Beschreibung Perforation

Detektionsverfahren für eine öffnung in einem Material und Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens. Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Detektion einer öffnung in einem Material, sowie eine Anlage zum Herstellen einer Perforation in einem Material.

Perforationen, also hintereinander liegende nicht verbundene öffnungen werden im Allgemeinen dazu verwendet, sogenannte Soll-Bruchstellen in einem Material bereitzustellen. Dafür müssen die Perforationen abhängig von den Anforderungen an die Soll-Bruchstelle mit teilweise großer Genauigkeit gefertigt werden.

Beispielsweise sind in Fahrzeugen, insbesondere in Personenkraftfahrzeugen im Innenbereich und insbesondere im Armaturenbrett verschiedene Airbags angeordnet. Diese Airbags sind üblicherweise in einem Gehäuse aufgenommen, das eine zum Innenbereich geschlossene Fläche aufweist, um zum einen eine glatte Oberfläche bereitzustellen und zum Anderen den Airbag vor Beschädigungen zu schützen.

Damit jedoch ein Auslösen und Expandieren der Airbags problemlos von Statten gehen kann, müssen in die Gehäuse sogenannte Soll-Bruchstellen eingebracht werden. Wird der Airbag ausgelöst, ist durch diese Soll-Bruchstellen sichergestellt, dass das Gehäuse an diesen Stellen aufbricht und ein Entfalten des Airbags ermöglicht. Dazu wird das Material an bestimmten Stellen, vorzugsweise durch das Einbringen einer Abfolge von öffnungen (=Perforation), geschwächt.

Damit ein solches Aufbrechen und damit das Entfalten des Airbags zuverlässig sicher gestellt werden kann, muss die Soll-Bruchstelle gewisse Qualitätsmerkmale aufweisen. Ist die Soll-Bruchstelle beispielsweise durch eine Abfolge von öffnungen hergestellt, darf diese Perforation keine Unterbrechung aufweisen, die beispielsweise größer ist als 4 mm. Wo genau der Grenzwert liegt hängt von mehreren Faktoren ab, wie beispielsweise Material, Geometrie oder Treibsatz zum Zünden des Airbags. Dazu ist jedoch nötig, dass die öffnungen in dem Material durchgängig ausgebildet sind und/oder entlang der Soll-Bruchstelle nur eine bestimmte vorgegebene Zahl von nicht durchgängigen oder nur teilweise ausgebildeten öffnungen - also Fehlstellen - vorhanden sind.

Problematisch bei den herkömmlichen überwachungsverfahren ist zum Einen, dass die überwachung in einem von der Herstellung der öffnungen unabhängigen weiteren Arbeitsschritt durchgeführt wird, so dass der Herstellungsprozess aufgrund des zusätzlichen Schritts teurer ist und zum Anderen Einstellungen an der die öffnung herstellenden Apparatur nur mit Verzögerung erkennbar sind, so dass oftmals eine ganze Serie von fehlerhaften Gehäusen hergestellt wird, bevor festgestellt wird, dass die Apparatur nur unzureichend arbeitet. Zudem können wechselnde Umgebungsbedingung, beispielsweise durch unterschiedliche Arbeitsplatzbeleuchtungen, die Messergebnisse beeinflussen und verfälschten, so dass eine zuverlässige Einschätzung, ob eine Perforation korrekt ausgebildet ist oder nicht, nicht mehr möglich ist.

Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung eine zuverlässige und robuste überwachung der Qualität einer in ein Material eingebrachten öffnung bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 , eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 15, sowie einer Anlage zum Herstellen einer Soll- Bruchstelle gemäß Patentanspruch 32.

Erfindungsgemäß wird die Existenz bzw. Qualität einer öffnung in einem Material dadurch detektiert, dass auf einer Seite des Materials eine Strahlungsquelle vorgesehen ist, die eine gerichtete elektromagnetische Strahlung in Richtung des Materials abgibt, auf der anderen Seite des Materials eine Empfangsvorrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, eine durch das Material transmittierte Strahlung, insbesondere der Strahlungsquelle, zu empfangen, wobei die empfangene Strahlung mit einem Schwellenwert verglichen wird, so dass bei Unter- oder überschreiten des Schwellenwerts die Existenz bzw. Qualität der öffnung in dem Material bestimmbar ist.

Besonders vorteilhaft ist dabei ein Ausführungsbeispiel, bei dem die durch das Material transmittierte elektromagnetische Strahlung an einem Reflektor, vorzugsweise einem Reflektor, der eine diffuse Reflexion bereit stellt, angeordnet ist. Durch die Verwendung eines diffusen Reflektors ist eine exakte Ausrichtung von Strahlungsquelle und Empfangsvorrichtung und/oder Reflektor nicht nötig, so dass auch kleine Ungenauigkeiten im Vorrichtungsaufbau nicht ins Gewicht fallen.

Als Strahlungsquelle für eine gerichtete elektromagnetische Strahlung ist insbesondere eine Laserdiode bevorzugt, wobei diese vorzugsweise gepulste Strahlung abgibt.

Dabei entspricht vorteilhafterweise die Orientierung der Beleuchtungsrichtung der Orientierung einer in das Material eingebrachten öffnung. Trifft also diese Strahlung auf eine unbearbeitete Materialoberfläche oder eine fehlerhafte öffnung, das heißt, eine öffnung, die nur teilweise ausgebildet ist, wird die Strahlung an der Oberfläche des Materials diffus reflektiert und kann nicht durch das Material hindurch treten bzw. wird durch die sehr hohe Streuung an der Oberfläche des Materials stark geschwächt. Dabei kann unter „teilweise ausgebildet" eine nicht durchgängige öffnung oder aber auch eine öffnung verstanden werde, die nicht einer vorgebenden Form entspricht. Ist beispielweise die öffnung normalerweise zylinderförmig ausgebildet, so würde eine kegelförmige öffnung ebenfalls fehlerhaft sein.

Trifft der Strahl jedoch ganz oder partiell auf eine durchgängige öffnung, gelangt ausreichend Strahlung auf die Unterseite des Materials und kann dort detektiert werden, wobei vorteilhafterweise eine Schwellenwertanalyse anzeigt, ob genügend Strahlung durch die öffnung transmittiert wurde.

Als Empfangsvorrichtung ist die Verwendung eines Photodetektors besonders bevorzugt. Dieser registriert die an dem Reflektor gestreute Strahlung und ermöglicht über eine einfache Schwellwertanalyse die Bestimmung eines Qualitätkriteriums: öffnung ok/nicht ok.

Des Weiteren ist ein Ausführungsbeispiel besonders bevorzugt, bei dem eine Vorrichtung vorgesehen ist, die für die Bestimmung des Schwellenwerts eine Kalibrierung auf das zu untersuchende Material durchführt. Dabei wird in einer ersten Messung die transmittierte Strahlung an eine Stelle ohne öffnung und mit einer durchgängigen öffnung gemessen. Aus den beiden Messungen kann dann ein Schwellwert bestimmt werden, der bei den anschließend Messungen verwendet wird, um festzulegen, ob eine öffnung durchgängig ist oder nicht.

Zudem kann eine Messung durchgeführt werden, die eine Bestimmung der Umgebungseigenschaften, insbesondere der Umgebungslichtverhältnisse ermöglicht. Dazu werden zwei Messungen in Relation gesetzt, bei der in einer Messung die Strahlungsquelle inaktiv und bei der anderen Messung die Strahlungsquelle aktiv ist.

Vorteilhafterweise können Strahlungsquelle und Material gegeneinander bewegt werden, so dass eine Abfolge von öffnungen (Perforationsnaht) qualitativ untersucht werden kann. Die Empfangsvorrichtung kann, wie ein erstes Ausführungsbeispiel zeigt, aus mehreren Einzeloptiken bestehen und ortsfest unterhalb des zu untersuchenden Materials angeordnet sein dabei jedoch zum Zwecke der Signalmessung auf einem Photodetektor zusammengefasst sind, so dass mit ihr der gesamte Arbeitsbereich überwacht werden kann.

Ein weiteres besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass Strahlungsquelle und Empfangsvorrichtung einander gegenüber ortsfest angeordnet sind und das zu untersuchende Material zwischen ihnen bewegt wird.

In einem dritten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel verbleibt das Material ortsfest, und Strahlungsquelle und Empfangsvorrichtung werden als Einheit relativ dazu bewegt.

Weiterhin ist ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei dem eine gepulste Laserlichtquelle als Strahlungsquelle verwendet wird. Dabei erfolgt pro Puls eine Messung, die jedoch in so kurzen Abständen hintereinander ausgeführt werden, dass eine quasistatische Messung erfolgt. Dabei weichen beispielsweise bei einer Arbeitsgeschwindigkeit von 20 m/Min, die Messpositionen vorteilhafterweise um weniger als 3,4 μm voneinander ab, wodurch eine Ausdehnung des Messflecks gegenüber den zu detektierenden öffnungen vernachlässigbar ist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen definiert.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden. Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sind jedoch rein exemplarischer Natur und sollen nicht dazu verwendet werden, den Schutzbereich der Ansprüche daraufhin einzuschränken.

Es stellen dar:

Figur 1 : schematische Prinzipdarstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 2: ein erstes besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 3: ein zweites besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 4: ein drittes besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Figur 5: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Messabfolge.

Im Folgenden werden gleiche oder gleichartige Elemente mit gleich lautenden Bezugszeichen gekennzeichnet.

Figur 1 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei ist auf der einen Seite eines zu untersuchenden Materials 2, das mindestens eine öffnung 4, oder wie in Figur 1 dargestellt, eine Reihe von öffnungen 4 a bis i aufweist, die eine Perforation bilden, eine Strahlungsquelle 6 angeordnet, die elektromagnetische Strahlung abgibt. Vorzugsweise gibt die Strahlungsquelle gerichtete elektromagnetische Strahlung ab, wie beispielsweise bei der Verwendung einer Laserdiode bereitsteht. Auf der Gegenseite des Materials 2 und der Strahlungsquelle 6 ist ein Reflektor 8 angeordnet, der Strahlung, die durch das Material 2 transmittiert wird, reflektiert. Dabei kann der Reflektor vorteilhafterweise als diffuser Reflektor ausgebildet sein, so dass, wie in Figur 1 dargestellt, diffuse, in alle Richtungen reflektierte Strahlung 10 von dem Reflektor 8 abgegeben wird. Dieser diffuse Reflektor 8 erlaubt eine Vielzahl von Anordnungsmöglichkeiten für eine hier noch nicht dargestellte Empfangsvorrichtung.

Durch die Anordnung der Strahlungsquelle 6 auf der einen Seite und dem Reflektor 8 und/oder der Empfangsvorrichtung auf der anderen Seite eines Materials 2 kann auf einfache Weise die Qualität einer Perforation festgestellt werden.

Vorteilhafterweise wird die gerichtete Strahlung so ausgerichtet, dass die Orientierung der Beleuchtungsrichtung der Orientierung der eingebrachten öffnungen in dem Material entspricht. Dadurch kann gewährleistet werden, dass, wenn die Strahlung auf eine unbearbeitete Materialoberfläche oder eine fehlerhafte öffnung trifft, die Strahlung an der Oberfläche des Materials reflektiert wird bzw. nicht in großem Anteil durch das Material hindurch treten kann. Durch den auf der, Unterseite angeordneten diffusen Reflektor wird die Strahlleistung aufgrund der diffusen Reflexion noch weiter geschwächt, so dass zuverlässig eine Fehlstelle erkannt werden kann. Auf der anderen Seite kann die Anordnung eines diffusen

Reflektors dazu beitragen, fehlerhaft erkannte Fehlstellen zu vermeiden. Meistens werden solche fehlerhaften erkannten Fehlstellen dadurch hervor gerufen, dass eine Streuung an öffnungskanten auftritt, die öffnung jedoch durchgängig gefertigt ist. Dann tritt zwar ausreichend Strahlung durch die öffnung hindurch, ein Photodetektor, der jedoch nicht auf diffuse Strahlung, sondern gerichtete Reflexion ausgerichtet ist, würde eine solche Streustrahlung als Fehlstelle detektieren.

Um materialbedingte oder umgebungslichtbedingte Unterschiede in der Beleuchtungsstärke feststellen zu können, wird, wie ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, das System dynamisch kalibriert. Dazu können vor jeder eigentlichen Messung, oder vor jeder Messung mit unterschiedlichen Materialien Referenzwerte bestimmt werden, die die Diskriminierungsschwelie definieren. Dazu wird eine Messung an dem Material mit öffnung und ohne öffnung aufgenommen, wobei die Strahlungsquelle abgeschaltet bleibt.

Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine besonders bevorzugte Anordnung von Strahlungsquelle 6, Material 2 und Empfangsvorrichtungen 12. Die Strahlungsquelle 6 ist unabhängig von der Empfangsvorrichtung 12 angeordnet, wobei das zu untersuchende Material 2 zwischen ihnen zu liegen kommt, so dass die von der Strahlungsquelle 6 abgegebene elektromagnetische gerichtete Strahlung entlang der Ausrichtung der öffnungen 4 durch das zu untersuchende Material 2 transmittieren kann. Die Zuordnung, welche öffnung untersucht wird, wird ausschließlich über räumliche Veränderung der Strahlungsquelle 6 entlang des Materials 2 durchgeführt. Ein Pfeil 14 verdeutlicht die Bewegung der Strahlungsquelle 6 relativ zu der ortsfesten Position des Materials 2 und der Empfangsvorrichtung 12.

Die Empfangsvorrichtung 12 selbst kann wie hier dargestellt, aus mehreren Einzeloptiken bestehen und ist ortsfest unterhalb des Materials 2 angeordnet und vorzugsweise in einem Photodetektor zusammengefasst werden.

Ein von der Strahlungsquelle abgegebener Lichtstrahl 16 kann dann durch die öffnung 4 transmittieren, und wird an einem hier nicht dargestellten diffusen Reflektor reflektiert. In die mit dem Bezugszeichen 18 versehenen Bereiche, entsprechen den Detektionsbereichen der Empfangsvorrichtung 12, in deren Bereich die von dem hier nicht dargestellten Reflektor abgegebene diffuse Strahlung detektiert wird.

Durch die hier dargestellte Anordnung mehrerer Empfangsvorrichtung kann ein gesamter, mehrere öffnungen umfassender Bereich messtechnisch simultan überwacht werden.

Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine besonders bevorzugte Anordnung von Strahlungsquelle 6 und Empfangsvorrichtung 12. Hierbei sind Strahlungsquelle 6 und Empfangsvorrichtung 12 einander gegenüber liegend orientiert und ortsfest auf ihrer optischen Achse montiert. Dadurch kann die Empfangsvorrichtung 12 direkt eine von der Strahlungsquelle 6 abgegebene gerichtete Strahlung auffangen. Bei dieser gezeigten Anordnung entfällt die Notwendigkeit eines zusätzlich angeordneten diffusen Reflektors. Allerdings müssen Strahlungsqueiie 6 und Empfangsvorrichtung 12 exakt ausgerichtet werden, damit eine Verfälschung der Messergebnisse, aufgrund Dejustierung von Empfangsvorrichtung 12 bzw. Strahlungsquelle 6 vermieden wird. Damit eine solche Dejustierung vermieden wird bzw. eine laufende Neujustierung von Strahlungsquelle 6 und Empfangsvorrichtung 12 unnötig ist, verbleiben Strahlungsquelle 6 und Empfangsvorrichtung 12 ortsfest, und das zu untersuchende Material 2 wird mittels, beispielsweise einer CNC-Maschine, derart verfahren, dass die mehreren öffnungen in der von Strahlungsquelle 6 und Empfangsvorrichtung 12 definierten optischen Achse gehalten werden (vgl. Pfeil 14).

Alternativ dazu ist auch eine Vorrichtung denkbar, bei der, wie Figur 4 zeigt, Strahlungsquelle 6 und Empfangsvorrichtung 12 zwar zueinander ortsfest sind, jedoch entlang des Materials 2 verschoben werden. Dabei werden wiederum die mehreren öffnungen in der von Strahlungsquelle 6 und Empfangsvorrichtung 12 definierten optischen Achse gehalten.

Egal ob Material oder Strahlungsquelle bzw. Sende- und Empfangsvorrichtung bewegt werden, wird die Bewegung des Materials zwischen Strahlungsquelle 6 und Empfangsvorrichtung 12 derart ausgeführt, dass die Messpositionen einer Messsequenz um weniger als 3,4 μm voneinander abweichen. Die Positionen zwischen den einzelnen Messsequenzen liegen bei einer vorteilhaften Arbeitsgeschwindigkeit von 20m/min und einer Messfrequenz von 1OkHz demnach bei 33 μm. Eine solche Abfolge von Messsequenzen ist in Figur 5 dargestellt, bei der mit dem Bezugszeichen 20a bis 20g eine Abfolge von Messsequenzen gekennzeichnet ist. Wie aus Figur 5 zu entnehmen, sieht man deutlich, dass eine in dem Material 2 vorhandene öffnung 4 eindeutig von einer Messsequenz erfasst wird. Die hier relevante Messsequenz ist durch das Bezugszeichen 2Oe gekennzeichnet.

Nur bei der durchgeführten Messung 2Oe wird von einer hier nicht dargestellten Empfängsvorrichtung eine ausreichende Strahlungsintensität an transmittierter Strahlung detektiert, so dass festgestellt werden kann, ob die öffnung 4 durchgängig ist oder nicht. Bei den anderen Messsequenzen 20 a bis d und g und f trifft die Strahlung der Strahlungsquelle auf eine unbearbeitete Materialoberfläche und wird an der Materialoberfläche reflektiert, so dass die durch das Material durchtretende Strahlung derart geschwächt wird, dass die detektierte Strahlung unter einem vorher definierten Schwellenwert verbleibt.

Eine Messsequenz besteht aus zwei Einzelmessungen, wobei die erste Einzelmessung eine Messung des Untergrundssignals liefert, wobei die Strahlungsqueile ausgeschaltet bleibt, während erst die zweite Einzelrnessung eine Messung der transmittierten Strahlung liefert, wobei die Strahlungsquelle eingeschaltet ist. Die Einzelmessungen erfolgen in so kurzen Zeitabständen (tθ + 11 =< 10 μSek.), dass sie als quasi statisch angesehen werden können.

Bei einer maximalen Arbeitsgeschwindigkeit von vorteilhafterweise 20 m/Min., würden die Messpositionen um weniger als 3,4 μm voneinander abweichen und sind deshalb vernachlässigbar gegenüber der Ausdehnung des Messflecks bzw. den zu detektierenden Fehlstellen. Ein maximaler Abstand zwischen zwei durchgängigen öffnungen ist 4 mm, so dass die räumliche Abweichung von weniger als 3,4 μm zwischen erster und zweiter Messung nicht ins Gewicht fällt.

Zur Verbesserung des Signals Rauschverhältnisses (SNR) kann in der Empfangsvorrichtung, oder vor der Empfangsvorrichtung ein Interferenzfilter vorgesehen sein, das vorzugsweise auf die Beleuchtungswellenlänge der Strahlungsquelle angepasst ist.

Besonders vorteilhaft ist, wenn der aus Strahlungsquelle und Empfangsvorrichtung bestehende Messkopf an einem CNC-Werkzeugträger positions- und lagegeführt ist. Dabei liegt der Messabstand vorteilhafterweise zwischen 5 und 50 cm, wobei das Arbeitsfeld frei zugänglich ist. Eine Führungsgenauigkeit durch den CNC-Messkopfträger liegt vorteilhafterweise rechtwinklig zur Perforationsspur und beträgt +/- 5 mm. Eine Abstandstoleranz von +/- 2,5 mm kann zudem zulässig sein.

Besonders bevorzugt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem direkt bei Fertigung der- öffnungen, insbesondere einer Perforation, deren Qualität überprüft wird. Es ist jedoch auch möglich eine überwachung direkt nach der Bearbeitung durchzuführen.

Besonders vorteilhaft ist bei vorliegendem erfindungsgemäßen Verfahren, dass Unterschiede in den Oberflächenstrukturen (hochglanz oder matt) oder bei verschiedenen Oberflächenfarben ermöglicht wird. Dies geschieht aufgrund der durchgeführten Kalibrierungsmessung vor jeder eigentlichen Messung. Dadurch wird auch gewährleistet, dass Umgebungslichtschwankungen ohne Einfluss auf die Messung bleiben.

Offenbart wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur überwachung einer öffnung, insbesondere einer Perforation in einem Material, wobei die Existenz bzw. Qualität der öffnung über eine Transmissionsrate einer von einer Strahlungsquelle abgegebenen gerichteten Strahlung bestimmt wird.

Bezuαszeichenliste

Material

öffnung

Strahlungsquelle

Reflektor reflektierte Strahlung

Empfangsvorrichtung

Bewegungsrichtung optische Achse

Detektionsbereich

Messsequenzen