Bildanalyse für Härteprüfung

Für die Untersuchung von Bauteileigenschaften kommt der Härteprüfung eine grundlegende Bedeutung zu. Die unterschiedlichsten Verfahren und Techniken stehen für diese Aufgabe zur Verfügung. Während einige Härteprüfprogramme wie die Rockwell-Prüfung schnell zu Ergebnissen führen, die auf der Eindringtiefe basieren, machen andere häufig verwendete Prüfprogramme wie Vickers, Knoop und Brinell einen nachgeschalteten Prozess erforderlich, indem die Größe des Eindrucks bestimmt wird. Diese sekundären Prozesse können zeitaufwändig, ineffizient und fehlerträchtig sein. Ein Mittel zur Verbesserung der Produktivität bei Bewahrung der Konsistenz des Prozesses ist die Verwendung der Bildauswertung für die automatische Eindruck- bzw. Abdruckerfassung. Gravierende Verbesserungen während der vergangenen Jahre in Hardware, Elektronik, Darstellungsalgorithmen und Softwaremöglichkeiten öffnen die Türen für äußerst präzise und zuverlässige Prüfverfahren, die Ergebnisse schneller als jemals zuvor liefern. Diese Techniken versprechen ein großes Potential zur Steigerung der Effizienz, Geschwindigkeit und Genauigkeit auf ein vorher unbekanntes Maß.

Automatisches Härteprüfung

Zwei der meistverwendeten Härteprüfungen sind das Knoop- und das Vickers-Verfahren, die als Mikro- und Makroprüfung zur Bestimmung der Werkstoffhärte dienen. Ein mit definierter Prüfkraft belasteter Diamant als Eindringkörper hinterlässt einen entsprechenden Eindruck in Diamantform, dessen Größe anschließend gemessen wird. Bei diesem Verfahren wird eine relativ kleine Prüfkraft aufgebracht, so dass der entstandene Eindruck im µm-Bereich zu messen ist. Konventionelle Verfahren, die heute noch weit verbreitet sind, setzen Mikroskope mit integrierten Objektiven mit unterschiedlicher Auflösung ein und verlassen sich zur Messung auf eine manuelle, der menschlichen Interpretation ausgesetzten Bestimmung durch das Okular. Es überrascht nicht, dass diese zeitaufwändige, ineffiziente Verfahren in einer immer schnelllebigeren Welt zunehmend auf Ablehnung stößt. Ein Techniker führt an einem Tag üblicherweise mehrere hundert Prüfungen und Messungen durch, bei zunehmender Menge und aufkommender Müdigkeit wird die Fehlerrate ansteigen. Dazu kommt zum einen die Anforderung zur Herstellung einer vollständigen Auswertung eines Härteprüfgangs, der oftmals aus bis zu 15 Eindrücken, teilweise mehrfach auf einer einzelnen Probe, bestehen kann, zum anderen der Wunsch nach einer verbesserten, automatisierten Technik.

Wie bereits während der letzten Jahre und weiter verstärkt in der Zukunft werden diese manuellen Testverfahren den Weg frei machen für Automatisierungen in allen Bereichen der Prüfprozesse. Für die Materialpräparation, die verfahrbaren Kreuztische, die Ergebnisdeutung und -auswertung und auch die Berichtserstellung werden neue Technologien entwickelt. Eine dieser Technologien, die in vielen Labors auf der ganzen Welt Verwendung findet, ist die Kreuztischverfahrautomatik und die Bildauswertung von Knoop-, Vickers- und Brinell-Eindrücken.

Eine Härteprüfmaschine besteht normalerweise aus einer vollautomatischen Prüfeinheit einschließlich einem automatisiert drehenden Revolver. Die Verstellung in Z-Achsrichtung geschieht entweder mit der Kopf-/Eindringkörpereinheit oder mit einem Spindelantrieb, der sowohl den Eindringvorgang mit vorbestimmter Kraft ausführt als auch das Scharfstellen der Probe übernimmt. Durch Hinzufügen eines Desktopcomputers oder Laptops mit passender Härteprüfsoftware, eines motorisierten, automatisch in X- und Y-Achsenrichtung verfahrbaren Kreuztischs sowie einer Videokamera mit USB-Schnittstelle erhält man eine leistungsfähige, voll automatisierte Härteprüfmaschine. Nach dem ersten Einrichten mit Prüflosen und einem gespeicherten Programm kann die Maschine sich selbst überlassen werden und erstellt, misst und berichtet eine fast unbegrenzte Anzahl an Prüfläufen für Eindrücke.

Diese neue Technologie macht einen Großteil der bisher notwendigen Mechanik überflüssig, die allein durch ihren Platzbedarf eine betriebliche Herausforderung darstellte. Zum Beispiel wird der Kreuztisch über einen virtuellen Joystick verfahren, und bei einigen Geräten sind die Steuerungen für den Kreuztisch in das Gehäuse integriert. Fortschritte bei den Algorithmen und der mechanischen Konstruktion der verfahrbaren Kreuztische verbesserten die XY-Genauigkeit und die Wiederholbarkeit auf nie dagewesene Werte, sodass überragend genaue Verfahranforderungen erfüllt werden, wie sie bei der Eindringtiefenauswertung erforderlich sind.

Bildanalyse

Die Bildauswertung ist kein neues Verfahren, aber diese Technologie entwickelt sich rasant und führt zu dramatischen Verbesserungen des Prozesses. So hat sich zum Beispiel die Kameratechnologie vom einfachen Frame-Grabber über IEEE-Firewire bis hin zu USB weiterentwickelt. Dabei ist nicht nur zusätzliche Hardware entfallen, mit den neuen Technologien stehen jetzt auch neue Möglichkeiten bei Auflösung und Sichtfeld zur Verfügung. Diese Fähigkeiten der aktuellen und kommenden Kameragenerationen haben in Verbindung mit der Rechenleistung moderner PCs und der Softwarefunktionen zu erheblichen Verbesserungen bei Genauigkeit, Wiederholbarkeit, und Zuverlässigkeit der automatischen Eindruckmessung geführt. Alle Digitalkameras haben eine Pixelmatrix. Jedes dieser Pixel kann die Zustände Ein oder Aus einnehmen. Wenn ein Schwarzweißbild auf das Pixelarray projiziert wird, sind die Pixel in den dunklen Bereich Aus und in den hellen Bereichen Ein. Durch Zählen der Pixel mit Aus-Status lässt sich die Größe des dunklen Bereichs im Bild bestimmen, und damit auch der Bildfläche. Die Größe eines Eindrucks wird dann in Beziehung zu Eindringkörper und aufgebrachter Kraft gesetzt, um den Härtewert zu bestimmen.

Automatisches Verfahren

Eine weitere Möglichkeit zur Produktivitätssteigerung besteht im Einsatz größerer XY-Kreuztische, die zwei, vier oder sogar sechs Prüflose gleichzeitig aufnehmen können und sich mit den verschiedensten Spannzeugen ausrüsten lassen. Vorprogrammierte und gespeicherte Prüfläufe werden geöffnet, die Proben in den Aufnahmen ausgerichtet, und schon können mit einem einfachen Mausklick Eindruck, Messung und Berichtserstellung für eine Vielzahl von Prüfläufen über jede Probe gestartet werden. Der Autofokus sorgt für eine gleichbleibende Klarheit des Eindrucks, die sonst durch Unterschiede in der Z-Position problematisch sein kann. Modernere Software ermöglicht sogar verschiedene Skalen, Kräfte und Mikroskopobjektive innerhalb eines Prüflaufs oder in verschiedenen Prüfläufen.

Automatisierte Prüfungen entfalten ihre Vorteile auch zunehmend bei der Rockwell-Härteprüfung, insbesondere bei repetitiven Mustern wie bei der Jominy-Prüfung, wo nach einem Mausklick eine Reihe von Stäben ohne weiteren Bedienereingriff geprüft werden kann.

Sonstige Anwendungen

Wie bei Knoop- und Vickers-Prüfungen handelt es sich auch bei der Brinell-Prüfung um einen inhärent arbeitsintensiven, manuellen Prozess, da zumindest bei herkömmlichen Versuchen kontinuierliche Bedienereingriffe und weitere Verarbeitungsschritte erforderlich sind. Da die konventionelle Brinell-Prüfung mit einer einfachen, kontrollierten Prüfkraft arbeitet, die mit einer Wolframkarbid-Kugel mit spezifiziertem Durchmesser aufgebracht wird, muss der resultierende Abdruck optische vermessen werden (Durchmesser in mm), um die Materialhärte zu bestimmen. Üblicherweise wird dazu ein leistungsarmes, tragbares Mikroskop verwendet. Dieser Prozess ist sowohl arbeitsintensiv als auch subjektiv. Wie auch bei Knoop und Vickers treten aufgrund der repetitiven Messungen häufig ermüdungsbedingte Fehler auf, und auch der Prozess selbst kann ineffizient und zeitaufwändig sein. In Zeiten, in denen Prozesse eine 100%ige Inspektion erfordern und die Produktivität von schnellen Ergebnissen abhängt, kann es kaum überraschen, dass Möglichkeiten zur Beschleunigung des Prozesses und zum Ausschluss manuell entstehender Fehler hoch im Kurs stehen. Welche Methode sich am besten eignet, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie zum Beispiel Probengeometrie, Belastungs- und Entlastungsverfahren, Materialeigenschaften, anzuwendende ASTM-Normen, mechanische Haftung, und natürlich nicht zuletzt dem Budget.

Bei konventionellen Stand- oder Tischprüfmaschinen für die Brinell-Härte, die lediglich den Eindruck für die weitere Vermessung herstellen, lässt sich als Alternative zur manuellen Auswertung eine digitale Handkamera einsetzen, um den Durchmesser des Abdrucks automatisch per Bildauswertung genau und effizient zu messen. Damit wurde es relativ einfach, Brinell-Eindrücke über eine Kamera zu vermessen. Wenn einem System mit Handkamera wegen der erforderlichen manuellen Eingriffe noch die gewünschte Produktivität fehlt, ermöglicht ein vollautomatisches optisches Brinell-System neben der Konformität mit ASTM E-10 eine vollständige Automatisierung der optischen Prüfung.

Ein voll integriertes, automatisches System zur optischen Brinell-Prüfung kann den gesamten Brinell-Prüfprozess schnell und genau nach ASTM E10 durchführen. Das System fertigt den Eindruck und stellt auch das Bildauswertungssystem bereit, mit dem der Eindruck automatisch fokussiert, erkannt und aufgezeichnet wird, um Eindruckgröße und Härte zu messen. Verbindet man diese Funktionalität mit einer flexiblen, bedienerfreundlichen Software, erhält der Benutzer eine Vielfalt an Optionen zur Generierung von Prüfungen, Auswertung und Berichtserstellung. Der Bediener muss hier nur noch die Probe in das Prüfgerät einlegen und die Starttaste drücken. Die Erstellung des Eindrucks erfolgt ebenso automatisch wie das Drehen eines Revolversystems zum Einschwenken des Messobjektivs/Mikroskops in seine Position. Anschließend wird der automatische Fokussierungs- und Bildgebungsprozess initiiert, und innerhalb von 20 Sekunden liegen bereits die Ergebnisse vor.

Aus der Vergangenheit bekannte Probleme hinsichtlich Oberflächenbeschaffenheit, Beleuchtung, Voreinstellung der Kalibrierung und Pixelgrößen wurden weitgehend gelöst und werden kontinuierlich weiter verbessert. Das Ergebnis ist eine verbesserte Möglichkeit und Verlässlichkeit, „Routinearbeiten dem Gerät zu überlassen“, um den Durchsatz und die Konsistenz zu steigern, während der Bediener mehr Freiräume für andere Aufgaben erhält. Ein voll integriertes System schafft den arbeitsintensiven, subjektiven und fehleranfälligen Prozess ab und ersetzt ihn durch einen erheblich genaueren und produktiveren Prozess.

Lesen Sie dazu unsere Veröffentlichungen in der Publikation „Quality Magazine“, siehe folgender Link: