HVG-Fortbildungskurs 2018 „Messtechnik für die ... · 1 ilis gmbh | Henkestr. 91 | 91052 Erlangen | +49 (9131) 9747790 | [email protected] | HVG-Fortbildungskurs 2018 „Messtechnik

1

ilis gmbh | Henkestr. 91 | 91052 Erlangen | +49 (9131) 9747790 | [email protected] | www.ilis.de

HVG-Fortbildungskurs 2018„Messtechnik für die

Qualitätssicherung bei der Behälterglasproduktion“

Messung von RestspannungenHenning Katte, ilis gmbh, Erlangen

2

© ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten www.ilis.de

2

Lichtwelle? Lichtbrechung?

optisch isotrop?

Spannungs-doppelbrechung?

polarisiertes Licht?

optischer Gangunter-

schied?

Temper-nummer?

Polarisations-winkel?

Polarimeter?Polariskop?

Viertelwellen-platte?

3


3

Was ist „Spannung“?

• Die mechanische Spannung ist ein Begriff aus der Festigkeitslehre, einem Teilgebiet der technischen Mechanik. Sie ist die Kraft pro Flächeneinheit, die in einer gedachten Schnittfläche durch einen Körper, eine Flüssigkeit oder ein Gas wirkt.

• Die mechanische Spannung hat dieselbe physikalische Dimension wie der Druck, nämlich Kraft je Fläche. Der Druck stellt einen Spezialfall der mechanischen Spannung dar.

• Als Maßeinheiten für mechanische Spannung sind in der Praxis Pascal bzw. Newton pro Quadratmeter (1 Pa = 1 N/m²), sowie davon abgeleitet Megapascalbzw. Newton pro Quadratmillimeter (1 MPa = 106 Pa = 1 N/mm²) üblich.

4


4

Licht und Brechzahl

• Licht ist eine elektromagnetische Welle, die Atomhüllen zum Schwingen anregt, was wiederum Licht erzeugt.

• Die Lichtgeschwindigkeit im Material ist abhängig von der Teilchendichte.

• Die Brechzahl ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten im Vakuum und im Material:n = c/v

• Gewöhnliches Glas: n ≈ 1,5

Wellenlänge

Nulldurchgang

5


5

Spannungsdoppelbrechung

• Mechanische Spannungen führen zur Verformung der Materialstruktur, verändern also die Teilchendichte und damit die Lichtgeschwindigkeit.

• Unterscheidet sich die Lichtgeschwindigkeit (und damit die Brechzahl) in den Raumrichtungen, ist ein Material doppelbrechend.

• Glas ist normalerweise optisch isotrop, wird unter Spannung aber doppelbrechend Spannungsdoppelbrechung

6


6

Lineare Polarisation von Licht

• Schwingt das elektrische Feld des Lichts nur in einer Ebene, spricht man von linear polarisiertem Licht.

• Ein (Linear-)Polarisator lässt nur solche Lichtwellen passieren, die parallel zu seiner optischen Achse orientiert sind, erzeugt also linear polarisiertes Licht.

7


7

Zirkulare und elliptische Polarisation

• In einem doppelbrechenden Material breiten sich die Lichtwellen in horizontaler und vertikaler Richtung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus, es kommt zu einem optischen Gangunterschied.

• Linear polarisiertes Licht verlässt ein doppelbrechendes Material als Überlagerung von zwei aufeinander senkrecht stehenden Lichtwellen unterschiedlicher Phasenlage.

• Wenn der Gangunterschied genau ein Viertel der Wellenlänge beträgt, ist das Licht zirkular polarisiert.

• Im allgemeinen Fall ist das austretende Licht elliptisch polarisiert.

• Die Elliptizität ist ein Maß für die Spannungsdoppelbrechung.

8


8

Optischer Gangunterschied

Zusammenhang zwischen Elliptizität und optischem Gangunterschied

9


9

Polariskop vs. Polarimeter

Polariskope visualisieren Spannungen durch Interferenzfarben (neutrale Bereiche rot-violett, Bereiche mit Spannungen blau und gelb).

Polariskope erlauben eine schnelle Beurteilung von Spannungen, aber keine genaue Messung.

Polarimeter erlauben die Messung an einem bestimmten Messpunkt nach demSénarmont-Verfahren.

10


10

Polariskop – Aufbau und Funktionsprinzip

Vollwellenplatte

Lichtquelle

Polarisator

Probe

Polarisator (gekreuzt)

Detektor• Polariskope mit zwei gekreuzten Polarisatoren

zeigen bei doppelbrechenden Materialien und weißer Lichtquelle farbige Bilder.

• Spannungsdoppelbrechung erzeugt elliptisch polarisiertes Licht, welches den zweiten Polarisator zum Teil passiert. Der Grad der Auslöschung ist sowohl von der Doppelbrechung als auch von der Wellenlänge abhängig.

• Wird aus dem Spektrum eine Farbe heraus-gefiltert, nimmt das Restlicht die Komplemen-tärfarbe an. Diese Interferenzfarbe kann mit Hilfe von Farbskalen in Verzögerungen übersetzt werden.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 nm

11


11

Vollwellenplatte (Rot 1. Ordnung)

• Bei geringen Verzögerungen (< 300 nm) ist das Bild nicht farbig; verschiedene Verzögerungen verursachen unterschiedliche Grauwerte.

• Durch Hinzufügen einer Vollwellenplattekann die Verzögerung in einen Bereich verschoben werden, der besser auswertbar ist, z.B. um 550 nm.

• Negative Gangunterschiede erscheinen dann in gelb und positive Werte in blau. Neutrale Bereiche sind rot-violett.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 nm

12


12

Vollwellenplatte – Erklärung

a) Ohne Probe ändert sie am Licht mit 550 nmWellenlänge nichts; Licht anderer Wellenlängen wird jedoch elliptisch polarisiert und teilweise vom Polarisator durchgelassen. Das Spektrum ohne grünes Licht ist rot-blau (violett).

b) Addiert sich durch die verspannte Probe eine weitere Verzögerung (zum Beispiel 550+100 = 650 nm), wird rotes Licht herausgefiltert, das Restlicht ist also türkis.

c) Ist die Verzögerung durch die Probe negativ (z.B. Zug- statt Druckspannung) ergibt sich statt türkiseine gelbe Farbe.

a) ohne Probe

b) Probe mit positivem Gangunterschied

c) Probe mit negativem Gangunterschied

Polarisator

Probe

Vollwellenplatte

13


13

Polarimeter – Aufbau und Funktionsweise

• Der Polarimeter-Aufbau ist dem Polariskop-Aufbau sehr ähnlich, statt einer Vollwellenplatte kommt jedoch eine Viertelwellenplatte zum Einsatz und der zweite Polarisator (Analysator) ist drehbar angeordnet.

• Eine Viertelwellenplatte besteht aus doppelbrechendem Material und erzeugt einen Gangunterschied von einem Viertel der Wellenlänge (deshalb /4-Platte).

• Linear polarisiertes Licht, dass in einem Winkel von 45° zu den optischen Achsen einstrahlt, wird in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt.

• Umgekehrt wird elliptisch polarisiertes Licht durch die /4-Platte wieder in linear polarisiertes Licht umgewandelt, allerdings mit einem anderen Polarisationswinkel.

Viertelwellenplatte (Retarder)

Lichtquelle

Polarisator

Probe

Analysator (drehbar)

Detektor

14


14

Polarimeter – Sénarmont Messprinzip

• Bei Betrachtung durch einen zur ursprünglichen Polarisationsrichtung gekreuzten Polarisator erscheinen verspannte Bereiche der Probe als aufgehellte Stellen im sonst schwarzen Sichtfeld.

• Der Polarisationswinkel beschreibt die Elliptizität des aus der Probe austretenden Lichts, ist also ein Maß für die Doppelbrechung und damit für die Spannung im Material.

• Der Polarisationswinkel wird gemessen, indem man den Analysator solange dreht, bis der aufgehellte Bereich maximal dunkel ist.

15


15

Polarimeter – Veranschaulichung

16


16

Verwendete Messeinheiten

• Aus dem Polarisationswinkel lässt sich der optische Gangunterschied R in nmnach folgender Formel berechnen:

R = · / 180° ( = verwendete Wellenlänge in nm)

• Wenn die Doppelbrechung entlang des Messstrahls homogen ist, kann der normierte Gangunterschied N in nm/cm berechnet werden:

N = R · (10 / d) (d = Probendicke in mm)

• Im Fall von Membranspannungen (und nur dann), kann der optische Gangunterschied in die Spannung S in MPa umgerechnet werden, sofern der fotoelastische Koeffizient (eine Materialkonstante) bekannt ist:

S = R / (d · C) (C = fotoelastischer Koeffizient in TPa-1)

17


17

Tempergrad (ASTM C148)

• Um Restspannungen in Behältergläsern zu quantifizieren, definiert die US-amerikanische Norm ASTM C148 die Einheit scheinbarer Tempergrad (apparent temper number), der auf den Gangunterschied einer sogenannten Strain Disk (die ursprünglich zum visuellen Vergleich verwendet wurden) zurückgeführt ist:

TA = R / 22,8 nm

• Bei Berücksichtigung der Probendicke (Boden- oder Wandstärke) d lässt sich der scheinbare Tempergrad in den realen Tempergrad (real temper number) umrechnen:

TR = TA · (4,06 mm / d) = (R / 22,8 nm) · (4,06 mm / d)

• Der Tempergrad wird laut Norm ganzzahlig aufgerundet angegeben. Der Wert 0,8 entspricht also Tempergrad 1 und der Wert 2,3 Tempergrad 3.

18


18

Automatische bildgebende Messung

• Automatische Bestimmung des Polarisationswinkels für jeden Bildpunkt (Sénarmont-Verfahren)

• Farbkodierte Darstellung der Messwerte

• Kombination von mehreren Messungen unter verschiedenen Polarisationen zur Vermeidung von „blinden Flecken“ und Bestimmung der Spannungsrichtung

StrainMatic® Bildgebendes Polarimetersystem

0°

30°

60°

19


19

Kontinuierliche Messung in Echtzeit

• Drehbarer Analysator ersetzt durch eine spezielle Polarisationskamera ohne bewegliche Elemente

• Messung in Echtzeit (>20 Hz), auch an bewegten Objekten und direkt im Prozess

• Messung mit zirkular polarisiertem Licht ermöglicht Bestimmung von korrektem Betrag und Orientierung der Spannungen

StrainScope® Echtzeit-Polarimeterlinear polarisiert zirkular polarisiert

20


20

Messung von Kühlspannungen

• Überwachung der Restspannungen nach dem Entspannungsprozess

StrainScope® S3/180 annealing tester

21


21

Durchführung der Messung

• Die höchsten Spannungen sind im Kontaktbereich zum Förderband zu erwarten

• Die Messung erfolgt deshalb i.d.R. im Bodenbereich

• Als Messeinheit wird meist der reale Tempergrad oder nm/cm verwendet

22


22

Abhängigkeit von der Kühlbahnposition

linke Kühlofenseite rechte KühlofenseiteKühlofen-Mitte

23


23

Abhängigkeit von der Formgebung

0,50

0,70

0,90

1,10

1,30

1,50

1,70

1,90

1 2 3 6 7 8 9 10 11 13 16 17 18 19 22 23 24 25 26 28 29 30 32 33 36 38 39 40 41 44

mould number

ap

pare

nt

tem

per

nu

mb

er

minimum maximum averageMittlerer Tempergrad und Varianz in Abhängigkeit von der Formnummer

• Das Restspannungsniveau korreliert im Mittel auch mit der Position in der IS-Maschine

• Mögliche Einflussfaktoren:• Formentemperatur

• Formenkühlung

• Entfernung zum Kühlofen

24


24

Messung von Schlierenspannungen

• Schlierenspannungen (engl. cord stress) entstehen durch Inhomogenitäten in der Glaszusammensetzung

StrainScope® S4/20 cord tester

25


25

Probenvorbereitung

• Aus dem zylindrischen Teil des Glasbehälters wird ein gleichmäßig dicker Ring (ca. 1 cm breit) herauspräpariert

• Durch Einschnitt des Rings werden umfängliche Kühlspannungen eliminiert

• Die Rauigkeit der Schnittkanten wird durch eine geeignete Immersionsflüssigkeit (DMP oder auch Speiseöl) optisch ausgeglichen

26


26

Durchführung der Messung

• Da Spannungsschlieren sehr dünn sein können, muss die Messung mit hoher Ortsauflösung erfolgen

• Das Messgerät betrachtet daher immer nur einen kleinen Ausschnitt der Probe

• Durch Drehen der Petrischale wird der Ring abgetastet und die maximale Zugspannung (rot dargestellt) identifiziert

• Die Messung der Spannung (in MPa oder psi) erfolgt automatisch und kontinuierlich

27


27

Untersuchung der Prüfmittelfähigkeit mittelsGage R&R-Analyse• Untersuchung der Wiederholbarkeit (Einfluss des Messgeräts) und

Reproduzierbarkeit (Einfluss des Bedieners)

• Empfehlung: Dreimalige Messung von 5 bis 10 Proben durch 3 Prüfer

• Wichtig: Die Proben müssen repräsentativ sein, also die Prozessstreubreite abbilden

• Ergebnis: Gesamtstreuung des Messsystems (Total Gage R&R)

R&R < 10% Messsystem ist sehr gut geeignet

10% < R&R < 20% Messsystem ist gut geeignet

20% < R&R < 30% Messsystem ist bedingt geeignet

30% < R&R Messsystem ist nicht geeignet

28


28

Gage R&R Ergebnisse (normales Polarimeter)

29


29

Gage R&R Ergebnisse (StrainScope)

30


30

Zusammenfassung

• Automatische, bildgebende Polarimeter vereinfachen die Messung von Restspannungen in Behälterglas im Vergleich zu herkömmlichen Messmethoden (visuelles Polariskop bzw. Polarisationsmikroskop)

• Die Messung in Echtzeit ermöglicht eine schnelle, einfache und vor allem objektive Beurteilung der Qualität

• Für die verschiedene Messaufgaben (Kühlspannungen, Schlieren-spannungen) gibt es speziell angepasste Lösungen

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Noch Fragen?

Documents

HVG-Fortbildungskurs 2018 „Messtechnik für die ... · 1 ilis gmbh | Henkestr. 91 | 91052 Erlangen | +49 (9131) 9747790 | [email protected] | HVG-Fortbildungskurs 2018 „Messtechnik