die Bilderfassungseinheit kann als ein konfokales Mikroskop oder ein chromatischer Weißlichtsensor (bevorzugt ist ein Weißlichtinterferometer) ausgestaltet sein. Auch ist ein Stereoobjektiv denkbar um besonders optisch exakt die dreidimensionale Ausgestaltung des mechanischen Eindrucks der Werkstückprobe erfassen zu können. Zusätzlich oder optional können Sensoren basierend auf Fokusvariation sowie Weißlichtsensoren (Punktsensor) zur Messdatenerfassung vorhanden sein. Die gemessenen Daten des mechanischen Eindrucks der Werkstückprobe werden als digitale (erzeugte) Eindrucktopographie in einer Steuereinheit und/oder einer Elektronikeinheit in einem Speicher z. B. als 3D Geometrie, bzw. Punktewolke, bzw. xyz-Tripel, bzw. Datenmatrix, abgelegt, um diese anschließend mit der computerbasierten Simulation einer theoretischen Eindrucktopographie unter Verwendung eines Materialmodells vergleichen zu können, Hierdurch lassen sich dann die mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe, wie z. B. Verfestigungsverhalten, Schädigungsparameter, Bruchdehnung, Zugfestigkeit, Duktilität, Verformungsvermögen, Zähigkeit, Fließbeginn, Dehngrenzen, Parameter die das Kriechverhalten beschreiben, Parameter die die Materialermüdung beschreiben, Streckgrenze und/oder Verfestigungen der Werkstoffe, (insbesondere indirekt) bestimmen.
Es ist im Rahmen der Erfindung ferner denkbar, dass ein beweglicher Werkzeugrevolver vorgesehen ist, an dem zumindest der Prüfkopf und die Bilderfassungseinheit anordbar sind. Der Werkzeugrevolver kann dabei rotatorisch und/oder translatorisch beweglich, insbesondere an einem Schenkel des Prüfrahmens, angeordnet sein. Dementsprechend kann der Prüfkopf und/oder die Bilderfassungseinheit rotatorisch und/oder translatorisch über den Werkzeugrevolver positioniert werden. Darüber hinaus ist es denkbar, dass der Werkzeugrevolver zumindest eine Blende mit einer Öffnung für den Prüfkopf und/oder die Bilderfassungseinheit aufweist. Es ist des Weiteren denkbar, dass an dem Werkzeugrevolver zumindest eine erfindungsgemäße Lichtquelle anordbar ist. Der Werkzeugrevolver ermöglicht eine kompakte Bauform der Messvorrichtung, wobei durch eine Bewegung des Werkzeugrevolvers, insbesondere eine rotatorische Bewegung des Werkzeugrevolvers, ein Wechsel zwischen den Bauteilen, zumindest zwischen dem Prüfkopf und der Bilderfassungseinheit während eines Messvorgangs ermöglicht ist. Somit ergibt sich ein automatisierbares Prüfverfahren auf einem kompakten Bauraum, wodurch die Messvorrichtung einfacher in Produktionssysteme und/oder Produktionsprozesse integriert werden kann. Dementsprechend ist es denkbar, dass an zumindest einer Öffnung und/oder einer Blende des Werkzeugrevolvers ein Prüfkopf mit einer insbesondere Prüfspitze angeordnet ist und an einer weiteren Öffnung die Bilderfassungseinheit angeordnet ist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass an einer weiteren Blende eine erfindungsgemäße Lichtquelle anordbar ist, wobei über die Blende die Bilderfassungseinheit, der Prüfkopf und/oder die Lichtquelle freigebbar und/oder verschließbar ist.
Es ist erfindungsgemäß möglich, dass zumindest eine Steuereinheit zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Auswertung von Daten der Bilderfassungseinheit und der Antriebseinheit vorgesehen ist, insbesondere dass die Messvorrichtung zumindest eine Schnittstelle zur Übertragung von Daten der Bilderfassungseinheit und der Antriebseinheit an eine beabstandete Elektronikeinheit aufweist. Die erfindungsgemäße Steuereinheit dient zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Auswertung von Daten der Messvorrichtung, wobei insbesondere über die Steuereinheit Parameter für die Ermittlung der Werkstoffeigenschaften bzw. Werkstoffparameter einstellbar sind. Dementsprechend kann über die Steuereinheit zumindest die Eindringtiefe, die Eindringkraft und/oder die Anzahl der durchzuführenden mechanischen Eindrücke in die Werkstückprobe gesteuert und/oder geregelt werden. Darüber hinaus kann über die Steuereinheit Daten der Messung bspw. der Bilderfassungseinheit, der Antriebseinheit, insbesondere des Prüfkopfes, der Prüfspitze und/oder des Tiefen-/ und/oder Kraftmessers erzielt werden. Hierzu kann die Steuereinheit über einen Speicher zur Datenspeicherung verfügen. Ebenfalls kann die Steuereinheit über zumindest eine Recheneinheit (Mikroprozessor) verfügen, um die computerbasierte Simulation einer theoretischen Eindrucktopographie unter Verwendung eines Materialmodells berechnen zu können und ggf. mit der erzeugten Eindrucktopographie (aus dem Speicher) vergleichen oder diese aus einer Datenbank beziehen oder diese durch eine neuronales Netz abzubilden zu können.
Es ist des Weiteren denkbar, dass die Messvorrichtung zumindest eine (kabelgebundene oder drahtlose) Schnittstelle zur Übertragung von Daten der Bilderfassungseinheit und der Antriebseinheit an eine beabstandete Elektronikeinheit, insbesondere einen Computer, ein Tablet, ein Smartphone und/oder eine Smartwatch aufweist. Die Schnittstelle kann dabei als ein Stecker-, Kabel- und/oder Wireless-Übertragungsverfahren ausgebildet sein. Dementsprechend ist eine Schnittstelle an der Messvorrichtung, insbesondere an dem Prüfrahmen der Messvorrichtung, anordbar, sodass eine Übertragung, insbesondere das Empfangen und/oder Senden der Daten zwischen der Messvorrichtung und einer beabstandeten Elektronikeinheit durchführbar ist. Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass die Schnittstelle, insbesondere Datenschnittstelle als Bluetooth, NFC, Wireless_Lan und/oder GSM-Schnittstelle ausgebildet ist. Die Übertragung von Daten der Bilderfassungseinheit, der Antriebseinheit, des Prüfkopfes, insbesondere des Tiefenmessers, kann dabei bidirektional ausgebildet sein, sodass sowohl Daten empfangen als auch gesendet werden können. Die Datenübertragung kann auch verschlüsselt stattfinden, um Störungen und Manipulationen auszuschließen. Gemäß der zuvor erwähnten Optionen ist es denkbar, dass von einer beabstandeten Elektronikeinheit Daten, insbesondere Daten für definierte Prüfbedingungen, bspw. Prüfkraft und/oder Eindringtiefe übermittelt werden können. Darüber hinaus können Daten der Bilderfassungseinheit bspw. die Werkstückgeometrie und insbesondere der Eindruckgeometrie bzw. Eindrucktopographie an die beabstandeten Elektronikeinheit übermittelt werden, um diese dort mit der computerbasierten Simulation einer theoretischen Eindrucktopographie unter Verwendung eines Materialmodells berechnen zu können und ggf. mit der erzeugten Eindrucktopographie vergleichen zu können oder diese aus einer Datenbank beziehen oder diese durch eine neuronales Netz abzubilden zu können
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch beansprucht. Das erfindungsgemäße Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben worden sind. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:

a) optische Erfassung einer Werkstückgeometrie der Werkstückprobe,
b) Erzeugen eines insbesondere mechanischen Eindrucks durch Eindringen eines Prüfkopfes, insbesondere einer Prüfspitze in die Werkstückprobe mit definierten Prüfbedingungen,
c) optische und/oder taktile Erfassung einer Eindrucktopographie des erzeugten Eindrucks in der Werkstückprobe,
d) insbesondere computerbasierte Simulation einer theoretischen Eindrucktopographie des Eindrucks unter Verwendung eines Materialmodells, insbesondere eines Schädigungsmodells,
e) Vergleich der simulierten und der mechanisch erzeugten Eindrucktopographie,
f) Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe in Abhängigkeit der Schritte a) bis e).

Dabei können zumindest die Schritte a) bis c) automatisch ablaufen, vorzugsweise laufen alle Schritte a) bis f) automatisch ab, wodurch sich persönliche Bedienfehler vermeiden lassen. Insbesondere können die Verfahrensschritte zumindest tlw. (oder auch vollständig) gleichzeitig oder hintereinander ablaufen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei im Wesentlichen drei in seinen Eigenschaften unterschiedlich ausgeprägte Eindrücke (I. bis III.) aufweisen. Hierbei handelt es sich zumindest um einen mechanisch erzeugten Eindruck (I.) gemäß dem Verfahrensschritt b), welcher durch ein Eindringen eines Prüfkopfes, insbesondere einer Prüfspitze, in die Werkstückprobe mit definierten Prüfbedingungen erzeugt werden kann. Des Weiteren kann ein Eindruck (II.) dadurch definiert werden, dass der mechanisch erzeugte Eindruck optisch und/oder taktil erfasst, insbesondere durch eine Bilderfassungseinheit erfasst werden kann. Hierbei wird durch die optische und/oder taktile Erfassung eine Eindrucktopographie des mechanisch erzeugten Eindrucks in der Werkstückprobe durchgeführt. Ein weiterer dritter Eindruck (III.) ist ein simulierter Eindruck gemäß Verfahrensschritt d), wobei eine insbesondere computerbasierte Simulation einer theoretischen Eindrucktopographie des mechanisch erzeugbaren Eindrucks in der Werkstückprobe durchführbar ist. Dabei kann die simulierte theoretische Eindrucktopographie unter Verwendung eines (theoretischen) Materialmodells, insbesondere eines Schädigungsmodells durchgeführt werden, wobei das Schädigungsmodell insbesondere auf Basis der definierten Prüfbedingungsdaten und unter Verwendung eines Algorithmus und/oder einer Heuristik ermittelt werden kann. Das Materialmodell kann dabei elastoplastisch, elastoviskoplastisch oder plastisch basiert sein. Im Schritt e) wird dementsprechend der simulierte, insbesondere computerbasierte und somit theoretische Eindruck bzw. die Eindrucktopographie und der mechanisch durchgeführte und von einer insbesondere Bilderfassungseinheit durch optisch und/oder taktile Erfassung ermittelten Eindrucktopographie verglichen. Auf Basis der zumindest drei Eindruckmodelle, dem mechanisch erzeugten Eindruck durch den Prüfkopf, insbesondere die Prüfspitze, den optisch und/oder taktil erfassten und mechanisch erzeugten Eindruck und dem simulierten Eindruck, insbesondere der erzeugten und erfassten sowie simulierten Eindrucktopographie, kann in Schritt f) eine Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe durchgeführt werden. Bei der optischen und/oder taktilen Erfassung einer Eindrucktopographie des erzeugten Eindrucks in der Werkstückprobe wird vorzugsweise ein 3D-Höhenbild des mechanisch erzeugten Eindrucks in der Werkstückprobe ermittelt. Bei der computerbasierten Simulation einer theoretischen Eindrucktopographie wird ebenfalls ein 3D-Höhenbild des theoretischen Eindrucks simuliert. Daraufhin werden die beiden 3D-Höhenbilder miteinander verglichen, wodurch auf die mechanischen Eigenschaften, insbesondere Verfestigungsverhalten, Schädigungsparameter, Bruchdehnung, Zugfestigkeit, Duktilität, Verformungsvermögen, Zähigkeit, Fließbeginn, Dehngrenzen, Parameter die das Kriechverhalten beschreiben, Parameter die die Materialermüdung beschreiben o.ä. Parameter, geschlossen werden kann. Bei der Erzeugung des mechanischen Eindrucks und somit der Erzeugung einer Eindrucktopographie in der Werkstückprobe wird vorzugsweise mit vordefinierten Prüfbedingungen/Parameter bspw. eine Prüfkraft und/oder Prüftiefe ein Eindruck in der Werkstückprobe erzeugt.
Vorteilhafterweise kann in einem Schritt b.2) zumindest ein erneutes Eindringen des Prüfkopfes, insbesondere einer Prüfspitze in der Werkstückprobe durchgeführt werden. Vorzugsweise werden hierbei die gleichen vordefinierten Prüfbedingungen, insbesondere Prüfkraft und/oder Eindringtiefe verwendet. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Position bzw. der Ort des mechanischen Eindrucks in der Werkstückprobe bestimmbar bzw. auswählbar ist. Vorzugsweise kann an zumindest zwei, vorzugsweise drei unterschiedlichen Positionen des Werkstücks die Messung durchgeführt werden, um die ermittelten, mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe (d. h. durch Mittelwertsbildung robuster und) genauer bestimmen zu können. Dementsprechend kann vollautomatisch und/oder durch einen Bediener die Position für ein erneutes Eindringen des Prüfkopfes, insbesondere der Prüfspitze in die Werkstückprobe bestimmt werden. Dabei ist es denkbar, dass ein erneutes Eindringen mehrfach an gleicher (Prüf-)Stelle und/oder voneinander unterschiedlichen Stellen/Positionen an der Werkstückprobe durchgeführt wird. Bei gleichbleibenden Prüfbedingungen, insbesondere Eindringtiefe und/oder Prüfkraft, können somit Veränderungen bei einem erneuten Eindringen des Prüfkopfes, insbesondere der Prüfspitze in die Werkstückprobe, ermittelt werden. Hierdurch können Unregelmäßigkeiten in dem Material sowie evtl. auftretende Verschiebungen des Prüfkopfes, insbesondere einer Prüfspitze, bei der Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe berücksichtigt werden. Somit können homogenere Messergebnisse erzielt werden, wodurch ein besonders „robustes“ Messverfahren erzielbar ist. Auch ist es denkbar, dass an unterschiedlichen Positionen an der Werkstückprobe unterschiedliche Materialeigenschaften vorliegen, sodass ein mehrfaches Eindringen des Prüfkopfes, insbesondere der Prüfspitze an unterschiedlichen Positionen der Werkstückprobe das Ergebnis der Ermittlung der mechanischen Eigenschaften verbessern kann. Insbesondere wird bei dem Messverfahren ein Materialaufwurf und die Eindruckgeometrie zu einer Eindrucktopographie zusammengefasst. Der somit experimentell gemessene Eindruck in die Werkstückprobe und das Simulationsmodell können zur Quantifizierung der Höhendifferenz des Materialaufwurfs und somit der Eindrucktopographie eingesetzt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann eine auf dem Prüfkopf wirkende Kraft und/oder eine Verschiebung des Prüfkopfes während des Eindringens und/oder des Herausfahrens ermittelt werden, wodurch insbesondere ein Lasteindringverlauf ermittelbar ist. Der Lasteindringverlauf kann dabei zur Ermittlung einer Lasteindringkurve während der mechanischen Erzeugung eines Eindrucks in der Werkstückprobe eingesetzt werden. Der Lasteindringverlauf bzw. die Lasteindringkurve gibt weitere Aufschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe, wobei ein gemessener Lasteindringverlauf bzw. eine gemessene Lasteindringkurve mit einem simulierten Lasteindringverlauf bzw. einer simulierten Lasteindringkurve verglichen werden kann.
Vorteilhafterweise kann zusätzlich in Abhängigkeit des Lasteindringverlaufs und einer Prüfspitzengeometrie die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe durchgeführt werden. Die Prüfspitzengeometrie ist dabei vorzugsweise rotationssymmetrisch und/oder mit einem konischen, sphärischen und/oder sphärokonischen und/oder kugelförmigen Verlauf ausgebildet. In Abhängigkeit des Lasteindringverlaufs, insbesondere während des Eindringens und/oder des Herausfahrens des Prüfkopfes bzw. der Prüfspitze und einer Prüfspitzengeometrie kann eine insbesondere Mittelung der ermittelten Messdaten vorgenommen werden, sodass die Qualität der Prüfung verbessert wird. Es ist des Weiteren denkbar, dass das E-Modul des Werkstückstoffs der Werkstückprobe bei der Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe und/oder bei der computerbasierten Simulation einer theoretischen Eindrucktopographie berücksichtigt wird. Damit kann eine Verbesserung bzw. Genauigkeit der Messergebnisse unter Verwendung zusätzlicher Parameter in Form des E-Moduls verbessert werden, sodass dem Algorithmus oder der Heuristik bei der Ermittlung der mechanischen Eigenschaften zumindest eine weitere Konstante bei der Berechnung zur Verfügung steht.
Vorteilhaft kann die Prüflast zwischen ungefähr 10 g und ungefähr 3.000 kg, bevorzugt zwischen ungefähr 1.000 g und ungefähr 1.000 kg, besonders bevorzugt zwischen ungefähr zwischen 10 kg und ungefähr 500 kg betragen. Weiterhin vorteilhaft kann die Eindrucktiefe zwischen ungefähr 1 µm und ungefähr 1.000 µm, vorzugsweise zwischen ungefähr 10 µm und ungefähr 500 µm, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 50 µm und ungefähr 250 µm betragen.
Im Rahmen der Erfindung können die Messdaten und/oder die mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe in einer Datenbank gespeichert werden. Die Datenbank dient zur Nutzung weiterer Werkstoffprüfungen und kann dabei als Vergleich der bereits ermittelten Werkstoffparameter unter definierten Prüfbedingungen/Parameter herangezogen werden. Darüber hinaus können - unter Nutzung der Datenbank - Messergebnisse interpoliert werden, sodass eine verbesserte Messgenauigkeit erzielbar ist. Die somit ermittelten Messdaten, welche in einer Datenbank gespeichert werden, können zur Analyse und Optimierung vorhandener Produkte und Prozesse genutzt werden. Kleinste Abweichungen vom Qualitätsstandard können somit früh in einem Produktionssystem bzw. in Produktionsprozessen erkannt und somit schneller bei der Fertigung reagiert werden. Somit kann eine gleichbleibende Qualität der Prüfung zur Ermittlung der Werkstoffeigenschaften bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt für eine Messvorrichtung zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe beansprucht. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt für eine erfindungsgemäße Messvorrichtung gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch ausgebildet. Das Computerprogrammprodukt weist dabei einen Algorithmus und/oder eine Heuristik auf, welche von einer Elektronikeinheit und/oder einer Steuereinheit abgearbeitet wird, wobei der Algorithmus und/oder die Heuristik ein erfindungsgemäßes Verfahren, gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch implementiert. Dementsprechend ergeben sich für das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsform beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigen:

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Prüfkopf sowie einen hiermit erzeugbaren mechanischen Eindruck in einer Werkstückprobe und
5 zeigt einen mechanisch erzeugten Eindruck in einer Werkstückprobe.

In der 1 ist eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe 100 in einer ersten Ausführungsform gezeigt. Dabei ist die Werkstückprobe 100 in einer Werkstückaufnahme 11 der Messvorrichtung 10 zur Prüfung angeordnet. Darüber hinaus weist die Messvorrichtung 10 eine Bilderfassungseinheit 12 zur optischen Ermittlung einer Werkstückgeometrie der Werkstückprobe 100 auf. Die Bilderfassungseinheit 12 ist hierbei im Bereich des mechanischen Prüfkopfs 13 in bzw. an einem Prüfrahmen 15 angeordnet. Dabei kann die Bilderfassungseinheit 12 derart beabstandet bzw. benachbart zu dem Prüfkopf 13 angeordnet sein, sodass eine optische Erfassung der Werkstückprobe 100 ermöglicht ist. Es ist des Weiteren denkbar, dass die Bilderfassungseinheit 12 und/oder der mechanische Prüfkopf 13 translatorisch und/oder rotatorisch an den Prüfrahmen 15 beweglich angeordnet sind. Dementsprechend kann der mechanische Prüfkopf 13 und/oder die Bilderfassungseinheit 12 derart zueinander positioniert oder an dem Prüfrahmen 15 positioniert werden, dass ein Erzeugen eines Eindrucks 101 in der Werkstückprobe 100 und im Anschluss daran und/oder vor der Erzeugung eines Eindrucks 101 in der Werkstückprobe 100 die Bilderfassungseinheit 12 derart positioniert ist, dass die Werkstückgeometrie und/oder die Topografie des erzeugten Eindrucks 101 optisch erfassbar ist. An dem Prüfrahmen 15 der Messvorrichtung 10 ist darüber hinaus eine Antriebseinheit 14 angeordnet, wodurch zumindest tlw. eine Positionierung der Werkstückaufnahme 11, der Bilderfassungseinheit 12 und/oder dem Prüfkopf 13 zueinander durchführbar ist. Der Prüfkopf 13 sowie die Bilderfassungseinheit 12 sind an einem Werkzeugrevolver 17 angeordnet, sodass mittels der Antriebseinheit 14 der Prüfkopf 13 und/oder die Bilderfassungseinheit 12 vorzugsweise rotatorisch an dem Werkzeugrevolver 17 angeordnet sind. Dementsprechend kann über eine rotatorische Bewegung der Prüfkopf 13 und/oder die Bilderfassungseinheit 12 derart über der Werkstückprobe 100 positioniert werden, sodass entweder ein mechanischer Eindruck 101 vom Prüfkopf 13, insbesondere von der Prüfspitze 13.1, durchführbar ist oder die Geometrie und/oder Topografie der Werkstückprobe 100 bzw. des Eindrucks 101 erfassbar ist. Die Prüfspitze 13.1 ist an dem Prüfkopf 13 angeordnet und weist eine Prüfspitzengeometrie 13.2 auf, wobei die Prüfspitzengeometrie 13.2 vorzugsweise ein sphärokonischen Verlauf aufweist, welcher insbesondere einen rotatationssymmetrischen Eindruck 101 in der Werkstückprobe 100 erzeugt. In der 1 weist der Prüfrahmen 15 darüber hinaus einen Prüftisch 16 auf, welcher horizontal und/oder vertikal beweglich, insbesondere durch die Antriebseinheit 14 positioniert werden kann. Dementsprechend kann die Antriebseinheit 14 den Werkzeugrevolver 17, insbesondere den Prüfkopf 13 mit der Prüfspitze 13.1 in Richtung Prüftisch 16 mit der in einer Werkstückaufnahme 11 angeordneten Werkstückprobe 100 bewegen und/oder der Prüftisch 16 wird über die Antriebseinheit 14 in Richtung Werkzeugrevolver 17 bewegt, sodass ein mechanischer Eindruck 101 in der Werkstückprobe 100 durch den Prüfkopf 13, insbesondere die Prüfspitze 13.1, durchführbar ist. Weiterhin weist die Messvorrichtung 10 eine Steuereinheit 18 auf, welche an dem Prüfrahmen 15 angeordnet ist, wobei über die Steuereinheit 18 eine Steuerung und/oder Regelung und/oder Auswertung von Daten der Bilderfassungseinheit 12 und der Antriebseinheit 14 durchführbar ist.
Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10. Die Messvorrichtung 10 weist dabei einen im Wesentlichen liegenden U-förmigen Prüfrahmen 15 auf. An dem Prüfrahmen 15 ist eine Steuereinheit 18 zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Auswertung von Daten der Bilderfassungseinheit 12 und der Antriebseinheit 14 angeordnet. Darüber hinaus weist die Messvorrichtung 10 in der 2 einen Werkzeugrevolver 17 mit daran angeordneter Bilderfassungseinheit 12 und Lichtquelle 12.1 auf. Darüber hinaus weist der Werkzeugrevolver 17, welcher vorzugsweise rotatorisch bewegbar, insbesondere über die Antriebseinheit 14 antreibbar ist, einen Prüfkopf 13 mit einer daran angeordneten Prüfspitze 13.1 auf. Die Prüfspitze 13.1 weist dabei eine kegelförmige Prüfspitzengeometrie 13.2 auf, womit ein insbesondere rotationssymmetrischer Eindruck 101 in der Werkstückprobe 100 erzeugbar ist. Die Werkstückprobe 100 ist dafür in einer Werkstückaufnahme 11 an einem Prüftisch 16 fest angeordnet, wobei der Prüftisch 16 horizontal und/oder vertikal bewegbar an dem Prüfrahmen 15, insbesondere über die Antriebseinheit 14 antreibbar, angeordnet ist. In der 2 ist darüber hinaus eine Schnittstelle 19.1 an der Messvorrichtung 10 angeordnet, wodurch Daten der Bilderfassungseinheit 12 und der Antriebseinheit 14 an eine beabstandete Elektronikeinheit 19 übertragen werden können. Bei der beabstandeten Elektronikeinheit 19 handelt es sich in 2 um einen Computer, welcher bspw. über eine Bluetooth-, WLAN- oder vergleichbare elektromagnetische Übertragungsschnittstellen (z. B. RS 232 oder USB) mit der Messvorrichtung 10 verbunden ist.
Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10. Die Messvorrichtung 10 weist dabei einen Prüfrahmen 15 auf. An dem Prüfrahmen 15 sind eine Steuereinheit 18, ein Werkzeugrevolver 17 sowie eine Antriebseinheit 14 angeordnet. Über die Antriebseinheit 14 kann der Prüftisch 16 und/oder der Werkzeugrevolver 17 und/oder die Bilderfassungseinheit 12 translatorisch und/oder rotatorisch, insbesondere horizontal und/oder vertikal bewegt werden. Die Bilderfassungseinheit 12 ist in 3 an einer Außenseite des Prüfrahmens 15 bewegbar angeordnet, wobei die Bilderfassungseinheit 12 derart an dem Prüfrahmen 15 bewegbar ist, dass die Bilderfassungseinheit 12 insbesondere und/oder vertikal zum Prüftisch 16 und/oder zum Werkzeugrevolver 17 bewegbar ist. Dafür kann bspw. die Bilderfassungseinheit 12 über eine Schiene und/oder einen beweglichen Arm an dem Prüfrahmen 15 angeordnet sein, sodass eine insbesondere geführte Bewegung entlang der Schiene und/oder entlang eines beweglichen Arms durchführbar ist. Die Bilderfassungseinheit 12 kann zur optischen Erfassung der Werkstückgeometrie und/oder der Eindrucktopografie 103 mittels der Lichtquelle 12.1 beleuchtet werden, wobei die Lichtquelle 12.1 bspw. ein optischer Sensor, ein Infrarotsensor, eine LED und/oder eine OLED sein kann. Der Werkzeugrevolver 17 weist einen Prüfkopf 13 mit einer Prüfspitze 13.1 auf, wobei die Prüfspitze 13.1 kugelförmig ausgebildet ist und einen mechanischen Eindruck 101 in der Werkstückprobe 100 erzeugen kann. Die Werkstückprobe 100 ist dabei an einer Werkstückaufnahme 11 an einem beweglich ausgebildeten Prüftisch 16 angeordnet. Der Prüftisch 16 kann dabei translatorisch, insbesondere horizontal und/oder vertikal als auch rotatorisch ausgebildet sein und über die Antriebseinheit 14 angetrieben werden. Dementsprechend kann die Antriebseinheit 14 dem Prüftisch 16 mit einem daran angeordneten Werkstückaufnahme 11 und der darin aufgenommenen Werkstückprobe 100 in Richtung Werkzeugrevolver 17 und somit zum Prüfkopf 13 und einer daran angeordneten Prüfspitze 13.1 mit einer Prüfspitzengeometrie 13.2 ermöglichen.
In der 4 ist ein erfindungsgemäßer Prüfkopf 13 mit einer sphärokonischen Prüfspitzengeometrie 13.2 der Prüfspitze 13.1 gezeigt. Darüber hinaus zeigt 4 eine Werkstückprobe 100 mit einem Eindruck 101, welcher durch die Prüfspitze 13.1 mit der Prüfspitzengeometrie 13.2 erzeugt wurde. Der Eindruck 101 weist hierbei eine Eindrucktopografie 103 auf, welche durch die Prüfspitze 13.1 mit der Prüfspitzengeometrie 13.2 erzeugt wurde. Die Eindrucktopografie 103 weist hierfür eine Eindrucktiefe 102 und einen Aufwurf umfangsseitig des Eindrucks 101 auf. Die charakteristische Eindrucktopografie 103, insbesondere ein Materialaufwurf der Eindrucktopografie 103, dient erfindungsgemäß zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe 100.
In der 5 ist ein Eindruck 101 in einer Werkstückprobe 100 vergrößert gezeigt. Hierbei weist der Eindruck 101 eine Eindrucktiefe 102 und entsprechende Eindrucktopografie 103 auf. Die Eindrucktopografie 103 ergibt sich zum einen durch die Eindrucktiefe 102 bzw. dem von der Prüfspitze ausgeprägten Eindruck 101 sowie einen umfangsseitig an dem Eindruck 101 ausgebildeten Materialaufwurf. Die Eindrucktopografie 103 des Eindrucks 101 dient zur Materialparameterbestimmung der Werkstückprobe 100. Zur Ermittlung der Materialparameter dient erfindungsgemäß zum einen die Eindrucktiefe 102 sowie die Aufwurfhöhe des Materials der Werkstückprobe 100.
Bezugszeichenliste

10: Messvorrichtung
11: Werkstückaufnahme
12: Bilderfassungseinheit
12.1: Lichtquelle
13: Prüfkopf
13.1: Prüfspitze
13.2: Prüfspitzengeometrie
14: Antriebseinheit
15: Prüfrahmen
16: Prüftisch
17: Werkzeugrevolver
18: Steuereinheit
19: Elektronikeinheit
19.1: Schnittstelle zu 19
100: Werkstückprobe
101: Eindruck
102: Eindrucktiefe
103: Eindrucktopographie

Claims

Messvorrichtung (10) zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe (100), welches in einer Werkstückaufnahme (11) der Messvorrichtung (10) zur Prüfung fixierbar ist, aufweisend zumindest eine Bilderfassungseinheit (12) zur optischen Ermittlung einer Werkstückgeometrie der Werkstückprobe (100), und zumindest einen mechanischen Prüfkopf (13) zur Erzeugung eines Eindrucks (101) in der Werkstückprobe (100), und zumindest eine Antriebseinheit (14) zur zumindest teilweisen Positionierung der Werkstückaufnahme (11), der Bilderfassungseinheit (12) und/oder dem Prüfkopf (13) zueinander.
Messvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch oder nach dem Oberbegriff des vorhergehenden Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Bilderfassungseinheit (12), der Prüfkopf (13), die Antriebseinheit (14) und die Werkstückaufnahme (11) an einem Prüfrahmen (15) angeordnet sind, wobei insbesondere ein beweglicher Prüftisch (16) vorgesehen ist, an dem die Werkstückaufnahme (11) anordbar ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (13) eine Prüfspitze (13.1) aufweist, wobei die Prüfspitze (13.1) zumindest ein Mineral oder Hartmetall aufweist, insbesondere dass die Prüfspitze (13.1) eine definierte Prüfspitzengeometrie (13.2) aufweist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefenmesser für den Prüfkopf (13) vorgesehen ist, wodurch zumindest eine Eindrucktiefe (102) des Prüfkopfes (13) in der Werkstückprobe (100) messbar ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle (12.1) vorgesehen ist, wobei insbesondere die Lichtquelle (12.1) in der Bilderfassungseinheit (12) integriert ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein beweglicher Werkzeugrevolver (17) vorgesehen ist, an dem zumindest der Prüfkopf (13) und/oder die Bilderfassungseinheit (12) anordbar sind.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Steuereinheit (18) zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Auswertung von Daten der Bilderfassungseinheit (12) und der Antriebseinheit (14) vorgesehen ist, insbesondere dass die Messvorrichtung (10) zumindest eine Schnittstelle (19.1) zur Übertragung von Daten der Bilderfassungseinheit (12) und der Antriebseinheit (14) an eine beabstandete Elektronikeinheit (19) aufweist.
Verfahren zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe (100) aufweisend die zumindest folgenden Schritte: a) Optische Erfassung einer Werkstückgeometrie der Werkstückprobe (100), b) Erzeugen eines Eindrucks (101) durch Eindringen eines Prüfkopfes (13), insbesondere einer Prüfspitze (13.1) in die Werkstückprobe (100) mit definierten Prüfbedingungen, c) Optische und/oder taktile Erfassung einer Eindrucktopographie (103) des erzeugten Eindrucks (101) in der Werkstückprobe (100), d) Insbesondere computerbasierte Simulation einer theoretischen Eindrucktopographie (103) unter Verwendung eines Materialmodells, insbesondere eines Schädigungsmodells, e) Vergleich der simulierten und der erzeugten Eindrucktopographie (103), f) Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe (100) in Abhängigkeit der Schritte a) bis e).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt b.2) zumindest ein erneutes Eindringen des Prüfkopfes (13), insbesondere einer Prüfspitze (13.1) in die Werkstückprobe (100) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den Prüfkopf (13) wirkende Kraft und/oder eine Verschiebung des Prüfkopfes (13) während des Eindringens und/oder des Herausfahrens ermittelt wird, wodurch insbesondere ein Lasteindringverlauf ermittelbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich in Abhängigkeit des Lasteindringverlaufs und einer Prüfspitzengeometrie (13.2) die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe (100) durchführbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüflast zwischen ungefähr 10g und ungefähr 3.000kg, bevorzugt zwischen ungefähr 1.000g und ungefähr 1000kg, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 10kg und ungefähr 500kg beträgt und/oder dass die Eindrucktiefe (102) zwischen ungefähr 1 µm und ungefähr 3.000 µm, vorzugsweise zwischen 10 µm und 500 µm, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 50 µm und ungefähr 250 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten und die mechanischen Eigenschaften der Werkstückprobe (100) in einer Datenbank gespeichert werden.
Computerprogrammprodukt für eine Messvorrichtung (10) zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften einer Werkstückprobe (100), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm einen Algorithmus und/oder eine Heuristik aufweist, der von einer Elektronikeinheit (19) abgearbeitet wird, wobei der Algorithmus und/oder die Heuristik das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13 implementiert.