Bekannte
Prüfverfahren
und Prüfvorrichtungen
basieren beispielsweise auf einer Durchleuchtung mittels Röntgenstrahlung,
mittels Ultraschall oder auf einer Betrachtung des Werkstücks im infraroten,
im für
das menschliche Auge sichtbaren, oder im ultravioletten Bereich,
wobei nicht jedes Prüfverfahren
für jeden
Werkstoff verwendbar ist.
Besondere
Schwierigkeiten ergeben sich bei der Prüfung von aus mehreren miteinander
verbundenen Schichten aus unterschiedlichen Materialien bestehenden
Werkstücken
auf Defektstellen, insbesondere bei Membran-Elektroden-Anordnungen, kurz
MEA, für
Brennstoffzellen. Defektstellen von MEAs können beispielsweise poröse Stellen,
durch eine oder mehrere Schichten verlaufende Risse, unvollständige Lamination
zwischen benachbarten Schichten, Delamination, Blasen, fehlendes
Material oder eine stellenweise fehlende Schicht, Dickenschwankungen
einer oder mehrerer Schichten oder deren Verbindungsbereiche, Positionierungsfehler einzelner
Schichten zueinander, Überlappungen, Faltungen
und dergleichen sein. Der Aufbau einer MEA ist in der
DE 102 004 019 475.0 beispielhaft
erläutert.
Die Herstellung von MEAs erfolgt in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess,
bei dem die jeweiligen Bestandteile der einzelnen Schichten der MEA
als Rollenware kontinuierlich zugeführt und miteinander laminiert
werden, so dass auch die MEA als Endlosware aus dem Herstellungsprozess
kontinuierlich ausgegeben wird, um in einem späteren Weiterverarbeitungsschritt
in Abschnitte zum Einbau in Brennstoffzellen zerteilt zu werden.
Dabei wäre
es besonders wünschenswert,
den kontinuierlichen Herstellungsprozess durch eine sofortige Qualitätskontrolle
während
oder direkt nach der Herstellung der MEA „inline" und in Echtzeit zu überwachen, um Fehlstellen und
deren Ursachen, beispielsweise eine in den Laminiervorgang hineinlaufende
Falte oder dergleichen in einer Schicht der MEA, welche die gesamte
Produktion zunichte machen können,
möglichst
rasch zu erkennen und um gegebenenfalls noch im laufenden Herstellungsprozess
Gegenmaßnahmen
einleiten zu können.
Eine
automatische Überwachung
der nach dem Laminieren aus der Laminiervorrichtung herauslaufenden
MEA gestaltet sich allerdings deshalb als schwierig, da die MEA
eine optisch tiefschwarze Oberfläche
aufweist, welche die Verwendung von im sichtbaren Bereich arbeitenden
Kameras oder dergleichen zur Qualitätskontrolle und Erkennung von Defektstellen
in der MEA unmöglich
macht. Darüber hinaus
bestehen die MEAs aus mehreren planparallel angeordneten und miteinander
verbundenen Schichten, deren Materialeigenschaften eine Prüfung mittels
Röntgenstrahlung
oder Ultraschall nicht zulassen. Deshalb wird angestrebt, Prüfungen und Qualitätskontrollen
bei MEAs mittels Beobachtungen und Messungen im infraroten Bereich
durchzuführen, insbesondere
durch Messung der Temperaturverteilung an einer oder mehreren Oberflächen des
Werkstücks,
wobei an Defektstellen mittels geeigneter Maßnahmen Temperaturunterschiede
im Vergleich zur Umgebung erzeugt und mittels zur Beobachtung und
Messung im infraroten Bereich geeigneter Sensorvorrichtungen aufgefunden
werden können.
Der Begriff Temperaturverteilung bedeutet dabei eine Vielzahl von
jeweils finiten Flächenelementen
an der Werkstückoberfläche zuordenbaren
einzelnen Temperaturen.
In
der
DE 102 004 019 475.0 wird
vorgeschlagen, elektrische Defektstellen in einer MEA durch Thermographie
aufzufinden, indem zwischen Anode und Kathode der MEA eine Spannung
angelegt wird, wobei an einer elektrischen Defektstelle in der MEA
ein Kurzschluss entsteht und Wärme
frei wird. Der Temperaturunterschied an der Defektstelle zu der
umgebenden Oberfläche
kann durch Beobachtung im infraroten Bereich festgestellt und so
die Defektstelle lokalisiert werden. Nachteilig an dieser Anordnung
sowie dem zugehörigen
Verfahren ist, dass nur elektrische Defektstellen auffindbar sind. Darüber hinaus
kann keine Aussage über
die Lage der Defektstelle in der Tiefe des Werkstücks getroffen werden
und es besteht die Gefahr, bei einer zu hoch gewählten Spannung ein intaktes
Werkstück
vollkommen zu zerstören.
Aus
der
US 6,517,238 B2 ist
ein Verfahren zum Auffinden von senkrecht zu einer Oberfläche eines
Werkstücks
verlaufenden Rissen bekannt, bei dem ein Teil einer normal zu dem
Riss verlaufenden Oberfläche
des Werkstücks
kurzzeitig erwärmt,
und anschließend
an dieser oder an einer parallel zu der erwärmten Oberfläche verlaufenden
Oberfläche
des Werkstücks
beobachtet wird, wie sich die Wärme
parallel zu der Oberfläche
ausbreitet. Ein senkrecht zu der erwärmten Oberfläche verlaufender
Riss stört
dabei die Wärmeleitung
im Werkstück,
wodurch eine Abweichung von einem experimentell zu ermittelnden,
oder theoretischen, idealen Temperaturgradienten von dem erwärmten Teil
der Oberfläche
zu dem nicht erwärmten
Teil zu beobachten ist, woraus auf die Lage des Risses, sowie auf
dessen Erstreckung normal zur erwärmten Oberfläche rückgeschlossen werden
kann.
Nachteilig
an diesem Verfahren ist, dass es nicht zur Qualitätskontrolle
von in einem kontinuierlichen Prozess hergestellten Werkstücken in
dem oder im Anschluss an den Herstellungsprozess anwendbar ist.
Darüber
hinaus können
keine Aussagen über parallel
zu der erwärmten
Oberfläche
verlaufende Risse, Blasen, Überlappungen
und dergleichen getroffen werden.
Aus
der
US 5,711,603 ist
ein Verfahren zum Auffinden von parallel zu einer Oberfläche eines Werkstücks verlaufenden
Rissen bekannt, bei dem eine parallel zu dem Riss verlaufende Oberfläche kurzzeitig
erwärmt
wird, und anschließend
die Ausbreitung der Wärme
normal zu der erwärmten
Oberfläche
im Werkstück
durch Messung der Temperaturverteilung auf der zuvor erwärmten oder
einer dieser parallel gegenüberliegenden
Oberfläche
beobachtet wird. Eine Defektstelle, beispielsweise in Form eines Risses
oder einer Blase, erzeugt dabei durch Hemmung der Wärmeleitung
im Werkstück
eine an der Oberfläche
nachweisbare Temperaturerhöhung
oder -absenkung im Vergleich zu den umliegenden Bereichen an der
Oberfläche,
je nachdem auf welcher Seite des Werkstücks relativ zur erwärmten Oberfläche die
Temperaturmessung erfolgt. In Abhängigkeit von der verstrichenen
Zeit von der Erwärmung
bis zur Feststellung eines Temperaturunterschiedes kann dabei die
Tiefe der Defektstelle unter der erwärmten Oberfläche festgestellt
werden.
Nachteilig
an diesem Verfahren ist, dass zur Durchführung des Verfahrens ein relativ
langer Zeitraum benötigt
wird, während
dem das gesamte Werkstück
gleichzeitig verschiedenen Verfahrensschritten ausgesetzt ist, so
dass eine Verwendung zur Qualitätskontrolle
im Anschluss an einen kontinuierlichen oder zumindest ansatzweise,
beispielsweise im Sekundentakt kontinuierlichen Herstellungsprozess,
nicht oder nur unter permanentem Unterbrechen des Herstellungsprozesses
möglich
ist.
Aus
der
DE 697 04 571
T2 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Auffinden
und Lokalisieren von porösen
Stellen in einer MEA bekannt, bei dem beide Seiten der MEA mit jeweils
einem anderen Gas beaufschlagt werden, wobei beide Gase bei Kontakt
miteinander exotherm reagieren, so dass poröse Stellen durch Aufspüren der
exotherm freigesetzten Wärme
lokalisiert werden können.
Nachteilig
an diesem Verfahren ist, dass nur Defektstellen, an denen eine Verbindung
zwischen beiden Seiten der MEA vorhanden ist, aufgespürt werden
können.
Darüber
hinaus ist das durch den Umgang mit untereinander exotherm chemisch
reagierenden Gasen gefährliche
Verfahren wegen der notwendigen komplexen und zeitintensiven Vorbereitung
nicht geeignet, bei kontinuierlich hergestellten Werkstücken direkt
im Anschluss an deren Herstellungsprozess verwendet zu werden.
Aus
der
DE 101 50 633
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätskontrolle
von Schweißverbindungen
bekannt, bei dem eine Schweißverbindung
an ihrer Oberfläche
kurzzeitig erwärmt
wird, um anschließend
durch Beobachtung des zeitlichen Verlaufs der Temperaturverteilung
an der Oberfläche
der Schweißverbindung,
welche ein Maß für den Wärmeabtransport
oder den Wärmedurchgang
ist, Rückschlüsse auf
die Güte,
die Homogenität
und den Schweißlinsendurchmesser
ziehen zu können.
Nachteilig
hieran ist der diskontinuierliche Vorgang, bei dem zunächst die
gesamte Schweißverbindung
erwärmt
und anschließend
der zeitliche Verlauf der Temperaturverteilung an der Oberfläche beobachtet
werden muss, so dass eine Verwendung zur Qualitätskontrolle und Prüfung von
in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess hergestellten Werkstücken im
Anschluss an oder während
deren Herstellungsprozess nicht möglich ist.
Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Prüfvorrichtung
und ein Prüfverfahren zu
entwickeln, mit dem es möglich
ist, möglichst
viele verschiedenartige Defektstellen in einem Werkstück, insbesondere
einer MEA, während
oder direkt im Anschluss an dessen kontinuierlichen Herstellungsprozess
aufzufinden und zu lokalisieren.
Die
Aufgabe wird durch eine Prüfvorrichtung mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Prüfverfahren
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Die
erfindungsgemäße Prüfvorrichtung
nach Anspruch 1 weist gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass das Werkstück und die
Prüfvorrichtung
zur Durchführung
der Messung in einer Richtung parallel zu der wärmebeaufschlagten Oberfläche relativ
zueinander beweglich angeordnet sind. Dabei erstreckt sich die im
Infrarotbereich arbeitende Sensorvorrichtung in Relativbewegungsrichtung nach
der Wärmequelle
mindestens entlang einer Linie quer zur Relativbewegungsrichtung,
zur Messung der Temperaturverteilung entlang mindestens dieser, einen
in Relativbewegungsrichtung nur sehr schmalen und quer zur Relativbewegungsrichtung
mindestens einen Teil der Breite des Werkstücks einnehmenden Bereich umfassenden
Linie, in Echtzeit. In der mit der Sensorvorrichtung verbundenen
Auswertevorrichtung werden die kontinuierlich für jede Stelle entlang der Linie
gemessenen Temperaturen ständig mit
den gleichzeitig an benachbarten Stellen entlang der Linie gemessenen
Temperaturen wiederum in Echtzeit verglichen. Genauso ist es möglich, die nacheinander
an in Relativbewegungsrichtung benachbarten Stellen gemessenen Temperaturen
miteinander zu vergleichen, oder beides zu kombinieren. Unter dem
Begriff Stelle ist dabei nicht ein mathematischer Punkt, sondern
ein finites Flächenelement
an der Oberfläche
des Werkstücks
zu verstehen. Der Begriff kontinuierlich schließt eine Vielzahl von unmittelbar
aufeinander folgenden Einzelmessungen oder Abfragen, insbesondere
mittels einer elektronischen Datenverarbeitungsvorrichtung ein. Wegen
der Relativbewegung zwischen Prüfvorrichtung
und Werkstück
kann so nach Beobachtung über einen
bestimmten Zeitraum, während
dem sich das Werkstück
an der Prüfvorrichtung
vorbeibewegt, das gesamte Werkstück
temperaturbeaufschlagt und vermessen werden. Dabei kann die Auswertevorrichtung
bei einer erkannten Temperaturdifferenz zwischen benachbarten Stellen,
die eine Defektstelle anzeigt, die Defektstelle einem Ort in dem
Werkstück zuordnen.
Die Wärmequelle
ist dabei beispielsweise als eine das Werkstück berührende und sich über mindestens
einen Teil dessen Breite erstreckende, beheizte Walze ausgeführt, so
dass die der Wärmequelle
zugewandte Oberfläche
des relativ zu der Walze bewegten Werkstücks beim Rollen über die
Walze linienweise kurzzeitig erwärmt
wird. Anstelle einer Wärmebeaufschlagung
durch Wärmeleitung
mittels einer Walze ist es ebenso denkbar, die Wärmequelle als eine Strahlungsquelle
oder als ein Heiß-
oder Warmgasgebläse
auszuführen.
Darüber
hinaus ist denkbar, anstelle einer Wärmequelle eine Wärmesenke
zu verwenden, welche die Oberfläche
des Werkstücks
abkühlt.
Die Sensorvorrichtung kann dabei beispielsweise eine Infrarot-Kamera, ein Zeilendetektor
oder ein Punktdetektor oder eine Kombination von einem oder mehreren
derartigen Detektoren sein, die beispielsweise zu einem flächigen oder
entlang einer Linie angeordneten Sensorfeld verbunden sind.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung sieht vor, dass
die Sensorvorrichtung einen sich in Richtung der Relativbewegung
und mindestens über
einen Teil der Breite des Werkstücks
quer zur Relativbewegungsrichtung erstreckenden Bereich einnimmt.
Dabei ist die Länge des
Bereichs in Relativbewegungsrichtung so gewählt, dass eine, eine Defektstelle
im Werkstück
anzeigende, inhomogene Temperaturverteilung unabhängig von
der Tiefe, in der sich die Defektstelle unterhalb der zuvor wärmebeaufschlagten
Oberfläche befindet,
innerhalb des Bereichs auftritt, den die Sensorvorrichtung einnimmt,
wobei der Querschnitt, entsprechend der Linie quer zur Relativbewegungsrichtung,
in dem die inhomogene Temperaturverteilung von der Sensorvorrichtung
erkannt wird, aufgrund der – durch
die kontinuierliche Relativbewegung des Werkstücks von der Wärmequelle
bis zu dem von der Sensorvorrichtung eingenommenen Bereich – seit dem
Wärmeeintrag
verstrichenen Zeit, einer bestimmten Tiefe der Defektstelle im Werkstück zugeordnet
werden kann, so dass eine dreidimensionale Lokalisierung der Defektstelle
in der Fläche
und in der Tiefe möglich
ist. Durch Bestimmung der Lage der Defektstelle in der Tiefe des
Werkstücks
kann insbesondere bei mehrschichtig aufgebauten Werkstücken, wie
beispielsweise der MEA einer Brennstoffzelle, die Schicht, und damit
die Subkomponente, oder die Grenzfläche zwischen benachbarten Schichten
identifiziert werden, in welcher der die Defektstelle verursachende
Fehler liegt, so dass gegebenenfalls Rückschlüsse auf Fehler im Herstellungsverfahren
oder Herstellungsprozess gezogen und diese behoben werden können.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung sieht vor, dass
die Wärmequelle
und die Sensorvorrichtung in einem einstellbaren Abstand in Relativbewegungsrichtung voneinander
beabstandet angeordnet sind. Der Abstand zwischen Wärmequelle
und Sensorvorrichtung kann beispielsweise in Abhängigkeit von dem Werkstück, beispielsweise
dessen Aufbau, Dicke und Materialeigenschaft, insbesondere dessen
spezifischer Wärmekapazität, und/oder
der Relativgeschwindigkeit und/oder dem Wärmefluss von der Wärmequelle in
das Werkstück
und/oder der Anordnung der Sensorvorrichtung und/oder der Wärmequelle
relativ zum Werkstück,
verändert
werden. Dabei kann für
den Abstand zwischen Wärmequelle
und Sensorvorrichtung beispielsweise maßgeblich sein, ob die Sensorvorrichtung
auf der selben Seite des Werkstücks
angeordnet ist, wie der Wärmeeintrag
erfolgt (beispielsweise mittels Strahlung, Wärmeleitung oder Wärmeübergang),
wobei beispielsweise Temperatur und Wärmekapazität der Wärmequelle oder des Hilfsstoffes,
beispielsweise eines erwärmten
Gases, sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit
einen Einfluss auf den Abstand haben können.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung sieht vor, dass
die Sensorvorrichtung und die Wärmequelle
voneinander durch das Werkstück
getrennt auf gegenüberliegenden
Seiten des Werkstücks
angeordnet sind.
Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung
sieht vor, dass die Sensorvorrichtung und die Wärmequelle auf derselben Seite
des Werkstücks
angeordnet sind.
Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung
sieht vor, dass mindestens eine Sensorvorrichtung auf der der Wärmequelle
abgewandten, und mindestens eine Sensorvorrichtung auf der der Wärmequelle
zugewandten Seite des Werkstücks
angeordnet ist.
Eine
zusätzliche,
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ist gekennzeichnet
durch eine mit der Auswertevorrichtung verbundene Positionserkennungsvorrichtung,
beispielsweise einem Schrittgeber, zur Bestimmung der von einer
in dem Werkstück
lokalisierten Defektstelle seit der Lokalisierung zurückgelegten
Strecke relativ zu einem Bezugspunkt der Prüfvorrichtung.
Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung
ist gekennzeichnet durch eine von der Auswertevorrichtung steuerbare Markierungsvorrichtung,
zur Markierung einer lokalisierten Defektstelle auf der Werkstückoberfläche.
Eine
andere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung
ist gekennzeichnet durch eine von der Auswertevorrichtung steuerbare
Schneidevorrichtung zum automatischen Herausschneiden einer lokalisierten
Defektstelle aus dem Werkstück
oder eines die Defektstelle einschließenden, sich über die
Breite des Werkstücks
quer zur Relativbewegungsrichtung erstreckenden Abschnitts.
Eine
zusätzliche,
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung
sieht vor, dass das Werkstück
in einem mindestens zeitweise kontinuierlichen Prozess hergestellt wird,
wobei die Prüfvorrichtung
im Anschluss an eine das Werkstück
mindestens zeitweise kontinuierlich herstellende Herstellungsvorrichtung
am Austritt des endlosen Werkstücks
aus der Herstellungsvorrichtung zur „in line" Qualitätskontrolle angeordnet ist.
Das
Prüfungsverfahren
nach Anspruch 11 ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die
Verfahrensschritte:
- – Aufbringung eines zeitlich
konstanten, eine gleichmäßige Temperaturänderung
an einer Oberfläche
des Werkstücks
bewirkenden Wärmestromes
auf eine Oberfläche
des Werkstücks
in einem mindestens einen Teil der Breite des Werkstücks einnehmenden
Querschnitt senkrecht zu dieser Oberfläche,
- – kontinuierliche
Relativbewegung des Werkstücks
in einer Richtung senkrecht zu diesem Querschnitt in dem der Wärmestrom
auf dessen Oberfläche
aufgebracht wird und parallel zu der dem Wärmestrom ausgesetzten Oberfläche,
- – kontinuierliche
Messung der Temperaturverteilung an mindestens einer Oberfläche des
Werkstücks
entlang mindestens einer Linie quer zur Relativbewegungsrichtung
zwischen Werkstück und
der Wärmequelle
in Relativbewegungsrichtung nach dem Querschnitt, in dem der Wärmestrom
aufgebracht wird,
- – Weitergabe
der gemessenen Temperaturen an eine Auswertevorrichtung in Echtzeit,
- – Vergleich
von gleichzeitig an benachbarten Stellen auf der Oberfläche des
Werkstücks
entlang einer Linie quer zu der Relativbewegungsrichtung gemessenen
Temperaturen und/oder
- – Vergleich
von nacheinander an benachbarten Stellen auf der Oberfläche des
Werkstücks
entlang einer Linie parallel zu der Relativbewegungsrichtung gemessenen
Temperaturen,
- – Erkennung
einer Defektstelle anhand einer Abweichung zwischen den an mindestens
zwei benachbarten Stellen gemessenen Temperaturen, sowie
- – bei
Erkennung einer Defektstelle Ausgabe eines eine aufgefundene Defektstelle
anzeigenden Signals in Echtzeit.
Der
Wärmestrom
kann dabei ein positives oder negatives Vorzeichen aufweisen, also
eine Temperaturerhöhung
oder eine Temperaturabsenkung an der Werkstückoberfläche bewirken. Der Wärmestrom wirkt
mindestens auf den Teil der Breite des Werkstücks ein, über dem auch eine spätere, in
Relativbewegungsrichtung nach dem Einwirken des Wärmestroms
durchgeführte
Temperaturmessung erfolgt. Das Signal kann dabei ein Warnton, eine
Warnleuchte, eine Textnachricht auf einer Ausgabevorrichtung oder
dergleichen sein oder in Form eines Eingriffs auf den Herstellungsprozess
erfolgen.
Ein
solches Prüfverfahren
ist nicht nur auf die Verwendung in Verbindung mit MEAs oder deren Subkomponenten
beschränkt,
sondern kann auch zur Prüfung
anderer Komponenten einer Brennstoffzelle eingesetzt werden, beispielsweise
der Bipolarplatte, oder in anderen technischen Gebieten wie beispielsweise
Prüfung
der Folierung von Karosserieteilen, Prüfung von Verklebungen, Prüfung von
Faserverbundwerkstoffen, Prüfung
einer Lackierung, Prüfung
mehrschichtiger Bauteile, beispielsweise Holz-Formverleimungen, und dergleichen.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens ist gekennzeichnet durch
den zusätzlichen
Verfahrensschritt:
- – Messung der Temperaturverteilung
innerhalb eines sich in Richtung der Relativbewegung und mindestens über einen
Teil der Breite des Werkstücks
quer zur Relativbewegungsrichtung erstreckenden Bereichs.
Dabei
kann der innerhalb des Bereichs, in dem die Temperaturmessung erfolgt,
liegenden und quer zur Relativbewegungsrichtung verlaufenden Linie,
entlang der eine inhomogene Temperaturverteilung feststellbar ist,
einem bestimmten Zeitraum seit dem Einwirken des Wärmestromes
auf die Oberfläche
des Werkstücks
nach Passieren des Querschnitts, in dem der Wärmestrom auf diesen Teil der Oberfläche eingewirkt
hat, zugeordnet werden. Dieser Zeitraum ist wiederum ein Maß für die Lage
der Defektstelle in der Tiefe des Werkstücks unterhalb des Orts des
Auftretens der Inhomogenität
an der Oberfläche
des Werkstücks.
Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens
ist gekennzeichnet durch einen oder mehrere der folgenden, zusätzlichen
Verfahrensschritte:
- – kontinuierliche Zuführung eines
in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess hergestellten Werkstücks zu dem
Querschnitt, in dem der Wärmestrom
aufgebracht wird sowie zu der Messung der Temperaturverteilung „in line" im Anschluss an den
Herstellungsprozess,
- – Erkennung
einer Defektstelle anhand einer Abweichung der Temperatur an einer
Stelle der Oberfläche
des Werkstücks
von einem Soll-Wert,
- – automatische
Markierung einer lokalisierten Defektstelle auf einer Oberfläche des
Werkstücks,
- – automatisches
Herausschneiden einer lokalisierten Defektstelle oder eines die
Defektstelle beinhaltenden Abschnitts aus dem Werkstück,
- – Klassifizierung
der Defektstelle anhand deren Lage in der Fläche und/oder Tiefe des Werkstücks,
- – Speicherung
und/oder Ausgabe der Klasse der Defektstelle,
- – Ausgabe
des Orts an dem die Defektstelle in dem Werkstück gefunden wurde in zwei-
oder dreidimensionalen Koordinaten.
Eine
Klassifizierung der Defektstellen kann beispielsweise anhand der
Lage der Defektstelle in der Tiefe des Werkstücks erfolgen, entsprechend
in einer bestimmten Schicht der MEA oder an einer Verbindungsstelle
zwischen benachbarten Schichten, und/oder anhand der Abmessungen
der Defektstelle und/oder anhand deren Lage in der Fläche, beispielsweise
am Rand oder in der Mitte, im Dichtungs- oder im Portbereich mit
abweichender Struktur oder Stärke
der MEA.
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
Die
in 1 gezeigte Prüfvorrichtung 1 besteht
aus einer Wärmequelle 2,
einer im Infrarotbereich arbeitenden Sensorvorrichtung 3,
sowie einer mit der Sensorvorrichtung verbundenen Auswertevorrichtung 4,
welche in Relativbewegungsrichtung R beweglich zu einem Werkstück 5 angeordnet
ist. Bei dem Werkstück 5 handelt
es sich um eine Membran-Elektroden-Anordnung 6, die durch
planparalleles Laminieren mehrerer Schichten miteinander in einem
kontinuierlichen Herstellungsprozess hergestellt wird, in dessen
Anschluss die Prüfvorrichtung 1 angeordnet
ist, so dass sich die MEA 6 in Relativbewegungsrichtung
R kontinuierlich an der Wärmequelle 2 und
der Sensorvorrichtung 3 vorbeibewegt. Die Wärmequelle 2 verfügt über eine
quer zur Relativbewegungsrichtung drehbar angeordnete Walze 7, über welche
die MEA 6 hinwegrollt, so dass die Walze 7 und
die MEA 6 einander berühren.
Die Wärmequelle 2 überträgt dabei
den konstanten Wärmestrom
Q auf die Oberfläche 8 des
Werkstücks 2,
so dass dieses kurzzeitig an seiner Oberfläche 8 über seine
gesamte Breite quer zur Relativbewegungsrichtung R entlang der Kontaktlinie 9 mit
der Walze 7 auf eine entlang der Kontaktlinie 9 konstante
Temperatur erwärmt oder
abgekühlt
wird, je nach Vorzeichen des Wärmestroms
Q. Bis eine zuvor durch die Walze 7 erwärmte Stelle an der Oberfläche 8 des
Werkstücks 5 die
Sensorvorrichtung 3 passiert, breitet sich die Wärme in dem
Werkstück 5 nach
den Gesetzmäßigkeiten
der Wärmeleitung
aus, wobei Defektstellen im Werkstück 5, insbesondere
in der mehrschichtigen MEA 6, die Wärmeleitung im Werkstück 5 beeinträchtigen
oder hemmen, so dass an der zuvor erwärmten Oberfläche 8 an
einer Defektstelle im Vergleich zu den quer zur Relativbewegungsrichtung
R benachbarten Stellen eine andere, bei einer Erwärmung an
der Walze 7 erhöhte
Temperatur messbar ist. Die Sensorvorrichtung 3 ist zur
Messung dieser Temperaturverteilung an der Oberfläche 8 als
Infrarotkamera 10, Sensorfeld 11 oder als entlang
einer Linie quer zur Relativbewegungsrichtung angeordnete Punktdetektoren 12 ausgeführt. Die
Sensorvorrichtung 3 gibt die gemessene Temperaturverteilung
an die als Computer ausgeführte
Auswertevorrichtung 4 weiter, welche in Echtzeit durch
Temperaturunterschiede zwischen gleichzeitig erwärmten Stellen beim Passieren
der Sensorvorrichtung 3 Defektstellen in dem Werkstück 5 auffindet
und lokalisiert. Die Sensorvorrichtung 3 befindet sich
dabei in einem definierten, aber anpassbaren Abstand S zu der Wärmequelle 2.
Durch Veränderung
des Abstands S, dem Wärmestrom
Q und der Relativbewegungsgeschwindigkeit lässt sich eine Anpassung der
Prüfvorrichtung 1 an
die Eigenschaften, die Geometrie und den Aufbau des Werkstücks erreichen.
Die Wärmequelle 2 hat
dabei die Aufgabe, das Werkstück 5 lokal
oder flächig
kurzzeitig zu erwärmen,
wobei das Werkstück
nicht „isotherm" bis zu einer konstanten
Gleichgewichtstemperatur aufgeheizt werden soll, sondern nur an
seiner Oberfläche 8 eine
Temperaturerhöhung
zu erfahren, die dann aufgrund der Gleichgewichtsbedingung durch
Wärmeleitung
in dem Werkstück 5 einen
dynamischen Vorgang einleitet, bei dem sich die Wärme in dem Werkstück 5,
insbesondere in dessen Tiefe ausbreitet. Zur Übertragung des Wärmestroms
Q kommen alle aus der Thermodynamik bekannten Vorgänge in Frage,
wie Strahlung, Wärmeleitung
und Wärmeübergang.
Dabei ist nicht zwingend eine Aufheizung des Werkstücks 5 erforderlich,
sondern es ist auch eine Abkühlung
möglich.