Optische 3D Messtechnik zur Materialkennwertermittlung und Deformationsanalyse in der Bauteilprüfung

Transkript

1 ZWICK testxpo 2015 Optische 3D Messtechnik zur Materialkennwertermittlung und Deformationsanalyse in der Bauteilprüfung Harald Friebe, André Grube

2 GOM GOM Hauptsitz in Braunschweig GOM 1990 gegründet Eigentümergeführtes Unternehmen Entwicklung, Produktion und Verwaltung in Braunschweig, Deutschland GOM Netzwerk GOM Gruppe mit 8 eigenen Niederlassungen Kontinuierlich auf über 350 Mitarbeiter in der GOM Gruppe gewachsen 36 Vertriebs- und Supportpartner mit über 55 Niederlassungen weltweit 700 Mitarbeiter im weltweiten Netzwerk 2

3 GOM Messsysteme ATOS Flächenhaftes 3D Scannen TRITOP Mobile Optische CMM ARAMIS/PONTOS Optical 3D Bewegungsund Verformungsanalyse ARGUS Optische Formänderungsanalyse

4 GOM Unser Know-how Projizierte Muster Regelmäßige Muster Stochastische Muster Punktmarken Digitale Bildverarbeitung 3D-Koordinatenmesstechnik Qualitätssicherung Materialkennwerte Automatisierung Präzise industrielle 3D-Messtechnik kundenorientiert entwickeln Etablieren neuer Ansätze in bestehenden Prozessen Prozesse weltweit bereitstellen und unterstützen 4

5 GOM Kunden (Auszug) Automobilhersteller Audi, Avtovaz, Bentley, BMW, Chrysler, Daihatsu Motor, Daimler, Fiat, Ford, GM, Honda, Hyundai, Isuzu, Jaguar, Kia, Land Rover, McLaren, Modenas, NAZA, Nissan, Opel, Porsche, PSA, Renault, Seat, Skoda, Subaru, Suzuki, Tata Motors, Toyota, VW, Volvo, Temsa, Automobilzulieferer Automotive Lighting, Batz, Bertrandt, Bosch, Bombardier, Bridgestone, Carcoustics, DAAZ, Dräxlmaier, Faurecia, Georg Fischer, Gienanth, Goodyear, Hella, Johnson Controls, Kautex Textron, Michelin, Nothelfer, Pininfarina, Siemens, Thule, ThyssenKrupp, ZF Sachs, Luftfahrt Airbus, Air Force Research Labs, Aselsan, Boeing, Cessna, Chrom Alloy, DLR, DNV, EADS, Eurocopter, FAA, FOI, Goodrich, Gorbynov Aviation, Hansen Transmissions, Hydro, IMPO, JAXA, Lockheed Martin, NASA, NLR, Northrop Grumman, ONERA, Vulcan Air, VZLÚ, Weltweit ca Systeminstallationen Turbinenhersteller ABB Turbo systems, Alstom, Aviadvigatel, BTL, Chromalloy, Elbar Sulzer, E.ON, Gorbynov Aviation, Honeywell, Howmet, IMA Dresden, MTU, Pratt & Whitney, Rolls Royce, Salut, Saturn, Siemens PG, Snecma, Solar Turbines, Triumph, Turbine Services, Konsumgüter Adidas, Asics, ASUS, Blaupunkt, Bosch, Braun, Ching Luh Shoes, Ecco, FisherPrice, Foxconn, Fuji, Gillette, Greenpoint, Hilti, Lego, LG Electronic Mattel, Microsoft, Motorola, Nautor, Nike, Nokia, Philips, Reebok, Samsung, SANYO, Siemens, Sony, Stihl, Villeroy+Boch, Walt Disney, Zulieferindustrie ACTech, Alfa Laval, Alcan (Alusuisse), Arcelor,, BASF, Bayer, Corning, DuPont, EXXON, Hydro (VAW), Pierburg Kolbenschmidt, Salzgitter, Shell, Tata Steel, Thyssen Krupp, Thyssen Nirosta, Tokai Rubber Industries, Voest Alpine Stahl, 5

6 ATOS 3D Digitalisierung

7 ATOS - 3D Koordinatenmesstechnik Vollflächige Bauteilvermessung Inspektion / Qualitätskontrolle Soll-Ist-Vergleich (CAD Vergleich) Reverse Engineering / Design Rapid Manufacturing Messdaten: Vollständige Oberflächenerfassung inkl. aller Details Vermessung in Spritzguss- und Kunststoff- Industrie Blech- und Umformindustrie Gießerei-Industrie Werkzeug- und Formenbau Hohe Genauigkeit: +/ mm (absolut)

8 ATOS - 3D Koordinatenmesstechnik Standard Lösung Sensor auf Stativ Manuelle Sensorbewegung Einfache Automatisierung Rotationstisch Lift für Sensor Automatisierte Lösungen Sondermesszellen mit Roboter Setup für Inline-Messzellen Automatisierte Standard Lösungen GOM Scan Box Familie incl. Roboter

9 Optisch und taktil in einem System GOM-Taster kombiniert flächenhafte und Einzelpunkt Messung Schneller Prozess, da alle Messungen mit einem System Alle Auswertungen (flächenhaft und taktil) direkt in der ATOS- Software

10 TRITOP - Mobile Optische Messmaschine Anwendungen Qualitätskontrolle an großen Bauteilen Überwachung von Halterungen, Lehren, Maschinen Bewegungsanalyse und Testaufgaben in Automobilbau und Luftfahrt Verzugsmessungen bei klimatischen Veränderungen Bestimmung von Referenzpunkten für ATOS und ARAMIS

11 ARGUS Formänderungsanalyse

12 Formänderungsanalyse an Blechteilen Für alle Messpunkte: 3D Koordinaten und Verschiebungen Oberflächendehnungstensor Hauptformänderung Nebenformänderung Dickenabnahme Dehnung x, y, xy Dehnungsrichtungen FLD - Grenzformänderungsdiagramm Ausgangs- Blech Wichtige Merkmale für FEM Vergleich Import von CAD und FEM Daten Ausrichtung (Transformation z.b. per Best- Fit zwischen CAD/FEM Daten und Messung Vergleich der Messung mit CAD-Oberfläche oder FEM-Daten Formabweichung Differenzen der Dehnungen, Verschiebungen,

13 Verifikation von Simulationen Import von FEM oder CAD Daten in ARGUS (ARAMIS)

14 Verifikation von Simulationen Import von FEM Daten in ARGUS (ARAMIS) Differenz Simulationsergebnis Messergebnis

15 ARAMIS Deformationsanalyse Materialkennwerte Fließkurve E-Modul N-Wert R-Wert FLC-Bestimmung Komponentenanalyse Verformungsverhalten FEA Vergleich Bewegungsanalyse

16 ARAMIS Sensoren ARAMIS Core ARAMIS 3D 6M ARAMIS 3D Camera 150/300 ARAMIS 3D Camera 600/1200 ARAMIS 3D 4M ARAMIS 3D HS ARAMIS 3D 12M 16

17 Messprinzip Flächenbasierte Auswertung Muster auf der Probenoberfläche Stochastisch oder regelmäßig Muster folgt der Deformation der Probe ARAMIS zeichnet online Bildpaare der Probe auf ARAMIS bestimmt 3D Koordinaten fest definierter Punkte für jedes Bildpaar Unverformter Lastzustand Verformter Lastzustand 17

18 Messergebnisse 3D Koordinaten und Verschiebungen Dehnungstensor Haupt- und Nebenformänderung Dehnung in X und Y, Scherung Dickenabnahme Dehnraten für alle Dehnungen Ergebnisdarstellungen 3D Visualisierung Schnitte in 2D Diagramm Grenzformänderungskurve (FLC) Statistikdaten, Exporte Weiterführende Auswertungen E-Modul, Fließkurven R- und N-Werte,... FEA Daten Vergleich 18

19 ARAMIS Materialprüfung Zugversuche Uniaxial, Biaxial, high-speed Überlagert mit Torsion Torsionsversuche Scherversuche Biege- und Drucktests 3-Punkt und 4-Punkt Biegung Schichtstauchversuch Tiefungsversuche Nakajima, Marciniak Bulgeversuch Lochaufweitung Ermüdungsversuche Pendelschlag 19

20 ARAMIS Zugversuch

21 ARAMIS Lokale Probeneffekte Fließfiguren z.b. bei Messing 21

22 ARAMIS Lokale Probeneffekte Lüdersbänder bei Stahl mit ausgeprägter Streckgrenze 22

23 ARAMIS Lokale Probeneffekte Einschnürung und Bruchdehnung bei Stahl 23

24 Materialkennwerte aus Zugversuch Automatische Materialkennwertbestimmung wie z.b.: Spannungs Dehnungskurve global und lokal E-Modul Querkontraktionszahl R Wert N Wert Serienauswertung mit Statistik Scherkennwerte Scherspannung-Scherdehnung Schermodul 24

25 ARAMIS Scherversuch Materialkennwerte

26 Herausforderungen im Scherversuch Probengeometrie Sehr kleine Scherzonengeometrie Scherzone z.b. 5x4x3 mm Höchste Umformgrade Hauptformänderung bis über 200 % Nebenformänderung bis über -70 % Scherwinkel bis über 70 y 5 5 Optimierung von: Messflächengröße / Ortauflösung Mustererzeugung Auswerteparametern IFUM Hannover x y x 26

27 Zugversuche mit Scherprobe 0 Messbilder Ausgangszustand Zustand bei Anriss (Stufe 396) 27

28 Zugversuch: Scherprobe 0 Scherwinkel Zustand unmittelbar bevor Anriss Anriss 28

29 Zugversuch: Scherprobe 0 Scherwinkel Zustand unmittelbar bevor Anriss 29

30 ARAMIS an Universalblechprüfmaschine Nakajima Test Bulgetest Lochaufweitung Diabolotest - FLC - Biax-Fließkurve - Kantenrissempfindlichkeit - Kantenrissempfindlichkeit

31 ARAMIS Nakajima Test - FLC Bestimmung Bestimmung von Grenzformänderungskurven (FLC) 31

32 ARAMIS Nakajima Test - FLC Bestimmung Bestimmung von Grenzformänderungskurven (FLC) Schnittbasierte Auswertung nach ISO Verschiede zeitbasierte Auswerteverfahren BMW-Methode, LFT-Methode ISO12004-Entwurf 32

33 ARAMIS Bulgetest zur Fließkurvenbestimmung Bulge test Fließkurve als Funktion von: Druck der Flüssigkeit Krümmungsradius* Aktuelle Dicke* Vergleichsformänderung* (*: mit ARAMIS bestimmt) Prinzip 33

34 ARAMIS Bulgetest zur Fließkurvenbestimmung ISO Fließkurve aus dem Bulgetest: Radius Bestimmung auf Basis von 3D Koordinaten Automatischer Kugelfit Dickenbestimmung basiert auf aktueller Dickenabnahme und Ausgangsdicke (Anfangszustand) Ergebnis: Fließkurve Kugelfit durch 3D Messfläche 34

35 Flow stress in MPa Bulgetest zur Bestimmung von Fließkurven Beispiel: Aluminium AA6016-T4 (Vergleich Fließkurve aus Zugversuch und Bulgetest) Fließspannung in MPa E-T4; 1.1 mm (ID295) Fließkurve aus Zugversuch Fließkurve aus Bulgetest (3fach länger) In y-richtung skalierte Biax-Fließkurve Fließkurve aus dem Zugversuch 295-B Equivalent strain Vergleichsformänderung

36 ARAMIS bei hohen Temperaturen FLC und Fließkurve für Pressgehärtet Stähle

37 ARAMIS Hot Gas Bulgetest Messtechnische Randbedingungen Rauchbildung Luftbewegungen Prüftemperaturen Prüfgeschwindigkeiten Bauraum 37

38 ARAMIS Hot Gas Bulgetest Untersuchung hochfester pressgehärteter Stahlwerkstoffe Konduktive Erwärmung bis 900 C Fließkurvenbestimmung = f(t, φ) Medium: Gas Temperaturen von 700 C 900 C Umformgeschwindigkeiten bis φ=0.7 Integriertes ARAMIS 3D 4M Messung mit ARAMIS 4M 3D (168Hz) System 38

39 ARAMIS Hot Gas Bulgetest Forschungsprojekt P 947 der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v. 39

40 ARAMIS Lochaufweitung Lochaufweitung nach ISO Lochdurchmesser: 10mm Stempel: konisch, φ=60 Abbruchkriterium: Visuelle Prüfung Auswertung: Taktile Bestimmung des Lochaufweitungsverhältnisses φ Lochaufweitung mit Nakajima Stempel Lochdurchmesser: 20mm Stempel: Nakajima Ø 100mm gemäß ISO Abbruchkriterium: Visuelle Prüfung gemäß ISO16630 Auswertung: Lochaufweitungsverhältnis, Dehnungsverteilung 40

41 ARAMIS Lochaufweitung Lochaufweitung mit Nakajima Stempel Farbliche Darstellung: Hauptformänderung 41

42 ARAMIS Lochaufweitung Zielstellung Stanzlochumfangdehnung bei ersten Anriss Dehnungsverteilung des Kreisschnittes Hauptformänderung [%] Strategie Koordinatensystemtransformation in den Lochmittelpunkt Definition von regelmäßigen Kreisschnitten um das Probenloch DIC Prinzip bedingter Punktabstand zum Probenrand Facettenpunkt Randbereich Unterstützung in ARAMIS Makro zur Teilautomatisierten Auswertung 42

43 ARAMIS Lochaufweitung Anriss 43

44 ARAMIS High Speed Anwendungen Materialkennwerte und Bauteiltests

45 High Speed Zugversuch Dehnung Test speed: 10 m/s Bildrate: Hz 45

46 Windschutzscheiben Aufprall Ausgangszustand 46

47 Windschutzscheiben Aufprall Endzustand 47

48 Windschutzscheiben Aufprall Aufbau und Sensor 48

49 Windschutzscheiben Aufprall Crack Initiation and Propagation Rissbeginn und Rissfortschritt 49

50 Deformation von Airbaggehäusen Optische Highspeed Messungen helfen dabei, den Öffnungsprozess von Airbag und Airbaggehäuse zu verstehen 3D Messungen zur Verifikation von Simulationen 50

51 Deformation von Airbaggehäusen Out of plane Verschiebung des Deckels vom Beifahrerairbag 51

52 ARAMIS Bauteil- und Komponentenprüfung Verifikation von FE- Simulationen und Materialdaten

53 FEM Verifikation Bilder und Ergebnisse mit freundlicher Genehmigung der NLR, Niederlande Simulation und Messung einer CFK Lochprobe CFK Bauteil unter Schub 53

54 54 ARAMIS Punktbasierte 3D Bewegungs- und Beschleunigungsanalyse

55 Messprinzip Punktbasierte Auswertung Optische 3D Verschiebungsund Beschleunigungsmessung Stereo Kamera Setup (unterschiedliche Kameras): 15Hz, 500Hz, 5kHz, 50kHz Markierung mit Punktemarkern Punktmarken Kodierte Punkte Klebepunkte Hohe Genauigkeit der Punktberechnung: bis zu 0.01 Pixel Automatische Berechnung der 3D Koordinaten Ergebnisse 3D Koordinaten 3D Verschiebung 3D Geschwindigkeit 3D Beschleunigung PONTOS Sensor beim Türzuschlag 55

56 Wind Tunnel Test Aerodynamische Studie einen Formel 1 Frontflügels Prüfstand mit bewegender Fahrbahn im Windkanal 56

57 Wind Tunnel Test Aerodynamische Studie einen Formel 1 Frontflügels Prüfstand mit bewegender Fahrbahn im Windkanal 3D Koordinaten, abgeleitet von den Punktmarken auf der Vorderabdeckung (grüne Punkte), werden zur Starrkörperbewegungskorrektur verwendet Die Berechnung des Frontflügels (blaue Punkte) wurde unter Berüchsichtigung der Z-Richtung (senkrecht zur Farhbahn) durchgeführt 57

58 Wind Tunnel Test Verbiegung des Frontflügels in Z-Richtung während der Beschleunigungsphase bis zur Höchstgeschwindigkeit 58

59 Wind Tunnel Test Verbiegung des Frontflügels in Z-Richtung bei verschiedenen Geschwindigkeiten 59

60 Analyse Wirbelsäule Rückenwirbel Bewegungsanalyse der Rückenwirbel 60

61 Wirbelsäule Rückenwirbelanalyse Bewegungsanalyse der Rückenwirbel Jeder Rückenwirbel wird durch eine Punktgruppe beschrieben (Bsp. gelbe Punkte) Punkte sitzen direct auf dem Wirbel auf eingeschraubten Bolzen angesetzten Adaptern 61

62 Wirbelsäule Rückenwirbelanalyse Bewegungsanalyse der Rückenwirbel Zur besserern optischen Zugänglichkeit wurden Pins in die Rückenwirbel appliziert, um die Punktmarken anzubringen Zusätzliche Punktmarken wurden auf den direkt zugänglichen Bereichen der Rückenwirbel angebracht Jeder Rückenwirbel wird durch eine Punktgruppe beschrieben (bsp. Gelbe Punkte) Ausrichtung der Punktkomponenten zu den CT Datensatz zur Visualisierung 3D Koordinatensystem Transformation 62

63 Wirbelsäule Rückenwirbelanalyse Bewegungsanalyse 3D Verschiebung, visualisiert auf dem aufgenommenen Kamerabild Punkt basierte Analyse Messpunkten Ersatzpunkte aus CAD Hier dargestellt: X- Verschiebung 63