Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ermittlung von lokalen mechanischen Eigenschaften eines Bauteils, bevorzugt eines länglichen Bauteils, aus inhomogenen Materialien.

Typische Beispiele für Bauteile mit ausgeprägten anisotropen und gleichzeitig inhomogenen Eigenschaften sind solche aus Recyclingkunststoffen,

Faserverbundwerkstoffen und insbesondere organischen, bevorzugt natürlich gewachsenen Werkstoffen, wie Holz und Bambusrohr. Die lokalen mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus solchen Werkstoffen variieren innerhalb des Bauteil stark. Unter den lokalen mechanischen Eigenschaften werden solche verstanden, die an verschiedene Orten des Bauteils unterschiedlich sind, insbesondere hinsichtlich ihres Betrags/Wertes.

Bei Recyclingkunststoffen hängen sie von den Ausgangswerkstoffen ab.

Vermischungsgrad, wechselseitige Verträglichkeit und Eigenschaften und

Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien haben eine komplexe Wechselwirkung auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes und damit auch auf das daraus hergestellte Bauteil. In der industriellen Weiterverarbeitung folgen aus der Inhomogenität der Eigenschaften hohe Sicherheitsbeiwerte für die Bauteilauslegung mit diesen Materialien. Anwendungen mit hohen Qualitätsanforderungen und entsprechendem Preis und Absatzpotential sind meist ausgeschlossen.

Die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen sind abhängig von der Faserverteilung, dem Benetzungsgrad, den Eigenschaften der Komponenten, der thermischen Prozessführung und vielen weiteren Faktoren. Der Einsatz als Leichtbauwerkstoff stellt besondere Anforderungen an die Methoden zur Auslegung und eine stabile Qualitätskontrolle. Die Qualitätsüberwachung der

Fertigungsprozesse von industriell hergestellten Faserverbundbauteilen ist in der Folge aufwändig und ein entscheidender Kostenfaktor. Bei organischen, bevorzugt natürlich gewachsenen Bauteilen bzw. Halbzeugen wie z.B. Bambusrohr ist die ausgeprägte Inhomogenität eine Folge des natürlichen Wachstumsprozesses.

Die Methode des klassischen Festigkeitsnachweises in der Bauteilauslegung ist für den Leichtbau mit inhomogenen Werkstoffen nur eingeschränkt geeignet. Die Erfindung soll die Qualitätssicherung in der Fertigung von Bauteilen und Halbzeugen verbessern, z.B. für Leichtbauanwendungen. Sie soll die sichere Vorhersage des Verformungsverhaltens und eine verlässliche Festigkeitsüberwachung ermöglichen.

Stand der Technik in der Fertigung von Bauteilen aus Recycling-Kunststoffen ist die Auslegung des gesamten Bauteils unter der Annahme von homogenen

mechanischen Eigenschaften. Die Bandbreite der mechanischen Eigenschaften des Materials in verschiedenen Bereichen des Bauteils variiert. Zur betriebssicheren Auslegung wird die untere Grenze der mechanischen Eigenschaften als Referenz und Berechnungsgrundlage verwendet.

Stand der Technik in der Fertigungskontrolle von Faserverbundbauteilen für

Leichtbauanwendungen ist die Überwachung des Fertigungsprozesses. Die

Homogenität der Matrix und die Faserausrichtung werden mit unterschiedlichen Technologien bestimmt. Durch prozessbegleitende bildgebende Verfahren wird beispielsweise die Ausrichtung und Anzahl der Fasern in den einzelnen Lagen eines schichtweisen Aufbaus der Verstärkungsfasern kontrolliert.

Die stabile Kontrolle der Vernetzung ist abhängig vom Matrixmaterial. Dabei werden Sensoren in die Infusionsanlagen und/oder die Werkzeuge integriert und Druck und Temperaturverläufe überwacht. An Bauteilproben werden mit verschiedenen bildgebenden Verfahren Eigenschaften der Laminatqualität wie Porengehalt, Faservolumengehalt, Faserausrichtung und Ondulation, Risse und andere Matrix- Inhomogenitäten mit den Vorgaben für das jeweilige Bauteil verglichen.

Die Vorhersage des Einflusses einzelner struktureller Abweichungen auf das resultierende Bauteilverhalten basiert auf hochkomplexer Modellbildung.

Zur Verbesserung der Modellqualität wird im Entwicklungsprozess vereinzelt das Verformungsverhalten von Prototypen und Musterbauteilen mit Messsystemen auf der Basis von Bildkorrelation bestimmt. Bei Holz oder Bambus als organischem Leichtbauwerkstoff oder direkt als Bauteil gibt es keine Überwachung des Fertigungsprozesses. Trotzdem ist das Vorgehen zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Holzwerkstoffen vergleichbar. Die Orientierung und Dichteverteilung der Faserstruktur werden mit Röntgensystemen oder Ultraschallverfahren bestimmt. Das Ergebnis dieser Untersuchung wird in eine theoretische Festigkeit umgerechnet. Weitere wichtige Einflussgrößen in dieser Auswertung sind die Feuchtigkeit und insbesondere die Holzart.

Die Methoden der Datenauswertung und die Grundlagen der Modellbildung zur Vorhersage des Verformungs- und Versagensverhaltens sind in einem

umfangreichen Normenwerk für den industriellen Einsatz von Holz standardisiert. Die Normen wurden auf der Grundlage von experimentellen Versuchen mit

verschiedenen Proben-Geometrien, Holzarten und unter unterschiedlichen äußeren Einflüssen ermittelt. Mit dem bisherigen Verfahren sind prinzipbedingt hohe

Sicherheitsbeiwerte verbunden, die sich zum Beispiel aus dem im Vergleich zur Probe größeren Bauteilvolumen ergeben. Folge der Sicherheitsbeiwerte ist eine Überdimensionierung von Bauteilen aus Holz, die den Einsatz als Leichtbauwerkstoff verhindert. Bambus ist ein Gras und bisher nicht vergleichbar standardisiert. Der industrielle Einsatz von Bambusrohr beschränkt sich auf die vereinzelten Fasern der Pflanze als Zuschlagstoff in Kunstoffen bzw. Massivwerkstoffen, die aus Teilen des Rohres zusammengesetzt werden und vergleichbare Eigenschaften aufweisen wie Balken oder Latten aus Massivholz. Eine zu Holzwerkstoffen vergleichbare

Standardisierung gibt es für Bambuswerkstoffe oder natürlich gewachsenes

Bambusrohr nicht.

Der gemeinsame Nachteil des heutigen Stands der Technik bei der Qualitätskontrolle von inhomogenen Werkstoffen für die industrielle Fertigung ergibt sich aus der Methodik bei der Auswertung der Ergebnisse. Die Werkstoffprüfung und die

Auslegung der Bauteile aus diesen Materialien orientieren sich an den Verfahren für metallische Werkstoffe bzw. wurden aus diesen abgeleitet. Grundlage ist das Prinzip der Vergleichsspannung. Mit standardisierten Proben-Geometrien werden die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes ermittelt. Die so ermittelten mechanischen Eigenschaften werden anschließend den sich abhängig von

Bauteilgeometrie und Lasteinleitung ergebenden Spannungen im Bauteil bzw.

Halbzeug gegenübergestellt. Bei inhomogenen Werkstoffen wird der ermittelte Vergleichswert durch die Bereiche mit geringen mechanischen Eigenschaften gebildet. Die so ermittelte Größe wird anschließend durch Faktoren, die das im Vergleich zur Probe größere

Bauteilvolumen bzw. sich aus der Fertigung ergebende Einflüsse berücksichtigen, weiter reduziert. Das beschriebene bisherige Verfahren führt zu einer deutlichen Überdimensionierung der Bauteile bzw. zu einer erhöhten Ausschussquote.

Die Erfindung hat die Aufgabe die Qualitätssicherung bei der Fertigung von

Produkten mit Bauteilen bzw. Flalbzeugen aus Werkstoffen mit inhomogenen mechanischen Eigenschaften zu verbessern, insbesondere durch Kenntnis der lokalen Eigenschaften, also der unterschiedlichen Eigenschaften an verschiedenen Orten desselben Bauteils. Die Erfindung hat auch die Aufgabe eine digital simulierte Konstruktion mit realen Bauteilen zu ermöglichen. Die Erfindung soll es erlauben Bauteile aus inhomogenen Materialien bzw. Werkstoffen und/oder mit einer inhomogenen Material-/Werkstoffverteilung hinsichtlich deren mechanischen

Eigenschaften zu erfassen und weiter bevorzugt in digitalisierte Fertigungsprozesse zu integrieren. Durch die Bestimmung von spezifischen individuellen mechanischen Eigenschaften soll bevorzugt ein belastungsgerechter Einsatz dieser Werkstoffe ermöglicht werden. Bevorzugt ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung bei der Fertigung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen die Ausschussquote zu reduzieren. Ebenso ist es eine Aufgabe die Sicherheitsbeiwerte zu reduzieren, und so das Potential von organischen Werkstoffen für Leichtbauanwendungen zu erschließen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bauteil einer mechanischen Belastung ausgesetzt wird, welche das Bauteil verformt und die Verformung des Bauteils an einer Vielzahl definierter Messpunkte oder

Messabschnitte kamerabasiert detektiert wird und die lokale Verformung des Bauteils aus den Kameradaten bestimmt wird und aus der lokalen Verformung die lokale mechanische Eigenschaft berechnet wird.

Unter einem Messpunkt wird dabei nicht nur ein Punkt im mathematischen Sinne verstanden, sondern auch ein Ort auf dem Bauteil mit endlicher Erstreckung.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung betrifft einen digitalen Klon von von real existierenden Bauteilen / Halbzeugen bzw. Werkstücken aus inhomogenen Werkstoffen oder inhomogener Werkstoffverteilung. Der digitale Klon repräsentiert als Modell die individuellen spezifischen mechanischen Eigenschaften des Bauteils. Er ist die explizite Abbildung des Ergebnisses einer individuellen Prüfung der mechanischen Eigenschaften eines real existierenden Bauteils, das

erfindungsgemäß erfasst wurde, in einer digitalen Fertigungsumgebung.

In dieser Entstehung des individuellen Modells besteht ein wesentlicher Unterschied zu dem mittlerweile verbreiteten Prinzip des digitalen Zwillings. Der digitale Zwilling als etablierter Stand der Technik ist das Abbild eines nicht real existierenden

Bauteils, also lediglich eines Bauteils mit den theoretischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe. Der digitale Zwilling entsteht während des

Konstruktionsprozess und existiert auch ohne seinen realen Zwilling. Seine

Eigenschaften spiegeln die in Analogieversuchen ermittelten Werkstoffeigenschaften projiziert auf die jeweilige Bauteil- bzw. Halbzeug-Geometrie.

Der digitale Klon als bevorzugte Ausbildung der Erfindung ist das digitale Abbild eines real existierenden Bauteils- bzw. Halbzeuges. Als spezifisches Ergebnis einer individuellen erfindungsgemäßen Prüfung existiert er nicht ohne Entsprechung in der Realität. Daraus folgt, dass es für jedes Bauteil oder Halbzeug eine individuelle CAD- Datei gibt, die den digitalen Klon darstellt.

Die entscheidende Neuerung dieser Weiterbildung ist die individuelle Abbildung der Inhomogenitäten des jeweiligen Bauteils bzw. Halbzeuges in einem expliziten digitalen Modell. Der Fokus des digitalen Klons liegt auf der digitalen bzw.

computerbasierten Darstellung der individuellen lokalen mechanischen

Eigenschaften des real existierenden Vorbildes. Er ermöglicht es diese

Eigenschaften für Konstruktionen in einer digitalen Arbeitsumgebung nutzbar zu machen, z.B. bei der Planung von Produkten mittels CAD.

Ein Bauteil aus inhomogenem Material bzw. inhomogener Materialverteilung kann mit den Informationen des digitalen Klons bevorzugt in der Gesamtkonstruktion so positioniert werden, dass Bereiche mit besonders hohen mechanischen

Eigenschaften den besonders belasteten Bereichen der Gesamtkonstruktion gegenübergestellt werden. Gleichzeitig sind insbesondere Schwachstellen im

Werkstoff kein Ausschusskriterium, wenn sie in der Gesamtkonstruktion nur geringen Belastungen ausgesetzt sind. Der digitale Klon ist bevorzugt die Darstellung der Ergebnisse einer mechanischen Prüfung in Form einer individuellen CAD-Datei.

Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung sind an das jeweilige Bauteil- bzw.

Halbzeug angepasste Einrichtungen zur Bestimmung der mechanischen

Eigenschaften, bevorzugt der lokal verschiedenen mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer gewählten mechanischen Eigenschaft aus einer Vielzahl möglicher mechanischer Eigenschaften. Dabei wird unter einer mechanischen Eigenschaft bevorzugt eine solche verstanden, die das Verhalten eines Bauteils gegenüber äußeren Beanspruchungen kennzeichnet. Mögliche mechanische Eigenschaften, die im Rahmen der Erfindung hinsichtlich ihres lokal

unterschiedlichen Auftretens in einem Bauteil untersucht werden sind beispielsweise die Biegefestigkeit, die Zugfestigkeit, die Druckfestigkeit, die Scherfestigkeit, die Bruchfestigkeit, das Elastizitätsmodul, das Schubmodul, die Querkontraktionszahl.

Eine solche Einrichtung umfasst eine Vorrichtung zur Belastung des zu prüfenden Bauteils, z.B. durch eine Kraftausübung auf das Bauteil an ausgewählten Stellen, so dass sich eine Verformung des Bauteils gegenüber dem nicht belasteten Fall ergibt. Die Einrichtung umfasst weiterhin wenigstens eine Kamera, mit der an

verschiedenen Messpunkten des Bauteils, bevorzugt zumindest an mehreren verschiedenen beabstandeten Messpunkten entlang von dessen Erstreckung, bevorzugt der Längserstreckung das unter der Belastung verformte Bauteil, ggfs auch das ursprünglich nicht belastete Bauteil, optisch, z.B. fotografisch oder videografisch erfasst wird.

Bei Verwendung von nur einer Kamera kann diese mehrfach verschieden zum Bauteil positioniert werden, z.B. entlang der Erstreckung, bevorzugt

Längserstreckung verschieden, z.B. äquidistant, positioniert werden, um an jeder gewählten Position das Bauteil im festgelegten Messpunkt zu erfassen,

insbesondere wofür wenigstens ein aufgenommenes Bild oder Video zur

nachfolgenden Auswertung gespeichert wird.

Bevorzugt kann die Erfindung auch vorsehen eine Anzahl von Kameras gleichzeitig zur Erfassung zu verwenden, die zumindest der Anzahl der (festgelegten) zu erfassenden Messpunkte oder auch Messbereiche des Bauteils entspricht. Bei einer Erfassung eines bevorzugt längserstreckten Bauteiles kann es vorgesehen sein, die mehreren Kameras in einer Nebeneinanderanordnung parallel zur

Längserstreckung, bevorzugt äquidistant aufzureihen.

Die wenigstens eine Kamera hat bevorzugt eine Ausrichtung von deren optischer Achse senkrecht zur Bauteil-Längserstreckung, bevorzugt weiterhin eine Ausrichtung der optischen Achse auch senkrecht zur ausgeübten Kraft. Die Art der Belastung kann vorzugsweise je nach Bauteil und/oder je nach geprüfter mechanischer

Eigenschaft in der Einrichtung unterschiedlich gewählt werden, bzw. es werden dafür verschiedene Einrichtungen gewählt.

Die mechanische Belastung des zu prüfenden Bauteils findet vollständig im Bereich der elastischen Verformung statt. Eine Schädigung des Bauteiles bzw. Halbzeuges wird auf diese Weise ausgeschlossen. Die Ausprägung der mechanischen Belastung orientiert sich bevorzugt an der zu erwartenden Belastung beim Einsatz bzw. der Verwendung des Bauteiles oder Halbzeuges. Die Forderung nach einer rein elastischen Verformung führt zu vergleichsweise kleinen Prüflasten und

dementsprechend nur geringen Verformungen des zu prüfenden Bauteils.

Belastungen können auf verschiedene Weisen realisiert werden. Beispielhaft zu nennen ist die 3-Punkt oder auch die 4-Punkt-Belastung, wobei zu letzterer nachfolgend auch ein Beispiel beschrieben wird. Weitere Arten der Belastung sind z.B. Zug-, Druck-, Scher- oder Torsionsbelastungen.

Zur Bestimmung der Auswirkungen der Inhomogenitäten des geprüften Bauteil unter der Belastung, insbesondere gegenüber dem unbelasteten Fall können

verschiedenen Verfahren eingesetzt werden.

Ein mögliches Verfahren ist das der Bildkorrelation. Dieses Verfahren ist als Stand der Technik zwar bekannt und ermöglicht eine partielle Auswertung der Verformung unter Belastung einzelner Bereiche der Probe, die Erfindung sieht aber allgemein unabhängig vom konkret eingesetzten Auswertungsverfahren weiterhin vor, z.B. durch Umrechnung, aus der optisch erfassten lokalen Verformung einzelner Bereiche eines geprüften Bauteils einen individuellen lokalen Wert oder mehrere Werte der jeweilig untersuchten mechanischen Eigenschaften zu bestimmen, z.B. der

Biegesteifigkeit als mechanischen Eigenschaft. Die beispielhafte Anwendung der Bildkorrelation beschränkt sich in der Erfindung ausdrücklich nicht auf die Auswertung im Bereich des sichtbaren Licht. Bevorzugt wird diese aber mit sichtbarem Licht durchgeführt.

Die ermittelten lokalen mechanischen Eigenschaften werden in bevorzugter

Ausführung anschließend durch den digitalen Klon abgebildet und nutzbar gemacht. Ein solcher Klon, kann je nach Anzahl und Erfassungsrichtung der erfassten

Eigenschaftswerte zumindest einen Vektor oder eine Matrix der Werte darstellen.

Die Ergebnisse der Bauteilprüfung werden z.B. durch ausgewählte Algorithmen in eine CAD-Datei umgerechnet. Die Algorithmen stellen bevorzugt sicher, dass der digitale Klon die Eigenschaften des geprüften Bauteiles oder Halbzeuges in der benötigten Auflösung exakt wiedergibt.

Beispielsweise kann eine rekursive Optimierung dieser Algorithmen vorgenommen werden, z.B. durch eine insbesondere schwache künstliche Intelligenz.

Allgemein kann die Erfindung vorsehen, dass die lokale Verformung in Relation zu dem nicht verformten Bauteil bestimmt wird, insbesondere welches ebenso kamerabasiert erfasst wird oder in Relation zu einem als homogen angenommenen verformten Bauteil bestimmt wird, dessen Verformung simuliert wird.

Es kann hierbei vorgesehen sein, dass mittels eines mathematischen Modells, welches das Verformungsverhalten des Bauteils beschreibt, insbesondere das Verformungsverhalten des als homogen angenommenen Bauteils beschreibt, aus den erfassten Messwerten, welche die lokale Verformung in Relation zu dem nicht verformten Bauteil repräsentieren, insbesondere in Verbindung mit den bekannten bei der Belastung eingesetzten Kräften durch Änderung des Modells, ein durch das geänderte Modell beschriebenes simuliertes verformtes Bauteil an das reale verformte Bauteil approximiert wird, insbesondere iterativ bis zur Erfüllung eines Konvergenzkriteriums.

Die Erfindung kann in einer konkretisierten Ausgestaltung vorsehen das reale Verformungsverhalten des geprüften Bauteils aus inhomogenen

Materialen/Werkstoffen mit den bekannten Methoden der Mechanik abzubilden bzw. zu simulieren, z.B. mit Methoden der finiten Elemente (FEM). Dies kann auf mehrdimensionale Gleichungssysteme führen, die mit iterativen Verfahren gelöst werden können. Die Methode der finiten Elemente ist im Stand der Technik allgemein etabliert und hier demnach als dem Fachmann grundsätzlich bekannt unterstellt.

Im Wesentlichen handelt es sich um ein numerisches Verfahren, um das

physikalische Verhalten eines Körpers dadurch nachzubilden, das berechnet wird, wie die Elemente des diskretisierten Körpers auf die Kräfte, Lasten und

Randbedingungen reagieren und wie sich Lasten und Reaktionen beim Übergang von einem Element des Körpers ins benachbarte fortpflanzen. Es kann somit numerisch errechnet werden, wie sich ein in finite Elemente diskretisiertes Bauteil unter einer Last verformt.

Eine allgemeine Form der Finite-Elemente-Methode ist z.B. gegeben durch:

{F} = [K]{U}

Hierbei sind {F} alle auf ein Bauteil wirkenden Kräfte, insbesondere die an den Knoten der Elemente des Bauteils angreifen, in die das Bauteil diskretisiert ist. [K] ist die Gesamtsteifigkeitsmatrix, die alle Informationen über die geometrische Gestalt, die volumetrischen Eigenschaften und Lösungsverfahren aus der exakten Mechanik für das betrachtete Bauteil umfasst. Die Gesamtsteifigkeitsmatrix umfasst die Koeffizienten und daraus gebildete Werte der einzelnen Elementsteifigkeitsmatrizen derjenigen Elemente, in die das Bauteil diskretisiert ist. {U} ist die Lösung in Form von Verschiebungen der Knoten der diskretisierten Elemente des Bauteils. Als Knoten werden die Bereiche verstanden, welche die diskretisierten Elemente verbinden.

Die Erfindung kann allgemein Methoden der Mechanik, z.B. der FEM, beispielsweise so anwenden, dass diese quasi invertiert wird. Dies ist insbesondere so zu verstehen, dass ein mathematisches Modell, im Beispiel eins der Finiten-Elemente- Methode, so geändert wird, dass es das tatsächlich erfasste Verformungsverhalten beschreibt. Zumindest ein Teil dieses Modells kann den genannten digitalen Klon bilden.

In einer beispielhaften Ausführung kann ausgehend von einem homogenen Bauteil, welches durch eine Gesamtsteifigkeitsmatrix der Finite-Elemente-Methode beschrieben wird, diese Gesamtsteifigkeitsmatrix so sukzessive, insbesondere iterativ geändert werden, insbesondere in einem oder mehreren Parametern

(Matrixkoeffizienten), dass unter der Vorgabe der bekannten Belastung bei der konkreten Prüfung eine Form des simulierten Bauteils in der FEM-Simulation entsteht, die der optisch erfassten Form des real belasteten Bauteils innerhalb von vorgegebenen Grenzen entspricht. Dafür können z.B. die Parameter der wenigstens einen in der FEM-Methode eingesetzten Gesamtsteifigkeitsmatrix des ursprünglich als homogen angenommenen Bauteils iterativ bis zur Konvergenz mit dem optisch erfassten realen Bauteil geändert werden.

Es kann in einer möglichen Ausführung so vorgegangen werden, dass sowohl das unbelastete Bauteil als auch das belastete Bauteil optisch mit der wenigstens einen Kamera erfasst wird. Aus einem Vergleich der erfassten Daten (BilderA/ideos), z.B. im Rahmen einer computerbasierten Bildauswertung, kann die exakte Verschiebung des Bauteils ermittelt werden, bzw. die Verschiebung der Knoten der Elemente, in die das Bauteil in dieser Methode diskretistert ist, somit also in der FEM die exakt vorliegende Lösung {UEX}. In der Bildauswertung kann z.B. eine Positions- Differenzbildung zwischen dem verformten und unverformten Bauteil vorgenommen werden, insbesondere für die zuvor festgelegten Knoten der Elemente, in die das Bauteil diskretisiert ist. Die Positionsdifferenzen bilden beispielsweise die

Verschiebungen der Knoten, welche im Rahmen einer FEM eingesetzt werden.

Weiterhin ist die Last {F} bekannt, da diese konkret durch die eingesetzte

Belastungsmethode bzw. Vorrichtung und die wirkenden Kräfte gegeben ist. Es kann somit numerisch, z.B. iterativ, unter Kenntnis von den Verschiebungen {U EX} und der Last {F} eine Lösung der Gesamtsteifigkeitsmatrix ermittelt werden, insbesondere wobei zumindest einige der Koeffizienten dieser Matrix die Werte der gesuchten lokalen mechanischen Eigenschaft repräsentieren.

Aus der wenigstens einen, bevorzugt iterativ geänderten Gesamtsteifigkeitsmatrix ergeben sich somit allgemein die mechanischen Eigenschaften des Bauteils, insbesondere mit einer örtlichen Auflösung, die der Auflösung bei der Diskretisierung des Bauteils in finite Elemente entspricht, zumindest aber in der Auflösung der Anzahl der Kameras oder Messpunkte. Erfindungsgemäß kann die wenigstens eine Gesamtsteifigkeitsmatrix nach der bevorzugt iterativen Änderung direkt den digitalen Klon darstellen, oder aus dieser werden Werte zur Bildung des digitalen Klons entnommen.

Eine Iteration kann z.B. so erfolgen, dass der erste erzeugte digitale Klon, also bevorzugt die Gesamtsteifigkeitsmatrix eines FEM-Modells des als homogen angenommenen Bauteils in einer Simulation mit FEM-Methoden den Belastungen auf der realen Bauteilprüfung ausgesetzt wird. Diese Ausgangssimulation wird, insbesondere aufgrund des gewählten iterativen Lösungsweges in seiner ersten Lösung {Ui} zunächst von dem realen Bauteilverhalten, also der realen Verschiebung der Elementknoten abweichen. Diese Abweichungen werden bevorzugt quantifiziert, insbesondere hiernach zur Bildung einer geänderten Gesamtsteifigkeitsmatrix herangezogen.

Insbesondere erfolgt dabei die Auswertung z.B. analog zu der Bestimmung des Verformungsverhaltens. Für jeden in der Bauteilprüfung erzeugten Verformungswert gibt es eine Entsprechung als Auswertstelle der Simulation. Die quantifizierten Abweichungen sind bevorzugt eine zusätzliche Eingangsgröße für die Erzeugung eines zweiten digitalen Klon, bevorzugt also einer gegenüber der ersten

Gesamtsteifigkeitsmatrix geänderten Matrix. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt bis die Abweichungen zwischen dem simulierten und dem realen

Bauteilverhalten innerhalb zuvor festgelegter Grenzen liegen, insbesondere also die Iteration in den genannten Grenzen konvergiert, also eine Lösung {U N} gefunden wurde, deren Abweichung zur exakten optisch erfassten Lösung {U EX} kleiner gleich der Grenze oder den Grenzen ist.

Die nach der Iteration ermittelte Gesamtsteifigkeitsmatrix beschreibt in wenigstens einem der Koeffizienten, bevorzugt in mehreren die gewählte zu prüfende

mechanische Eigenschaft, z.B. eine mechanische Steifigkeit, bevorzugt

Biegesteifigkeit.

Die Gesamtsteifigkeitsmatrix kann im Verfahren z.B. dadurch (bevorzugt iterativ) geändert werden, dass die Koeffizienten der Elementsteifigkeitsmatrizen der einzelnen Elemente, in die das Bauteil diskretisiert ist, geändert werden.

Die Gesamtsteifigkeitsmatrix ist für jedes zu prüfende Bauteil individuell zu erstellen, insbesondere ist sie abhängig vom Material des Bauteils und dessen Form. Bei einem Bambusrohr als beispielhaftes Bauteil kann es z.B. vorgesehen sein, die jedem mit der wenigstens einen Kamera erfassten Messpunkt am Rohr oder dem Rohrabschnitt zugeordnete Elementsteifigkeitsmatrix iterativ zu ändern, wodurch somit auch die Gesamtsteifigkeitsmatrix des Bauteils insgesamt geändert wird. In die jeweilige Elementsteifigkeitsmatrix bzw. die Gesamtsteifigkeitsmatrix an jedem Messort / -abschnitt können z.B. der Rohraußendurchmesser des Bambusrohres an jedem Meßpunkt oder -Abschnitt und der Innendurchmesser eingehen.

Der Außendurchmesser kann dabei z.B. im Rahmen der Erfindung messtechnisch aus den Kamerabildern oder zuvor separat an jedem Messpunkt /-abschnitt bestimmt werden und als sodann weiterhin fester Parameter in einer Iteration berücksichtigt werden.

Durch iterative Änderung des Innendurchmessers an jedem Messpunkt (an der Kameraposition) oder in jedem Messabschnitt (z.B. zwischen zwei Kameras) als variable Größe zur Änderung der lokalen Eigenschaft, z.B. der Biegesteifigkeit in der jeweiligen Elementsteifigkeitsmatrix kann das simulierte Bauteil, z.B. Bambusrohr in seiner Form an das optisch erfasste simulativ angepasst werden.

Nach der Konvergenz bilden die Innendurchmesserwerte der Messpunkte /- abschnitte zumindest Repräsentanten der gewählten gesuchten lokalen

mechanischen Eigenschaft, z.B. der Biegesteifigkeit oder können konkret in diese durch bekannte mathematische Zusammenhänge umgerechnet werden.

Mit zunehmender Anzahl an durchgeführten Prüfungen kann dabei kontinuierlich die Qualität der Algorithmen zur Erzeugung des ersten digitalen Klon optimiert werden. Die Kohärenz zwischen realem Bauteilverhalten und, durch den digitalen Klon abgebildeten Verformungsverhalten wird so kontinuierlich verbessert. Der

beschriebene Vorgang wird für jedes neue Bauteil und jeden neuen Prüfaufbau wiederholt.

In einer anderen Methode kann es auch vorgesehen sein, bei einer Belastung, aus einem gemessenen Verformungswert zunächst unter Annahme einer homogenen Bauteilausbildung einen global für das gesamte Bauteil gültigen Eigenschaftswert, z.B. der Biegesteifigkeit zu ermitteln. Bei einer beispielhaften 4-Punkt-Belastung kann dafür die mittige Maximalauslenkung des Bauteils, z.B. wiederum eines Bambusrohres zwischen den Auflagern und den Stempeln gegenüber dem unbelasteten Fall ermittelt werden und hieraus z.B. die globale Biegesteifigkeit des Bauteils unter der Annahme einer homogenen Zusammensetzung bestimmt werden. Hieraus wird die theoretische Verformung des als homogen angenommenen Bauteils unter der gewählten Belastungsart errechnet, z.B. die theoretische Biegelinie des Bauteils bei einer 4-Punkt-Belastung.

Anhand der erfassten Bilder der wenigstens einen Kamera kann eine

Differenzbildung zwischen den Positionen des belasteten und unbelasteten Bauteils am jeweiligen Messpunkt / Messabschnitt und/oder der Steigungen an einem

Messpunkt oder zwischen benachbarten Messpunkten (=Messabschnitt) des belasteten und unbelasteten Bauteils erfolgen. Die mehreren Differenzwerte

(mindestens einer pro Messpunkt / -abschnitt) können direkt ein repräsentierendes Maß für eine mechanische Eigenschaft darstellen oder anhand von mathematischen Zusammenhängen, die für das Bauteil und/oder die Belastungsart gelten, in eine solche Eigenschaft umgerechnet werden.

Die Erfindung kann allgemein und damit unabhängig von der Art der folgenden Auswertung bei längserstreckten Bauteilen allgemein vorsehen, die gewählte

Eigenschaft an mehreren Messpunkten/Messabschnitten entlang der

Längserstreckung zu bestimmen. Grundsätzlich können beispielsweise rohrförmige Bautteile, stabförmige Bauteile und flächige Bauteile untersucht werden.

In einer Weiterbildung wird nach einer solchen Messung das Bauteil um seine Längsachse um einen Winkelbetrag rotiert und die Messung wiederholt, ggfs mehrfach für mehrere verschiedene Winkel, so dass mehrere Messungen für die Bestimmung der gewählten Eigenschaft an mehreren verschiedenen

Längspositionen und mehreren verschiedenen Umfangspositionen vorliegen.

Faktisch kann damit die Bauteiloberfläche komplett erfasst werden, dieses also aus mehreren Richtungen erfasst werden, obwohl die Kameras bzgl. der

Erdbezugssystems das Bauteil in nur einer Richtung erfassen.

Insbesondere in Verbindung mit der oben beschriebenen Finite-Elemente-Methode können so die benötigten Verschiebungen der Knoten der diskreten Elemente des Bauteils im Raum genauer ermittelt werden. Ein mögliches Ausführungsbeispiel der beschriebenen Erfindung ist die Qualitätssicherung für ein längliches bzw. längserstrecktes, z.B. rohrförmiges Bauteil, beispielsweise ein natürlich gewachsenes Bambusrohr. Dieses Bauteil, z.B. Bambusrohr weist im Allgemeinen auf seiner Länge als auch über den Umfang verteilt große Inhomogenitäten auf. Ein Bambusrohr ist im Rahmen der Erfindung ein bevorzugtes Bauteil, da es als natürlich gewachsenes Bambusrohr in seinem Aufbau ein bionisches Vorbild für moderne Leichtbaukonstruktionen ist. Bambusrohr hat ein Verhältnis von Steifigkeit zu

Gewicht auf dem Niveau von legierten Aluminiumrohren. Bambus kann für eine Vielzahl von Produkten eingesetzt werden, z.B. unter anderem als Material für den Bau von Fahrradrahmen. Auch ist der Einsatz bei Gerüsten oder auch sonstigen aussteifenden Konstruktionen bekannt.

Die größten auftretenden Belastungen bei längserstreckten Bauteilen, wie z.B.

Bambusrohren sind Biegemomente, die auf das Bauteil wirken.

Die Erfindung hat in dieser beispielhaften Anwendung entsprechend die Aufgabe als zu untersuchende Eigenschaft die inhomogene Verteilung der Biegesteifigkeit des Bauteils, z.B. des Bambusrohres aufzuzeichnen und abzubilden.

Bevorzugt werden sowohl die absolute lokale Größe der Biegesteifigkeit, oder diese zumindest repräsentierende Werte, als auch deren Position auf dem Umfang und der Länge des Bauteils, z.B. eines natürlich gewachsenen Bambusrohres ermittelt. In weiterer Bevorzugung wird die ermittelte mechanische Eigenschaft, also z.B. die hier gewählte Biegesteifigkeit in Form des digitalen Klons dargestellt.

Ein entstehendes digitales Modell jedes aus mehreren Bauteilen gefertigten

Produktes, z.B. eines Fahrradrahmens ist eine aus mehreren inhomogenen

Bauteilen, z.B. Bambusrohren zusammengesetzte Struktur. Das digitale Modell setzt sich somit aus den einzelnen digitalen Klonen der verwendeten Bauteile zusammen. Mit den Informationen über die lokale Biegesteifigkeitsverteilung der verwendeten Bauteile, z.B. Bambusrohre ist auch die zusammengesetzte Struktur durch einen digitalen Klon abgebildet.

Zu Bestimmung der lokalen Biegesteifigkeiten wird als Bauteil, z.B. ein Bambusrohr belastet. Als mechanische Belastung wird z.B. ein 4-Punkt-Biegeversuch gewählt.

Bei diesem wird bevorzugt das Bauteil auf zwei beabstandeten Auflagern aufgelegt und mit zwei zwischen diesen angeordneten, beabstandeten Stempeln belastet. Der 4-Punkt-Biegeversuch hat den Vorteil zwischen den belastenden Stempeln eine querkraftfreie Biegebelastung auf das untersuchte Bauteil, z.B. das Bambusrohr einzubringen. Die Längsachse des Bauteils ist durch die x-Koordinate markiert. Dies ist z.B. in den Bildern 1 bis 4 dargestellt. Die Abstände der Lastaufbringung und Auflager sind z.B. abweichend von der Norm für 4-Punkt-Biege-Versuche

entsprechend der verfügbaren Bauteilgeometrie und der gewünschten Auswertlänge angepasst.

Im Beispiel eines Bambusrohres ist der querkraftfreie Bereich in der Probe z.B. mit 1 m Länge so gewählt, dass alle für den späteren Einsatz in einem Produkt, z.B. einem Fahrradrahmen relevanten Bauteillängen abgebildet werden. Bevorzugt ist die aufgebrachte Belastung abhängig vom untersuchten Rohrdurchmesser und wird durch die Vorgabe der rein elastischen Verformung beschränkt. Für die

erfindungsgemäße Auswertung werden parallel zur Längserstreckung mehrere Kameras montiert, mit denen das Bauteil über seine Längserstreckung hinweg abschnittsweise erfasst wird, in diesem Beispiel parallel zur Längsachse des

Bambusrohres mit zehn Kameras, wie z.B. in Bild 4 gezeigt.

Die gleichzeitige Auswertung mehrerer Kamerabilder ermöglicht die Erfassung der kompletten Auswertlänge.

Für die beispielhaft angewendete Bildkorrelation kann z.B. jeweils die Aufnahme einer einzelnen Kamera im unbelasteten Zustand der entsprechenden Aufnahme nach Aufbringung der Prüflast gegenübergestellt werden. Für ein Bauteil, z.B. ein Rohr aus einem homogenen Werkstoff würde sich für den Lastfall eine konstante Biegelinie ergeben, Bild 2.

Die gemessene Auslenkung ist für diesen Fall eine Funktion der x-Koordinate entlang der Längserstreckung, bzw. Längsachse des Bauteils, z.B. des Bambusrohres. Für den inhomogenen Werkstoff im Bauteil, z.B. Bambusrohr ergibt sich eine Biegelinie deren lokale Auslenkung und Steigung direkt abhängig ist von der lokalen Verteilung der Biegesteifigkeit in dem jeweiligen untersuchten Bauteil. Bild 3). Im direkten Vergleich zu der Verformung eines Bauteils mit homogener Werkstoffverteilung führen Bereiche in dem Bauteil, z.B. Bambusrohr mit hoher Biegesteifigkeit zu einer lokal flachen Steigung der Biegelinie. Bereiche mit Schwachstellen oder Fehlstellen, die zu einer lokalen Reduzierung der Biegesteifigkeit führen, bilden sich in Form einer größeren Steigung ab.

In einem natürlich gewachsenen Bambusrohr als beispielhaftem Bauteil sind beide Formen der Abweichung auch in direkter Folge anzutreffen.

Bild 3) zeigt die sich ergebende Biegelinie. Um die Verteilung und Größe der

Inhomogenität über den Umfang des Bauteils, z.B. des Bambusrohres abzubilden wird das Bauteil mehrfach um einen definierten Winkel um dessen Längsrichtung herum gedreht. In der neuen Position werden wieder die entsprechenden Aufnahmen erstellt und in beispielhafter Auswertung im belasteten und unbelasteten Zustand gegenübergestellt. Die ermittelten Werte der lokalen Verformung können bereits als Repräsentanten der lokalen Biegesteifigkeit verstanden werden und können vorzugsweise in lokale Steifigkeiten umgerechnet werden.

Die ermittelten Werte können, wie zuvor beschrieben, auch zur Bildung der exakten gemessenen Lösung {UEX} im Rahmen einer FEM genutzt werden. Durch iterative Berechnung der Gesamtsteifigkeitsmatrix werden die ermittelten Werte somit faktisch umgerechnet in die gesuchten lokalen Biegesteifigkeitswerte.

Das Ergebnis der Untersuchung bildet in bevorzugter Weiterbildung durch den digitalen Klon, insbesondere nämlich durch die ermittelte Gesamtsteifigkeitsmatrix des Bauteils, diese ermittelten lokalen Steifigkeiten in Form einer CAD-Datei ab.

Dabei wird durch die Erfindung keine Aussage über die Ursache der lokalen

Biegesteifigkeitsverteilung gemacht. Für die Qualitätssicherung ist diese Aussage nachrangig. Entscheidend ist eine verlässliche Aussage über die tatsächlichen mechanischen Eigenschaften des eingesetzten Bauteils, bzw. des Bambusrohres und die Lokalisierung und Klassifizierung eventuell vorhandener Schwachstellen. In dem Beispiel sind solche Schwachstellen durch eine lokal große Verformung identifizierbar.

Der Vorteil der Erfindung ist die direkte Bestimmung der für den Einsatz des jeweiligen Bauteils bzw. Halbzeuges relevanten lokal unterschiedlichen

mechanischen Eigenschaften. Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel der beschriebenen Erfindung ist die Qualitätssicherung für schalenförmige Strukturbauteile oder Verkleidungsteile aus bevorzugt Faserverbundwerkstoffen. Diese Bauteile sind häufig durch eine sehr geringe Materialstärke bzw. Dicke im Verhältnis zu den weiteren Dimensionen des Bauteils gekennzeichnet.

Stand der Technik ist die Auswertung des Fertigungsprozesses bzw. die

Umrechnung der Materialverteilung und inneren Struktur eines Bauteils oder

Flalbzeuges in einen statistischen Wert für die mechanischen Eigenschaften. Dieser Umweg führt als potentielle Fehlerquelle unabhängig von der Auflösung der eingesetzten Mess- bzw. Auswertverfahren zu hohen Sicherheitsbeiwerten.

Der digitale Klon enthält Informationen über die Größe und Verteilung der jeweils als relevant untersuchten mechanischen Eigenschaften in einem Bauteil aus

inhomogenem Werkstoff und macht diese nutzbar.

Stand der Technik ist die Ermittlung der minimalen mechanischen Eigenschaften und die Dimensionierung des gesamten Bauteils auf Grundlage dieser Größe. In

Bereichen mit lokal besseren mechanischen Eigenschaften führt dieses Vorgehen jedoch zu einer Überdimensionierung, die bei der Erfindung vermeidbar ist.

Bei der Qualitätssicherung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen führt jede dokumentierte Abweichung im Fertigungsprozess zu einer potentiellen Fehlstelle und unabhängig von den tatsächlichen Auswirkungen dieser Fehlstelle auf die

mechanischen Eigenschaften des Bauteils zu Ausschuss. Die Erfindung ermöglicht die direkte Bestimmung der relevanten mechanischen Eigenschaften. Fehlstellen ohne Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften werden mit der Erfindung identifizierbar und verringern die Ausschussquote entsprechend.

Vergleichbare Bauteile können erfindungsgemäß lokal durch einen Stift oder

Tastkörper belastet werden der eine Beule in der Oberfläche erzeugt. Diese durch die Belastung erzeugte Beule kann anhand einer erfindungsgemäßen Anwendung der Bildkorrelation geometrisch bestimmt werden. Die Form der Ausbeulung ist dabei proportional zu den mechanischen Eigenschaften des belasteten Bereichs und seiner Umgebung. Die Erfindung und das beschriebene Verfahren sind auch für die Qualitätssicherung von komplexen Bauteilen geeignet. Bevorzugt ist auch hier eine Bedingung für einen Einsatz eine beschädigungsfreie Verformung des Bauteils im elastischen Bereich. Sinnvoll ist der Einsatz bei allen Bauteilen oder Halbzeugen, die für eine

mechanische Belastung in der Anwendung ausgelegt werden.

Die Durchführung des Messverfahrens ist den Bildern 1 bis 4 mit Bezug auf ein stabförmiges, bevorzugt rohrförmiges Bauteil, z.B. ein Bambusrohr zu entnehmen. Die Figur 5 zeigt ein Flußdiagramm, dem eine beispielshafte Ausführung für verschiedene beispielshafte Bauteilformen a), b), c) zu entnehmen ist. Die

Durchführung der Photogrammetrie ist fakultativ.