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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abformung von Oberflächen unter Wasser, die die Oberflächenrauheit einer Probe einer Analyse zugänglich macht.
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Stand der Technik
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Durch alle spangebenden Fertigungsverfahren, polierenden oder schleifenden Feinbearbeitungsverfahren, sowie alle weiteren formgebenden und die Oberfläche bearbeitenden Verfahren, werden die Oberflächen eines Werkstücks mehr oder weniger stark verformt. Es entstehen unterschiedliche Abweichungen von einer ideal glatten Oberfläche oder idealen Geometrie, die als Gestaltabweichung bezeichnet werden.
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Die Oberflächenrauheit ist als Feingestaltabweichung definiert und wird durch Kenngrößen, die in Normen (z. B. DIN 4762/ISO 4287) definiert sind, charakterisiert. Abweichungen anderer Großenordnungen werden zum Beispiel durch eine allgemeine Formabweichung oder Welligkeit erfasst.
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Wie allgemein bekannt ist, beeinflussen die Gestaltabweichungen das spätere Funktionsverhalten eines Werkstücks. Dies betrifft insbesondere die Passungseigenschaften, Reibungs- und Gleiteigenschaften, das Verschleißverhalten, die Schmierfähigkeit, Ermüdungsfestigkeit (Dauerfestigkeit) und die Korrosionsanfälligkeit.
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Unter dem Aspekt der Güte eines Werkstücks und der Erfüllung von Sicherheitsanforderungen, die z. B. an mechanische Verbindungen gestellt werden, hat die Oberflächenrauheit eine zentrale Bedeutung.
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Methoden zur Bestimmung der Kenngrößen, die die Oberflächenrauheit charakterisieren, sind z. B. Tastschnittverfahren, Interferenzmikroskopie, Konfokalmikroskopie oder Weißlichtinterferometrie. Bei allen Verfahren wird die Oberfläche eines Werkstücks direkt oder indirekt über eine Replik untersucht. Repliken von Oberflächen kommen zum Einsatz, wenn die Oberflächen selber schwer oder gar nicht mit dem Messgerät erreicht werden können.
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Die Herstellung einer Replik einer Oberfläche und ihrer Rauheit erfolgt durch Abformung. Das Verfahren zur Herstellung einer Replik wird auch Replica-Technik (nach dem englischen replica = Abdruck) genannt. Hierbei wird eine plastische Masse auf die zuuntersuchende Oberfläche aufgebracht, im aufgebrachten Zustand gehärtet und dann von der Oberfläche entfernt. Dieses Negativ der Oberfläche wird mit einem anderen Material abgeformt bzw. ausgegossen welches ebenfalls aushärtet und eine Nachbildung (Replik) der Oberfläche als Positiv darstellt. Das Positiv wird dann mit einer Methode zur Vermessung der Oberflächenrauheit charakterisiert.
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Entscheidend ist, dass die hergestellte Replik die Oberflächenbeschaffenheit in der geforderten Auflösung störungsfrei wiedergibt. Die geforderte Auflösung wird z. B. durch die einschlägigen Regularien und Normen bestimmt, die festlegen, welchen Ansprüchen Werkstücke mit einer bestimmten Einsatzart genügen müssen.
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Unter bestimmten Bedingungen, wie sie zum Beispiel in der Reaktortechnik oder im Schiffsbau vorliegen können, befinden sich die zu untersuchenden Oberflächen unter Wasser und können schwerlich trockengelegt werden. Dieser Umstand stellt eine besondere Herausforderung an die Replica-Technik dar. Die Vorrichtungen müssen fernbedient eine Abformmasse an die Oberfläche andrücken können und wenigstens gewährleisten, dass Wasser an der zu untersuchenden Oberfläche verdrängt wird. Beispielhaft für die Lösung dieser Aufgabe im Stand der Technik, sind nachfolgend einige Schriften angeführt.
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In
DE 199 05 761 C2 sind ein Werkzeug und ein Verfahren zur Untersuchung von Verschleißspuren offenbart, mit dem unter Wasser Oberflächen abgeformt werden können. Hierbei wird eine Kartusche, die die Abformmasse enthält, mit dem Abformgefäß und allen benötigten Halterungen unter Wasser verbracht. Das Ausdrücken der Kartusche geschieht fernbedient durch eine Vorrichtung.
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Bei der in
GB 2366620 A beschriebenen Vorrichtung für die Abformung von Oberflächen ist das Abformgefäß mit einer porösen Masse befüllt, die der Abformmasse weicht, wenn diese zugeführt wird, und die eine Haftung mit der Abformmasse eingeht, so dass die Replik von der Oberfläche entfernt werden kann. Die Abformmasse wird in einem Vorratsbehalter, der an dem Abformgefäß angebracht ist, bereitgehalten. Die gesamte Vorrichtung wird elektronisch über mehrere Steuereinheiten fernbedient.
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In
WO 2006/131117 A1 sind eine Abformvorrichtung und ein Verfahren offenbart, die insbesondere für die Abformung von zylindrischen Vertiefungen geeignet sind. Zusätzlich ist in der Abformvorrichtung die Möglichkeit gegeben eine Referenzoberfläche mit bekannter Rauheit simultan mit abzuformen, um die Güte des erstellten Replikats zu beurteilen. Das Volumen des Abformgefäßes ist durch einen beweglichen Einsatz einschrankbar. Durch diesen Einsatz wird auch der Anpressdruck auf die Abformmasse durch Luftdruck oder hydraulisch eingestellt, wodurch die aus zwei Komponenten bestehende Abformmasse aus Behältern in das Abformgefäß gepresst wird.
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Eine Trocknung des Abformgefäßes und der abzuformenden Oberfläche ist in allen vorstehend aufgeführten Schriften nicht vorgesehen.
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In
US 4,303,608 A wird eine Vorrichtung offenbart, mit der ebenfalls Oberflächen unter Wasser abgeformt werden können. In dieser Vorrichtung ist das Evakuieren eines abgeteilten Bereichs in dem Abformgefäß vorgesehen. Der evakuierbare Bereich, in den auch die Abformmasse gefüllt wird, ist mit einer Membran vom restlichen Raum im Abformgefäß abgetrennt. Der obere abgetrennte Bereich wird mit Waser geflutet, um einen Anpressdruck auf die Abformmasse auszuüben. Die Abformmasse befindet sich in einem Behälter oberhalb des Abformgefäßes. Sie wird über eine Rohrverbindung durch Wasserdruck in das Abformgefäß gepresst. Die Verbindung zwischen dem Rohr und dem Abformgefäß ist mit einem O-Ring abgedichtet. Durch die Nutzung des Wasserdrucks zum Anpressen und dem damit verbundenen Einleiten von Wasser in das Abformgefäß oder in den Behälter für die Abformmasse ist die Dichtigkeit dieser Vorrichtung nur bedingt gegeben.
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Aufgabenstellung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine Vorrichtung zur Abformung von Oberflächenrauheit unter Wasser anzugeben, die eine Trocknung des Inneren des Abformgefäßes und der abzuformenden Oberfläche erlaubt.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei weist die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Abformung von Oberflächen mindestens ein Abformgefäß auf, das aus Seitenwänden, einer Grundfläche und einer Öffnung gebildet ist. In den Seitenwänden befinden sich vier Durchführungen. Eine erste dient der Zu- und Ableitung von Luft und Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck sowie der Evakuierung. Die zweite Durchführung, die der ersten gegenüberliegt, dient als Abfluss für Flüssigkeiten. In die erste Durchführung ist von außen eine Leitung eingepasst. Die zweite Durchführung ist mit einem Rückflussverhinderer ausgerüstet, der das Eindringen von Flüssigkeit in das Innere des Abformgefäßes verhindert. An den Rückflussverhinderer kann von außen eine Leitung angeschlossen sein. Der ersten Durchführung benachbart und in einem Abstand, der kleiner als die Viertelstrecke des Umfangs des Abformgefäßes ist, ist eine dritte Durchführung angeordnet. In diese dritte Durchführung ist ebenfalls ein Rückflussverhinderer, der das Eindringen von Flüssigkeit aus dem Inneren des Abformgefäßes in eine von außen angebrachte Leitung verhindert, eingepasst. Diese Durchführung dient dem Zuführen von Abformmasse. Das Abformgefäß wird so ausgerichtet, dass es bei aus der Horizontalen geneigter Grundfläche ein Ablaufen von unerwünschten Flüssigkeiten gewährleistet, die als Abfluss dienende zweite Durchführung sich also unten befindet. Eine vierte Durchführung, in die von außen eine Leitung eingepasst ist, dient ebenfalls der Zu- und Ableitung von Luft und Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck und ist in einem Abstand, der kleiner als die Viertelstrecke des Umfangs des Abformgefäßes ist, gegenüber der dritten Durchführung in der Seitenwand angeordnet. Das Abformgefäß ist am oberen Rand mit einem Dichtungselement versehen, das an der abzuformenden Oberfläche anliegt und für die Abdichtung des durch das Abformgefäß und die Oberfläche gebildeten Raumes sorgt. Das Dichtungselement kann z. B. ein O-Ring aus Silikon sein, der in einer Aussparung am oberen Rand des Abformgefäßes angeordnet ist.
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Durch die Zu- und Ableitungen kann Luft und/oder Flüssigkeit mit einem hohem Dampfdruck, z. B. Ethanol, in das Abformgefäß geleitet werden. Dabei werden etwaiges Wasser und zugeführte Flüssigkeiten über den Abfluss abgeführt. Das mehrmalige wechselnde Zuführen von Luft und Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck gewährleistet die Trocknung des Inneren des Abformgefäß und der abzuformenden Oberfläche, wobei auch Wasser, das an Oberflächen haftet, ausgetrieben wird. Der in der als Abfluss dienenden Durchführung eingepasste Rückflussverhinderer verhindert, dass Flüssigkeit durch den Abfluss zurück in das Abformgefäße gelangen kann. Der Rückflussverhinderer in der Leitung für die Abformmasse verhindert, dass beim Trocknungsvorgang Flüssigkeit aus dem Abformgefäß in die Zuleitung für die Abformmasse gelangt. Damit ist sichergestellt, dass bei der Zuführung der Abformmasse keine eventuell in der Leitung befindlichen Flüssigkeiten in das Abformgefäß gelangen können.
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Wasserreste im Abformgefäß oder auf der abzuformenden Oberfläche verschlechtern die Güte der Replik durch Bildung von Hohlräumen auf der Oberfläche der Replik, die die Charakterisierung der Oberflächenrauheit stören. Um eine störungsfreie Replik herzustellen ist es daher unabdingbar, die abzuformende Oberfläche und das Abformgefäß weitestgehend zu trocknen, was durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gewährleistet wird.
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Die Abmessungen des Abformgefäßes sind der Größe der abzuformenden Fläche angepasst. Seine äußere und innere Form ist zweckmäßiger Weise zylindrisch mit einer ebenen Grundfläche. Das Abformgefäß kann bei dem Vorliegen einer Negativform gegossen werden oder durch spanabhebende Bearbeitung erstellt werden. Alle Materialien, die nicht feuchteempfindlich und spanabhebend bearbeitbar sind, wie z. B. Polymethylmethacrylat, sind für die Fertigung geeignet. Die äußere Form des Abformgefäßes kann z. B. durch das Ausformen von Rillen angepasst werden, um es in eine Haltevorrichtung einzupassen. Somit kann das erfindungsgemäße Abformgefäß in vorteilhafter Weise mit einfachen Mitteln an die Anforderungen am Einsatzort angepasst werden.
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Die in die Durchführungen eingepassten Leitungen können z. B. aus PVC- oder Silikonschläuchen oder Rohren gebildet sein. Die Passung der Leitungen in die Durchführungen kann beispielsweise durch Kleben oder Schweißen oder durch die Anbringung von Verbindungsstücken in den Durchführungen erfolgen. Die Verbindungsstücke können z. B. Schraubverbindungen mit Quetschringen sein. Die Länge der Leitungen ist der Tiefe bzw. der Strecke von der Wasseroberfläche bis zur abzuformenden Oberfläche anzupassen. Alle Gerate, die zur Zuführung von Gasen oder Flüssigkeiten, dem Evakuieren sowie der Zufuhr der Abformmasse dienen, befinden sich über Wasser. In vorteilhafter Weise ist damit nur das Abformgefäß mit den Leitungen unter Wasser angeordnet, wodurch die Möglichkeiten für das Eindringen von Wasser in die Vorrichtung reduziert sind.
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Die einzusetzende Abformmasse kann z. B. ein Zweikomponenten-Silikonelastomer oder ein Epoxidharz sein. Dieses kann beispielsweise hydraulisch in das Abformgefäß gepresst werden.
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Eine Ausführungsform sieht einen Einsatz im Inneren des Abformgefäßes vor. Der Einsatz kann aus demselben Material gefertigt sein wie das Abformgefäß. Er kann wie dieses durch Gießen oder durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden. Er ist durch einen Schaft und ein flächiges Element so geformt und angeordnet, dass die Abformmasse im Abformgefäß in einen Bereich gelangen kann, der von der abzuformenden Oberfläche in gerader Verbindung über einen Teil der Grundfläche des Abformgefäßes getrennt ist. Die Abformmasse kann so zwischen die Grundfläche und das flächige Element des Einsatzes gelangen. Dazu wird das flächige Element des Einsatzes an einem Ende des Schaftes angeordnet und das andere Ende des Schaftes wird mit der Grundfläche des Abformgefäßes verbunden.
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Durch den Einsatz wird gewährleistet, dass der Abdruck zuverlässiger zusammen mit dem Abformgefäß von der Oberfläche entfernt werden kann.
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An der Grundfläche des Abformgefäßes kann eine weitere Durchführung angeordnet sein, in die ein Verbindungselement, z. B. eine Schraube, eingepasst und mit dem Einsatz reversibel und dichtend verbunden ist. Die Dichtung kann z. B. mit O-Ringen erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die dritte Durchführung, die der Zuführung der Abformmasse dient, in Richtung auf die zweite Durchführung geneigt durch die Seitenwände des Abformgefäßes geführt. Durch die schräge Führung der Durchführung erfolgt das Einfließen der Abformmasse in das Abformgefäß gleichmäßiger.
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In einer letzten Ausführungsform sind außen an den Seitenwänden des Abformgefäßes Verbindungselemente für eine Haltevorrichtung des Abformgefäßes vorgesehen. Die Verbindungselemente können an die Seitenwände geklebt oder z. B. mit Schrauben befestigt werden.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung soll in folgendem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.
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Die Figuren hierzu zeigen schematische Darstellungen:
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1: einer Schnittebene parallel zur Zylinderachse des Abformgefäßes;
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2: einer Schnittebene parallel zur Grundfläche des Abformgefäßes auf der Höhe der Durchführungen in der Seitenwand;
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3: des Abformgefäßes mit Leitungen unter Wasser.
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Die 1 zeigt eine Schnittebene parallel zur Zylinderachse des zylindrisch ausgebildeten Abformgefäßes 1. Das Abformgefäß 1 besteht aus Seitenwänden W, einer Grundfläche G und einer Öffnung O. Das Abformgefäß 1 ist aus Polymethylmethacrylat gebildet. Am unteren Rand des Abformgefäßes 1 ist dieses zur Aufnahme in eine Halterung eingekerbt. In der in der Figur rechts liegenden Seitenwand W befindet sich eine Durchführung 2a. In der in der Figur links liegenden Seitenwand W befindet sich eine Durchführung 2c mit eingepasstem Rückschlagventil 4. Am oberen Rand des Abformgefäßes 1 ist in einer hierfür vorgesehenen Aussparung ein O-Ring 3 aus Silikon platziert. An der Grundfläche G des Abformgefäßes 1 befindet sich eine Durchführung, in die eine Schraube 5 geschraubt ist und mit der der innenliegende Einsatz 6 am Abformgefäß 1 befestigt ist. Der Einsatz 6 ist aus einem zylinderförmigen Schaft S und einem zum Schaft S senkrecht angeordneten flächigen Element E als rotationssymmetrischer Körper mit T-Profil gebildet. Zwischen dem Einsatz 6 und der Grundfläche G des Abformgefäßes 1 befindet sich eine Dichtung 7 in Form eines O-Rings. Der Einsatz 6 ist so angeordnet, dass die Abformmasse hinter das im Profil oben liegende flächige Element E fließen kann. Ist die Abformmasse ausgehärtet, wird sie beim Entfernen des Abformgefäßes 1 durch die Verschränkung mit dem Einsatz 6 im Abformgefäß 1 gehalten.
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Die 2 zeigt eine Schnittebene, die parallel zur Grundfläche C des Abformgefäßes 1 liegt und auf der Höhe der Durchführungen 2a–2d geführt ist. Dabei sind die Durchführungen 2a und 2b in der oberen Hälfte des Abformgefäßes für die Zu- und Ableitung von Luft und Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck, wie z. B. Alkohol, vorgesehen und die Durchführung 2a zusätzlich zur Evakuierung. Die Durchführung 2b ist 30° auf dem Kreisbogen im Uhrzeigersinn von der Durchführung 2a entfernt angeordnet. Die Durchführung 2c ist für den Abfluss von Flüssigkeit vorgesehen und liegt der Durchführung 2a gegenüber. Zur optimalen Abführung von Flüssigkeiten ist das Abformgefäß 1 so angeordnet, dass diese Durchführung 2c bei einer aus der Horizontalen geneigten Grundfläche C am unteren Ende des Abformgefäßes 1 liegt und somit einen Abfluss von Flüssigkeit gewährleistet. Diese Durchführung für den Abfluss ist mit einem Rückflussverhinderer 4 (hier nicht dargestellt, siehe 1) ausgestattet. Die Durchführung 2d ist schräg in Richtung auf die Durchführung 2c geführt und für die Zuführung der Abformmasse vorgesehen. Die schräg nach unten weisende Führung der Durchführung 2d ermöglicht ein gleichmäßigeres Befüllen des Abformgefäßes 1 mit Abformmasse. Diese Durchführung 2d ist ebenfalls mit einem – hier nicht dargestellten – Rückflussverhinderer R (siehe 3) ausgestattet.
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Die 3 zeigt die Vorrichtung zum Abformen von Oberflächen mit dem Abformgefäß 1 und den in den Durchführungen 2a–d eingepassten Leitungen 8, die hier aus Schläuchen gebildet sind. Die Durchführungen 2c und 2d sind mit Rückflussverhinderern 4 und R versehen. Die Vorrichtung befindet sich unter Wasser. Die möglichen Gerte 9a–d zur Zuführung und Abführung/Evakuierung von Luft und Flüssigkeiten befinden sich außerhalb des Wassers. Sie bestehen aus einer Vakuumpumpe 9a, einer hydrostatischen Presse zum Einpressen der Abformmasse 9b, einer Druckluftquelle 9c und einem Alkoholreservoir 9d. Die gestrichelten, gepunkteten und strichpunktierten Linien dienen der Veranschaulichung der optionalen Belegung der Durchführungen 2a und 2b.
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Durch die wechselnde Zuführung von Luft und Flüssigkeit mit hohem Dampfdruck und die Verhinderung des Eintritts von Flüssigkeit aus dem Abfluss (Durchführung 2c) in das Abformgefäß 1 bzw. in die Zuleitung für die Abformmasse wird die Trocknung des Abformgefäßes 1 und der abzuformenden Oberfläche gewährleistet. Als letztes wird in einem Trocknungsvorgang Luft durch das Abformgefäß 1 geleitet, um zu gewährleisten, dass keine Reste einer Flüssigkeit mit hohem Dampfdruck in dem Abformgefäß 1 oder auf der abzuformenden Oberfläche verbleiben.
