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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Eindruckoberfläche eines
Eindrucks in einem Untersuchungsmaterial bei Härteprüfungen. Hierbei ist der Eindruck
in der Oberfläche
des Untersuchungsmaterials vorhanden und weist insbesondere seitliche
Eindruckflächen
auf. Zum Bestimmen der Eindruckoberfläche wird von einem Bereich
des Eindrucks und der Oberfläche
des Untersuchungsmaterials ein digitales Bild erzeugt.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen der
Eindruckoberfläche
eines Eindruckes in einem Untersuchungsmaterial zur Härteprüfung. Gattungsgemäße Vorrichtungen
weisen eine digitale Kamera zum Erzeugen eines Bildes des Eindrucks
und der Oberfläche
des Untersuchungsmaterials auf. Außerdem ist eine Beleuchtungseinrichtung
vorgesehen, die zum Beleuchten des Bereichs ausgelegt ist, von dem
die digitale Kamera ein Bild erzeugt. Zum Ermitteln der Eindruckoberfläche und
zum Steuern der digitalen Kamera sowie der Beleuchtungseinrichtung
ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung
vorhanden.
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Eine
Härteprüfung wird
beispielsweise in der Qualitätssicherung
durchgeführt,
um festzustellen, ob die untersuchten Materialien die erforderlichen Qualitätsstandards
erfüllen.
Grundsätzlich
wird bei einer Härteprüfung die
mechanische Festigkeit von zu untersuchenden Materialien ermitteln.
Hierbei wird meist ein Eindringkörper
in das zu untersuchende Material mit einer definierten Kraft eingedrückt. Anschließend wird
je nach verwendeten Prüfverfahren
beispielsweise gemessen, wie tief der Eindringkörper eingedrungen ist oder
wie groß die
Eindruckoberfläche
auf dem Untersuchungsmaterial ist.
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Bei
der Vermessung der Eindruckoberfläche, beispielsweise bei einer
Prüfung
nach Vickers oder Brinell, wird unter Zuhilfenahme einer mikroskopähnlichen
Optik ein digita les Bild des Eindrucks erzeugt. Dieses Bild wird
anschließend
mittels einer Bildverarbeitung und Bildanalyse ausgewertet, um die
Eindruckoberfläche
des Eindruckes zu ermitteln.
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Idealerweise
ist das Untersuchungsmaterial poliert. Somit erscheint das Material
selbst hell und die Vertiefung auf dem digitalen Bild dunkel. Hierdurch
ist ein großer
Kontrast vorhanden, so dass zumindest theoretisch die Eindruckobertläche des
Eindrucks relativ genau vermessen werden kann. Jedoch unterscheiden
sich die real erzeugten Eindrücke
von dem theoretischen Bild eines idealen Eindrucks, der eine scharfe
Kante aufweist. Der reale Eindruck weicht abhängig vom Untersuchungsmaterial,
dessen Oberflächenbeschaffenheit
und der aufgewendeten Kraft deutlich vom zuvor beschriebenen Idealbild
ab. Derartige Abweichungen sind beispielsweise in seitlichen Verwerfungen
oder unregelmäßigen Rändern zu
sehen. Hierdurch ist es relativ kompliziert, die exakte Oberfläche des
Eindruckes zu bestimmen.
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Neben
der Thematik der Analyse dieser Unregelmäßigkeiten tritt zusätzlich das
Problem auf, dass beispielsweise beim Testen von Oberflächenbeschichtungen
aus Titan nur mit sehr geringen Eindringtiefen getestet wird. Die
durch einen Eindringkörper
bei einer bestimmten Eindringtiefe erzeugte Eindruckobertläche hängt maßgeblich
von der Eindringtiefe ab, so dass bei sehr geringen Eindringtiefen
auch die Eindruckoberfläche äußerst gering
ist. Bei Tests von Oberflächenbeschichtungen
wird beispielsweise lediglich mit Kräften gearbeitet, die Gewichten
im Bereich von 10 bis 50 g entsprechen. Daher ist die Eindringtiefe
wie auch die Eindruckoberfläche
meist äußerst gering.
Demnach ist zum Ermitteln der Eindruckobertläche eine sehr hohe Messgenauigkeit
notwendig, da bereits Abweichungen von wenigen Mikrometern deutliche
Unterschiede in dem ermittelten Härtegrad zur Folge hätten.
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Bei
einer Titanbeschichtung entstehen beispielsweise beim Durchführen eines
Härtetests
nach Brinell am Rand des Eindrucks leichte Unregelmäßigkeiten
in einer Größenordnung
von ca. 0,3 μm.
Da allerdings das optische Auflösungsvermögen des
digitalen Bildes durch die mikroskopartige Optik und aufgrund der
Wellenlänge
des Lichtes bei ca. 1 μm liegt,
ist ein Erkennen und Analysieren der Unregelmäßigkeiten äußerst schwierig. Hierdurch
kann nur relativ schwer der exakte Schnittpunkt des Eindruckes mit
der Oberfläche
des Untersuchungsmaterials ermittelt werden, da die Unregelmäßigkeiten
eigentlich zu berücksichtigen
wären.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren anzugeben, welches
ein genaues Bestimmen der Eindruckoberfläche eines Eindrucks ermöglicht.
Außerdem
soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit der ein genaues
Bestimmen der Eindruckoberfläche
möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird in einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung durch ein
Verfahren zum Bestimmen der Eindruckoberfläche eines Eindrucks in einem
Untersuchungsmaterial bei Härteprüfungen mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine
Vorrichtung zum Bestimmen der Eindruckoberfläche eines Eindrucks in einem
Untersuchungsmaterial bei Härteprüfungen gemäß dem Anspruch
10 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung sowie den Figuren und deren Erläuterungen angegeben.
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Gemäß dem Anspruch
1 wird zum Bestimmen der Eindruckoberfläche des Eindrucks in einem Untersuchungsmaterial
bei Härteprüfungen mindestens
ein weiteres Bild in einer zum ersten Bild unterschiedlichen Fokussierungsebene
erzeugt. Basierend auf den nun vorhandenen mindestens zwei Bildern
in jeweils unterschiedlichen Fokussierungsebenen werden nun die
Schnittkanten zwischen der Oberfläche des Untersuchungsmaterials
und dem Eindruck ermittelt, um die Eindruckoberfläche zu bestimmen.
Hierbei ist es nicht erforderlich, dass die Schnittkanten kontinuierlich
entlang des gesamten Eindrucks ermittelt werden, sondern auch eine
lediglich punktuelle Ermittlung ist ausreichend.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, mindestens
ein weiteres Bild mit einer unterschiedlichen Fokussierungsebene
zur Auswertung der Eindruckoberfläche heranzuziehen. Als Fokussierungsebene
kann im Sinne der Erfindung eine virtuelle Ebene verstanden werden.
Beim Erzeugen eines Bildes in dieser Fokussierungsebene ist der
Bereich der virtuellen Ebene scharf dargestellt, wohingegen andere
Bildbereiche unscharf dargestellt sein können. Die anderen Bildbereiche
liegen näher
oder weiter weg zu der verwendeten Optik im Vergleich zu der Fokussierungsebene.
Da die anderen Bildbereiche unscharf sind, können sie nur bedingt zur Bewertung
und Analyse der Eindruckoberfläche
herangezogen werden.
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Durch
das Verwenden von zwei Bildern, die jeweils einen unterschiedlichen
Bereich des Untersuchungsmaterials bzw. des Eindrucks scharf darstellen,
ist es möglich,
weitere Informationen über
den Verlauf der Eindruckflächen
und des zu untersuchenden Materials bzw. dessen Oberfläche zu ermitteln. Anhand
dieser Daten können
dann die Schnittkanten zwischen der Oberfläche des Untersuchungsmaterials
und dem Eindruck genauer bestimmt werden, da die zuvor beschriebenen
Unregelmäßigkeiten
anhand der zusätzlichen
Informationen herausgerechnet bzw. vernachlässigbar werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird mindestens ein Oberflächenbild in einer Fokussierungsebene
erzeugt, welche im Wesentlichen eine scharfe Darstellung der Oberfläche des
Untersuchungsmaterials ermöglicht.
Dieses Oberflächenbild
wäre grundsätzlich zur
Auswertung der Eindruckoberfläche
ausreichen, würden
keinerlei Unregelmäßigkeiten
am Rand des Eindrucks vorliegen.
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Des
Weiteren wird mindestens ein, in einer vorteilhaften Ausführungsform
mindestens zwei, Eindruckbilder in jeweils unterschiedlichen Fokussierungsebenen
erzeugt. Diese Fokussierungsebenen sind derart eingestellt, dass
sie im Wesentlichen eine scharfe Darstellung von mindestens zwei
unterschiedlichen Bereichen des Eindrucks ermöglichen. Anschließend wird
basierend auf den bevorzugt mindestens zwei Eindruckbildern der
Verlauf der Eindruckflächen
ermittelt.
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Zum
Ermitteln der Eindruckflächen
kann auch das Oberflächenbild
hinzugezogen werden. Abschließend
werden basierend auf dem Oberflächenbild
und dem ermittelten Verlauf der Eindruckflächen die Schnittkanten zwischen
der Oberfläche
und dem Eindruck errechnet. Anhand der Schnittkanten kann dann die
Eindruckoberfläche
bestimmt werden.
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Die
verschiedenen Eindruckbilder ermöglichen
jeweils unterschiedliche scharfe Darstellungen von definierten Fokussierungsebenen
des Eindruckes. Da die grundsätzliche
Geometrie des Eindringkörpers
bekannt ist, kann basierend auf den Eindruckbildern beispielsweise über Interpolation
der Verlauf der Eindruckflächen
ermittelt werden. Hierzu wird beispielsweise auf jedem Eindruckbild,
mittels einer Bildanalyse die Position der Eindruckflächen ermittelt
bzw. die Position eines Teilbereichs der Eindruckflächen, welche
in der Fokussierungsebene, mit dem das Eindruckbild erzeugt wurde,
scharf dargestellt sind. Unter Berücksichtigung dieser ermittelten Positionen
und der bekannten Fokussierungsebene kann dann der Verlauf der Eindruckoberfläche bestimmt
werden.
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In ähnlicher
Weise ist es möglich,
auf dem Oberflächenbild
den Verlauf der Oberfläche
zu ermitteln. Hierzu ist aber grundsätzlich nur ein Oberflächenbild
notwendig, da durch eine Einstellung der Fokussierungsebene bereits
die relative Position der Oberfläche
des Untersuchungsmaterials, welche angenähert eine ebene Fläche darstellt,
bekannt ist. Basierend auf diesen Informationen können dann
die Schnittkanten oder Punkte der Oberfläche mit dem Eindruck beispielsweise
durch mathematische Methoden ermittelt werden.
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Prinzipiell
können
die Eindruckbilder mit beliebigen Fokussierungsebenen erzeugt werden,
die jeweils eine im Wesentlichen scharfe Darstellung eines Bereichs
des Eindrucks ermöglichen.
Bevorzugt ist jedoch, wenn ein Eindruckbild in einer Fokussierungsebene
erstellt wird, die eine im Wesentlichen scharfe Darstellung des
tiefsten Bereichs des Eindrucks ermöglicht. Wenn die Form des Eindruckkörpers bekannt
ist, gibt es den Vorteil, dass, ausgehend von dem tiefsten Bereich,
eine einfache Analyse und Bestimmung des Verlaufs der Eindruckflächen möglich ist.
Hierbei ist auch zu berücksichtigen,
dass oft die Eindruckkörper
derart ausgelegt sind, dass die tiefste Stelle des Eindrucks mittig
in Bezug auf die Eindruckoberfläche
ausgeprägt
wird. Diese zusätzliche
Information kann bei der Berechnung des Verlaufs der Eindruckflächen ebenfalls
berücksichtigt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden mehrere Oberflächenbilder
und/oder Eindruckbilder in derselben Fokussierungsebene erzeugt,
wobei die Bilder mit einer jeweils unterschiedlichen Beleuchtung
der Oberfläche
des Untersuchungsmaterials bzw. des Eindruckes erzeugt werden. Eine
Möglichkeit
ist hierbei zum Erzeugen der Bilder mit unterschiedlicher Beleuchtung
das Zentrum der ausgeleuchteten Fläche jeweils zu variieren. Des
Weiteren kann die Position der Lichtquelle relativ zu dem Eindruck
verändert werden,
so dass ebenfalls eine unterschiedliche Beleuchtung vorliegt.
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Vorteilhaft
an dem Erzeugen von Bildern mit unterschiedlichen Beleuchtungen
ist, dass je nach Lage des Zentrums der ausgeleuchteten Fläche, Polarisierung
des Lichts, Position und Art der Quelle des Lichts oder ähnlichen
Variablen unterschiedliche Schatten und Lichtreflexe auf der Oberfläche des
Untersuchungsmaterials und dem Eindruck sichtbar sind. Diese zusätzlichen
Merkmale können
sowohl zum Bestimmen des Verlaufes der Eindruckflächen wie
auch der Oberfläche
verwendet werden. Dieses Ermitteln wird zusätzlich erleichtert, wenn mitberücksichtigt
wird, bei welcher Beleuchtung das Bild jeweils erzeugt wurde.
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Grundsätzlich sind
zum Variieren der Beleuchtung verschiedene Möglichkeiten denkbar. Beispielsweise
kann eine Lichtquelle geschwenkt werden. Besonders vorteilhaft ist
jedoch, wenn mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, die flexibel
angesteuert werden können.
Es ist beispielsweise denkbar, fünf
Lichtquellen kreuzartig anzuordnen, so dass durch die Ansteuerungen
der einzelnen Lichtquellen unterschiedliche Beleuchtungsmuster erzeugt
werden können.
Diese Lichtquellen können
auch derart angesteuert werden, dass es zu einem Beleuchtungsmuster
führt,
welches durch das Verschwenken lediglich einer Lichtquelle entstehen
würden.
Hierbei kann beispielsweise die Intensität der Lichtquelle oder auch
die Lichtfarbe sowie die Lichttemperatur variiert werden.
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Zum
Ermitteln des Verlaufs der Eindruckflächen und/oder der Oberfläche werden
Muster auf den erzeugten Bildern ausgewertet. Hierbei können beispielsweise
Konturen, Hell-Dunkel-Verläufe, Schatten,
eine Arealbetrachtung und/oder der Gesamteindruck zur Auswertung
herangezogen werden. Ebenso ist es möglich, die Fokussierungsebenen
und damit den Abstand der scharfen Bereiche der Bilder zu einem
Referenzpunkt in die Beurteilung mit einfließen zu lassen. Des Weiteren
ist es auch möglich,
Unregelmäßigkeiten
auf der Oberfläche
bei der Auswertung zu berücksichtigen.
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Grundsätzlich kann
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Ermittlung der Eindruckoberfläche für beliebige Härteprüfverfahren
durchgeführt
werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch bei der Härteprüfung nach
Vickers oder Brinell, bei der eine gleichseitige Pyramide bzw. eine
Kugel als Eindringkörper
verwendet wird. Das verwendete Prüfverfahren kann auch bei der
Errechnung der Schnittkanten und des Verlaufs der Eindruckflächen berücksichtigt
werden, wodurch zusätzliche
Informationen zur Berechnung zur Verfügung stehen.
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Erfindungsgemäß kann eine
gattungsgemäße Vorrichtung
zur Bestimmung der Eindruckoberflächen eines Eindrucks in einem
Untersuchungsmaterial bei Härteprüfungen derart
weitergebildet werden, dass die Kamera zum Erzeugen von Bildern
in unterschiedlichen Fokussierungsebenen eingerichtet ist. Hierzu
kann beispielsweise eine entsprechende Optik vorgesehen werden.
Ferner ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der
Eindruckoberfläche
basierend auf den von der digitalen Kamera erzeugten Bilder ausgelegt.
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Meist
wird zum Erzeugen der Bilder durch die digitale Kamera eine mikroskopähnliche
Optik oder eine Mikroskopoptik verwendet, über die erfindungsgemäß unterschiedliche
Fokussierungsebenen einstellbar sind. Als Fokussierungsebene können im
Rahmen der Erfindung virtuelle Ebenen auf der Oberfläche oder
dem Eindruck verstanden werden, die im Unterschied zum restlichen
Bereich des Bildes scharf abgebildet sind und so eine Analyse dieser
scharfen Bereiche zulassen. Bei der Ermittlung der Eindruckoberfläche kann
die Steuer- und Auswerteeinheit zusätzlich zu den von den erzeugten Bildern
stammenden Informationen auch die verwendete Fokussierungsebene
berücksichtigen,
da hierdurch der Abstand relativ zur Optik bekannt ist.
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Die
Steuer- und Auswerteeinheit kann als speziell für diesen Zweck aufgebaute und
konstruierte Rechen- und Steuereinheit ausgeführt sein. Es ist aber ebenso
möglich,
die Funktionen der Steuer- und Auswerteeinheit durch einen angeschlossenen Rechner
beispielsweise einen PC zu verwirklichen, auf dem eine entsprechende
Software installiert ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung zum Ermitteln des Verlaufs
der Eindruckflächen
ausgelegt. Dieser Verlauf wird basierend auf Bildern, welche in
unterschiedlichen Fokussierungsebenen erzeugt wurden, bestimmt.
Auf Grundlage des ermittelten Verlaufs der Eindruckflächen des
Eindrucks kann die Steuer- und Auswerteeinheit dann zum Errechnen
der Schnittkanten zwischen der Oberfläche und dem Eindruck verwendet
werden. Diese Schnittkanten müssen nicht
zwingend kontinuierlich bestimmt werden, sondern eine punktuelle
Ermittlung ist abhängig
von der vorliegenden Eindruckoberfläche bereits ausreichend.
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Um
neben Bildern in unterschiedlichen Fokussierungsebenen weitere unterschiedliche
Bilder erzeugen zu können,
welche zur Ermittlung des Verlaufs der Eindruckflächen, der
Lage der Oberfläche des
Untersuchungsmaterials und somit der Schnittkanten verwendet werden,
ist es vorteilhaft, wenn Bilder mit unterschiedlicher Beleuchtung
erstellt werden.
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Hierbei
ist vorgesehen, dass die Beleuchtungseinrichtung das Untersuchungsmaterial
mit dem Eindruck auf unterschiedliche Arten beleuchten kann. So
sind beispielsweise unterschiedliche Polarisierungen von Licht,
unterschiedliche Lichtfarben oder eine unterschiedliche Richtung
des Lichtes möglich.
Eine andere Möglichkeit
ist, das Zentrum der Beleuchtungsfläche in einer beliebigen Fokussierungsebene
zu variieren.
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Hierfür kann die
Beleuchtungseinrichtung mehrere Lichtquellen aufweisen, die kreuzartig
angeordnet sind. Bevorzugt sind hierbei fünf Lichtquellen. Durch eine
entsprechende Ansteuerung dieser fünf Lichtquellen kann das Zentrum
des beleuchteten Bereiches lediglich durch unterschiedliche Intensität der Lichtquellen
verschoben werden, ohne dass eine physikalische Verschiebung der
Lichtquellen notwendig ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Bestimmen der Eindruckoberfläche
eines Eindrucks in einem Untersuchungsmaterial bei Härteprüfungen kann
im Rahmen eines Härteprüfers verwendet
werden und erhöht
dadurch die Genauigkeit der durchgeführten Härteprüfung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen
Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Härteprüfers;
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2 eine
Aufsicht auf ein Untersuchungsmaterial nach dem Erzeugen eines Eindrucks;
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3 eine
Schnittansicht eines Eindrucks mit unterschiedlichen Fokussierungsebenen;
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4 eine
Schnittansicht eines Eindrucks mit unterschiedlichen Beleuchtungen;
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5 ein
Ausführungsbeispiel
einer Beleuchtungseinrichtung; und
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6 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 ist
der grundlegende Aufbau eines Härteprüfers 31 vereinfacht
dargestellt. Der Härteprüfer 31 weist
einen Grundkörper 32 auf.
Auf diesem Grundkörper
befindet sich ein Probentisch 33, der zur Halterung und
zur Auflage der Probe 34 ausgebildet ist. Diese Probe 34 kann
als Untersuchungsmaterial bezeichnet werden. Je nach zu untersuchender
Probe 34 können
unterschiedliche Härteprüfungsverfahren
verwendet werden.
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Im
Folgenden wird exemplarisch eine Härteprüfung nach Vickers angenommen,
welche beispielsweise zur Überprüfung von
Oberflächenbeschichtungen
verwendet wird. Der exakte Aufbau des Härteprüfers 31 ist insbesondere
vom durchzuführenden
Härteprüfungsverfahren
abhängig.
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Am
oberen Ende des Grundkörpers 32 ist
ein Motor 39 vorgesehen, welcher zum Antreiben einer Spindel 38 eingerichtet
ist. Am Ende der Spindel 38 befindet sich eine Spindelmutter 37,
die mit einer Kraftmesszelle 36 verbunden ist. An dieser
Kraftmesszelle 36 ist ein Eindringkörper 35 befestigt.
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Bei
einer Härteprüfung nach
Vickers hat der Eindringkörper 35 die
Form einer gleichseitigen Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel
von ca. 136°.
Der Eindringkörper 35,
der auch als Prüfkörper bezeichnet
wird, wird mit einer definierten Prüfkraft in das Untersuchungsmaterial 34 eingedrückt. Hierzu treibt
der Motor 39 die Spindel 38 an, so dass die Spindelmutter 37 mit
der Kraftmesszelle 36 und dem Eindruckkörper 35 in Richtung
des Probentisches 33 bewegt wird. Der Motor 39 fährt die
Spindelmutter 37 mit den verbundenen Einrichtungen so lange
in Richtung des Probentisches 33, bis eine definierte Kraft durch
die Kraftmesszelle 36 gemessen wird.
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Anschließend wird
diese definierte Kraft eine bestimmte Zeitspanne aufrechterhalten.
Nach Ablauf der Zeitspanne bewegt der Motor 39 die Spindel 38 wieder
zurück,
so dass der Eindringkörper 35 aus dem
Untersuchungsmaterial 34 gezogen wird. Die Größe des Eindringkörper 35 und
insbesondere der aufgebrachten Kraft ist abhängig von dem Material der Probe 34 und
dem Prüfverfahren.
Beispielsweise werden zum Testen von Titanbeschichtungen Kräfte aufgewendet,
die Gewichten von 10 g bzw. 50 g entsprechen. Daher sind die in
dem Untersuchungsmaterial 34 erzeugten Eindrücke 2 nicht
besonders tief und groß,
wodurch erhöhte
Anforderungen an die Genauigkeit der Auswertung gestellt werden.
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Da
die Eindrücke 2 bei
derartig geringen Gewichten relativ klein sind, wird zur Auswertung
oft eine mikroskopähnliche
Optik 17 verwendet. Über diese
Optik 17 wird ein digitales Bild erzeugt, an dem dann die
endgültige
Auswertung durchgeführt
wird, da am Untersuchungsmaterial 34 selbst der Eindruck 2 so
klein ist, dass keine zuverlässige
Messung durchgeführt
werden kann.
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In 2 ist
ein Untersuchungsmaterial 34 mit einem Eindruck 2 dargestellt.
Hierbei wird die Prämisse
angenommen, dass der Eindruck 2 im Rahmen eines Vickers-Prüfungsverfahrens
erzeugt wurde, bei dem eine gleichseitige Pyramide in das Untersuchungsmaterial 34 eingedrückt wird.
Die verkleinerte Grundfläche
dieses Eindringkörpers 35 ist
in der Oberfläche 6 des
Untersuchungsmaterials 34 als Eindruckoberfläche 3 abgebildet.
Zum Ermitteln der Härte
nach Vickers, muss die Eindruckoberfläche 3 des Eindrucks 2 bestimmt
werden. Hierzu reicht es grundsätzlich
aus, die beiden Diagonalen 11 und 12 zu ermitteln,
da diese zur Errechnung der Eindruckoberfläche 3 ausreichende
Informationen liefern. Hierzu werden idealerweise die Ecken 21, 22, 23, 24 der Eindruckoberfläche 3 bestimmt,
so dass die Länge der
beiden Diagonalen 11 und 12 errechenbar ist.
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Der
Eindruck 2 wird durch die Schnittkanten 26 begrenzt.
Bei einem idealen Eindruck würde
es ausreichen, diese Schnittkanten 26 bzw. die entsprechenden
Ecken 21, 22, 23 und 24 zu bestimmen. Hieraus
kann dann theoretisch die Eindruckoberfläche 3 errechnet werden.
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Allerdings
bilden sich beim Einbringen des Eindruckkörpers 35 in das Untersuchungsmaterial 34 keine
eindeutigen Schnittkanten 26 aus. Die exakte Form der Schnittkanten 26 wird
im Folgenden in 3 erläutert. Diese Darstellung zeigt
schematisch eine Schnittansicht des Eindrucks 2 aus 2 entlang
der gestrichelten Linie 28.
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In
der Schnittansicht ist der Eindruck 2 in das Untersuchungsmaterial 34 dargestellt.
Hierbei sind zwei Eindruckflächen 4,
welche auch als Eindruckschräge
bezeichnet werden können,
die den Eindruck 2 definieren, eingezeichnet. Zum genauen
Bestimmen der Eindruckoberfläche 3 ist
es notwendig, die Schnittkanten 26 zwischen den Eindruckflächen 4 und
der Oberfläche 6 des
Untersuchungsmaterials 34 zu ermitteln.
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Herkömmlicherweise
wurde dies auf Basis eines digitalen Bildes versucht, welches über eine Vergrößerungsoptik
aufgenommen wurde. Wie in 3 an den
Schnittkanten 26 gezeigt, entstehen aber an den Schnittkanten 26 keine
scharfen oder idealen Übergänge zu der
Oberfläche 6 des
Untersuchungsmaterials 34, sondern so genannte Aufwerfungen
und Unregelmäßigkeiten 8 und 9.
Diese Aufwertungen und Unregelmäßigkeiten 8, 9 können allgemein
als Störstellen
bezeichnet werden und stellen z. B. Materialanhäufungen dar. Diese Störstellen
treten vor allem bei Härteprüfungen von
Untersuchungsmaterialien 34 mit dünnen, harten Beschichtungen
auf. Diese können
auch bei ein- und demselben Eindruck unabhängig von ihrer Position unterschiedliche
Formen aufweisen.
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Bei
der herkömmlichen
Ermittlung der Schnittkanten 26 über lediglich eine digitale
Aufnahme war es problematisch, die exakte Lage der Schnittkanten 26 zu
bestimmen. Dies war neben dem Problem der Lokalisierung dieser Schnittkanten 26 auch
dadurch be dingt, dass die Unregelmäßigkeiten, beispielsweise bei
einem Titanbeschichtungshärtetest,
lediglich eine Ausdehnung im Bereich von 0,3 μm aufweisen. Da jedoch bedingt
durch das verwendete Licht, die Mikroskopoptik und eine Einstellung, insbesondere
gemäß Köhler, lediglich
ein optisches Auflösungsvermögen von
ca. 1 μm
vorliegt, kann nicht zuverlässig
der exakte Verlauf der Schnittkante 26 bestimmt werden.
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Aus
diesem Grund wird beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur ein
digitales Bild erzeugt. So wird beispielsweise ein erstes Oberflächenbild
in einer Fokussierungsebene 41 erstellt. In diesem Oberflächenbild
ist im Wesentlichen die Oberfläche 6 scharf
dargestellt.
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Tiefere
Bereiche des Eindrucks 2 sind aber unscharf und können nicht
zur Auswertung herangezogen werden. Dieses Oberflächenbild
dient herkömmlicherweise
als alleiniges Bewertungskriterium zur Ermittlung der Eindruckoberfläche 3,
was jedoch fehlerhaft und ungenau ist.
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Zusätzlich werden
weitere so genannte Eindruckbilder gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzeugt. Hierzu sind in 3 drei weitere Fokussierungsebenen 42, 43 und 44 dargestellt.
In jeder dieser Ebenen wird ein Eindruckbild erstellt, welches im
Wesentlichen den Bereich der jeweiligen Fokussierungsebene scharf
darstellt. Anhand diesen Aufnahmen ist es möglich, zusammen mit der Information,
welche Fokussierungsebene exakt gewählt wurde, die Position 19 der
Eindruckflächen 4 in
der Fokussierungsebene zu bestimmen. Mit Hilfe dieser Positionsbestimmung
kann anschließend
der Verlauf der Eindruckflächen 4 errechnet
werden.
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Hierbei
kann auch das verwendete Härteprüfverfahren
und insbesondere die Form des Eindringkörpers 35 zu einer
Effektivierung und höheren Präzision des
errechneten Verlaufs der Eindruckflächen 4 hinzugezogen
werden.
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Weiter
vereinfacht sich die Errechnung des Verlaufs der Eindruckflächen 4 dadurch,
dass eine Fokussierungsebene 44 derart gebildet wird, dass sie
die tiefste Stelle 5 des Eindrucks 2 darstellt.
Mit der Position 19 der tiefsten Stelle 5 und
einer weiteren Position 19 auf der Eindruckfläche 4 kann
so bei einer Härteprüfung nach
Vickers mit einer Diamantpyramide mittels relativ einfacher Projektion
der Verlauf der Eindruckflächen
ermittelt werden.
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In ähnlicher
Weise ist es auch möglich,
die exakten Koordinaten der Oberfläche 6 des Untersuchungsmaterials 34 zu
bestimmen. Anhand dieser Koordinaten und dem Verlauf der Eindruckflächen können nun
rechnerisch die Schnittkanten 26 genau bestimmt werden,
ohne Ungenauigkeiten durch die auftretenden Aufwertungen und Unregelmäßigkeiten 8 und 9 im
ermittelten Ergebnis berücksichtigen
zu müssen.
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In 4 ist
wiederum die Schnittansicht durch den Eindruck aus 2 entlang
der gestrichelten Linie 28 dargestellt. Zusätzlich zum
Erstellen von digitalen Aufnahmen in oder mit unterschiedlichen Funktionsebenen
ist es auch möglich,
Bilder in einer Fokussierungsebene mit unterschiedlicher Beleuchtung
anzufertigen.
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Exemplarisch
sind in 4 hierzu zwei unterschiedliche
Beleuchtungsrichtungen 51 und 52 eingezeichnet.
Durch die unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen entstehen andere
Schatten und/oder Muster auf der Oberfläche 6 des Untersuchungsmaterials 34.
Basierend auf den unterschiedlichen Schatten und dem Wissen, welche
Schatten mit welcher Beleuchtung 51, 53 erzeugt
wurden, ist es möglich,
weitere Informationen über
die Lage der Oberfläche 6 und/oder
den Verlauf der Eindruckflächen 4 zu
erhalten. Hierdurch können
die Schnittkanten mit einer höheren
Genauigkeit bestimmt werden. In 4 sind exemplarisch
lediglich zwei unterschiedliche Beleuchtungsrichtungen 51, 52 dargestellt.
Die Beleuchtung kann aber auch mit unterschiedlichen Farben bzw.
Wellenlängen,
Polarisierungen oder ähnlichen
Variationen durchgeführt
werden. Eine Möglichkeit
ist hierbei, das Zentrum der Beleuchtung zu verschieben.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
hierzu eine Lichtquelle physikalisch zu bewegen. Dies ist aber bei
den hier geforderten Genauigkeiten relativ schwierig und nur unter
hohem Kostenaufwand durchführbar.
In 5 sind mehrere Lichtquellen 63 bis 71 dargestellt,
die bei entsprechender Ansteuerung das Verschieben einer Lichtquelle
imitieren können.
Grundsätzlich
reichen hierzu auch weniger als die neun in 5 dargestellten
Lichtquellen 63 bis 71 aus. Beispielsweise ist
eine kreuzartige Anordnung der Lichtquellen, wie sie durch die Lichtquellen 63 bis 67 ausgeführt ist,
ebenfalls möglich.
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Durch
eine Ansteuerung der Lichtstärke
und Intensität
der einzelnen Lichtquellen 63 bis 71 ist es möglich, eine
virtuelle Lichtquelle an einer beliebigen Position zu erzeugen,
welche sich innerhalb eines Kreises um die zentrale Lichtquelle 63 befindet,
wobei der Kreis einen Radius von in etwa der Entfernung zwischen
der inneren Lichtquelle 63 und einer der äußeren Lichtquellen 64 bis 71 aufweist.
Hierdurch ist es möglich,
virtuelle Lichtquellen 73 oder 74 zu erzeugen.
Mit einer derartig ausgeführten
Beleuchtungseinrichtung 61 können Bilder erzeugt werden,
die Eigenschaften aufweisen, als wären sie mit unterschiedlich
ausgerichteten Beleuchtungsquellen aufgenommen worden. Die Lichtquellen 63 bis 71 können beispielsweise
in Form von LEDs ausgeführt sein.
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In 6 ist
ein schematischer Aufbau einer Vorrichtung 10 zum Ausführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Die maßgeblichen
Bauteile hierfür
sind eine digitale Kamera 16, eine entsprechende Optik 17 und
eine Beleuchtungsrichtung 61. Diese drei Bauteile werden
von einer Steuer- und Auswerteeinheit 15 gesteuert und
liefern Informationen zurück
an die Steuer- und Auswerteeinheit. Es ist aber ebenso möglich, die
digitale Kamera 16 und die Optik 17 in Art eines
Mikroskops auszuführen,
welches digitale Bilder erstellen kann.
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Beim
Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Bestimmen der Eindruckoberfläche 3 eines
Eindruckes 2 in einem Untersuchungsmaterial 34 wird
die Optik 17 im Zusammenhang mit der Beleuchtungseinrichtung 61 derart
eingestellt, dass die digitale Kamera 16 Bilder des Eindruckes 2 und
der Oberfläche 6 in
unterschiedlichen Fokussierungsebenen anfertigen kann. Hierbei ist
die Abstimmung entsprechend Köhler
ausgeführt,
um eine gute Bildqualität
zu erreichen. Die Kamera kann beispielsweise in Form eines CCD oder
CMOS-Chips mit entsprechender Ansteuerung ausgeführt werden.
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Zusätzlich kann
die Steuer- und Auswerteeinheit die Beleuchtungseinrichtung 61 derart
ansteuern, dass das Zentrum des ausgeleuchteten Bereichs verschoben
wird, und so unterschiedliche Konturen auf den durch die digitale
Kamera 16 erstellten Bildern zu sehen sind.
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Die
in 6 beschriebene Vorrichtung 10 kann, obwohl
sie hier separat beschrieben wurde, auch in den Härteprüfer 31 aus 1 integriert
werden. Insbesondere sind zur Ausgabe der endgültigen Härte des Untersuchungsmaterials 34 Informationen über die
angewandte Kraft und dergleichen notwendig, welche nur im Härteprüfer 31 zur
Verfügung
stehen. Diese Informationen müssen
mittels einer Datenübertragung
an die Steuer- und Auswerteeinheit 15 übertragen werden.
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Hierbei
kann die Steuer- und Auswerteeinheit 15 auch die komplette
Steuerung des Härteprüfers 31 übernehmen.
Bei einer Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in
einem Härteprüfer 31 ist
darauf zu achten, dass die digitale Kamera 16 sowie die
Optik 17 und die Beleuchtungseinrichtung 61 durch
die Bauteile, welche zum Erzeugen des Eindrucks 2 verwendet
wurden, nicht im Betrieb gestört werden.
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Die
Ausführungsbeispiele
der 1 bis 6 wurden in Bezug auf eine Härteprüfung nach Vickers
beschrieben. Ebenso ist aber das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Verwendung mit anderen Härteprüfungsverfahren,
beispielsweise nach Brinell, einsetzbar.
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Durch
das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren
der Schnittkanten ist es somit möglich,
die Eindruckoberfläche
eines Eindrucks äußerst genau zu
errechnen, wodurch die Präzision
bei Härteprüfungen verbessert
wird. Mit anderen Worten, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren
durch Erstellen von mehreren Bildern in unterschiedlichen Fokussierungsebenen
eine dreidimensionale Vermessung des Eindrucks ermöglicht.