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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Erfassen einer Einzugsverrundung einer oder mehrerer in einer Oberfläche befindlichen Poren.
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Die Erfassung und Quantifizierung von Messdaten und Kenndaten von technischen Oberflächen ist aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise geht es darum, werkstoff- oder bearbeitungsspezifische Strukturen zu erfassen und hinsichtlich ihrer Funktionalität zu bewerten.
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Am Beispiel der Strukturen von Zylinderlaufbahnen wird beispielsweise in der
DE 10 2011 118 589 A1 ein Verfahren beschrieben, welches eine funktionsbezogene, in diesem Fall auf den Kontaktpartner bezogene Bewertung der Oberflächen ermöglicht. Einer der dabei erfassten Parameter ist beispielsweise das sogenannte Ölhalte- bzw. Ölrückhaltevolumen. Dies spielt insbesondere bei Zylinderlaufbahnen von Zylindern in Verbrennungsmotoren eine entscheidende Rolle, da die Menge an Öl, welche im Bereich der Oberfläche zurückgehalten wird, einen unmittelbaren Einfluss auf die Reibung zwischen dem Zylinder und einem in dem Zylinder laufenden Kolben als Kontaktpartner aufweist.
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Nun ist es heute so, dass Zylinderlaufbahnen in Verbrennungsmotoren sehr häufig mittels einer thermischen Beschichtung versehen werden. In diesem Fall bilden sich auf der Oberfläche Poren aus, welche gegenüber der Oberfläche zurückversetzt sind, und in welchen zusätzlich zu eventuellen Strukturen wie beispielsweise kreuzweise verlaufenden Riefen von einer Nachbearbeitung durch Honen Öl zurückgehalten werden kann.
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Diese werkstoffspezifischen Poren können bisher nicht sinnvoll und funktionsbezogen vermessen werden, sodass Aussagen über die Qualität und das eventuell zu erzielende Ölhaltevolumen schwer möglich sind. Dies gilt prinzipiell auch für alle anderen Arten von Poren in Oberflächen, beispielsweise in Gussmaterialen, z. B. Grauguss, oder Ähnlichem.
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Neben der reinen Porengröße und Anzahl, welche gemäß dem allgemeinen Stand der Technik über flächenhafte Oberflächenmessverfahren und insbesondere eine nachfolgende Bildverarbeitung der aufgenommenen Oberflächen erfasst werden können, spielt letztlich auch der Übergang von der eigentlichen Oberfläche in die Pore selbst eine Rolle. Dieser Übergang, welcher entsprechend scharfkantig oder verrundet – mit einer sogenannten Einzugsverrundung – ausgebildet sein kann, lässt sich bisher messtechnisch nicht erfassen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, Möglichkeiten anzugeben, diese Einzugsverrundung von Poren in Oberflächen messtechnisch zu erfassen, um eine funktionsbezogene Bewertung der Oberfläche durchführen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 oder alternativ hierzu durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der ersten verfahrensgemäßen Lösung zur Erfassung einer Einzugsverrundung gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Begrenzungslinie erfasst wird, welche den Bereich der Verrundung der Pore von der umgebenden Oberfläche separiert. Anschießend wird zumindest an einigen Punkten der Begrunzungslinie, bei einer Bildverarbeitung insbesondere an jedem einzelnen Pixel der Begrenzungslinie, eine Tangente zur Begrenzungslinie gebildet. Senkrecht zu dieser Tangente wird entlang einer Messstrecke die mittlere Steigung der Verrundung erfasst. Anschließend werden die mittleren Steigungen entlang aller Messstrecken der Pore gemittelt, um einen Mittelwert für die Einzugsverrundung der jeweiligen Pore zu erhalten. Anschließend kann das Verfahren an anderen Poren fortgesetzt werden, um so einen Mittelwert der Einzugsverrundungen aller Poren der gesamten Oberfläche oder einzelner Abschnitte der Oberfläche zu erhalten.
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Die alternative Lösung für die oben genannte Aufgabe sieht es ebenfalls vor, dass zuerst eine Begrenzungslinie erfasst wird, welche den Bereich der Verrundung der Pore von der umgebenden Oberfläche separiert. Bei diesem Verfahren muss zusätzlich darauf geachtet werden, dass die erste Begrenzungslinie auf einem ersten definierten mittleren Höhenniveau verläuft. Anschließend wird wenigstens eine zweite Begrenzungslinie innerhalb der ersten Begrenzungslinie, also von der ersten Begrenzungslinie aus in Richtung der Pore verschoben, erfasst. Auch diese wenigstens eine zweite Begrenzungslinie verläuft auf einem definierten mittleren Höhenniveau, sodass für die wenigstens zwei Begrenzungslinien ihre Höhe gegenüber der Oberfläche entsprechend bekannt ist. Anschließend wird der mittlere Abstand zwischen den Begrenzungslinien erfasst und die Differenz der Höhenniveaus der wenigstens zwei Begrenzungslinien entsprechend errechnet. Aus dem mittleren Abstand und der Höhendifferenz kann dann als Kennwert für die Einzugsverrundung eine mittlere Steigung an der jeweiligen Pore berechnet werden. Wie oben beschrieben kann das Verfahren dann für mehrere oder alle Poren der Oberfläche oder bestimmter Oberflächenabschnitte durchgeführt werden, wonach die Werte entsprechend gemittelt werden, um eine Aussage über die Oberfläche bzw. den jeweiligen Bereich der Oberfläche treffen zu können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der beiden Verfahren kann es dabei vorgesehen sein, dass die Messung selbst mittels eines flächenhaften Oberflächenmessverfahrens erfolgt, insbesondere einer sogenannten Weißlichtinterferometrie, wonach ein dreidimensionaler Datensatz auf Basis dieser Messung generiert und für das Erfassen der entsprechenden Begrenzungslinien und Steigungen, insbesondere durch bildverarbeitende Verfahren, verwendet wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun ferner vor, dass aus den Messwerten ein Anstiegswert ermittelt wird, welcher die gemessene Tiefe der Verrundung gegenüber der umgebenden Oberfläche ins Verhältnis zu einem Längenabschnitt der oder parallel zu der Oberfläche setzt. Dieser sogenannte Anstiegswert wird dann umso größer, je sanfter der Übergang der Flanke der Pore in den Bereich der Verrundung ist. Ein sehr scharfkantiger Übergang – also ein scharfer Knick der Porenflanke in den Bereich der Verrunddung – weist einen entsprechend kleinen Wert des Anstiegs auf, während ein größerer Wert des Anstiegs für einen sanfteren Übergang steht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand von Ausführungsbeispielen deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 eine Oberfläche mit einer beispielhaften Pore;
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2 die Pore aus 1 mit einer Begrenzungslinie zwischen der Verrundung der Pore und der die Pore umgebenden Oberfläche;
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3 eine Prinzipdarstellung eines Querschnitts durch den Teil einer Pore zur Visualisierung der Einzugsverrundung;
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4 eine Ausschnittsvergrößerung mit eingezeichneter Tangente und Messstrecke für das erste Verfahren gemäß der Erfindung;
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5 eine Pore mit zwei Begrenzungslinien zur Verdeutlichung des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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6 eine Prinzipdarstellung eines Querschnitts der Pore mit den beiden Begrenzungslinien gemäß 5.
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In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft eine Pore 1 in einer Oberfläche 2 gezeigt, beispielsweise in einer thermisch gespritzten Oberfläche oder der Oberfläche eines Gussbauteils. Die hier in Graustufen umgewandelte Darstellung der 1 entstammt einer Weißlichtinterferometrie und zeigt verschiedene Farben bzw. nun verschiedene Graustufen je nach Höhe des Materials. Die Darstellung in 1 gibt also letztlich eine dreidimensionale Topographie der vermessenen Oberfläche 2 mit der Pore 1 und der die Pore 2 umgebenden Oberfläche 2 wieder. Insbesondere über bildverarbeitende Methoden lässt sich dieses dreidimensionale Abbild der Topographie der Oberfläche 2 dann weiter verarbeiten. In der Darstellung der 2 ist die Pore analog zur Darstellung in 1 auf der linken Seite der Darstellung der 2 nochmals zu erkennen. Im Gegensatz zur Darstellung in 1 ist dabei eine Begrenzungslinie 3 eingezeichnet und in der rechten Darstellung der 2 nochmals separat dargestellt. Diese Begrenzungslinie 3, welche auch als erste Begrenzungslinie bezeichnet werden könnte, wie sich später noch zeigt, separiert dabei den Bereich einer sogenannten Einzugsverrundung 4, welche in den Darstellungen der 1 und 2 in entsprechenden Grautönen zu erkennen ist, von der die Pore 1 umgebenden Oberfläche 2.
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In der Darstellung der 3 ist dies in einer prinzipmäßigen Schnittdarstellung einer Seite der Pore 1 nochmals dargestellt. Der Maßstab ist dabei in Richtung y in μm in Richtung x in mm gewählt, wodurch sich eine verzerrte Darstellung ergibt. Dies ist zur Visualisierung der Einzugsverrundung jedoch notwendig. Die Pore 1 ist als teilweise Vertiefung in der Oberfläche 2 des mit 5 bezeichneten Materials, beispielsweise einer thermisch gespritzten Beschichtung, zu erkennen. Mit durchgezogener Linie ist dabei eine Verbindung der eigentlichen Pore 1 mit der Oberfläche zu erkennen, welche einen vergleichsweise flachen Übergang von einer Flanke 6 der Pore 1 in den Bereich der Einzugsverrundung 4 und damit in die Oberfläche 2 zeigt. Mit der durchgezogenen Linie ist dabei ein vergleichsweise sanfter Übergang der Porenflanke 6 in die Einzugsverrundung 4 gezeigt. Mit der gestrichelten Linie, welche in der Darstellung der 3 mit 4' bezeichnet ist; ist eine weitere Einzugsverrundung 4' gezeigt, welche im Übergang zur Porenflanke sehr viel schärfer ausfällt als die mit 4 bezeichnete Einzugsverrundung.
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Die Einzugsverrundung 4, 4' kann nun, je nachdem wie sie ausfällt, durchaus einen Einfluss auf die Funktion des Bauteils bzw. der Beschichtung 5 haben. Daher ist es wünschenswert, diese Einzugsverrundung 4, 4' als einen der Parameter der Oberfläche 2 messtechnisch zu bestimmen. Auf Basis der in 2 dargestellten Abbildung kann nun mit entsprechenden Bildbearbeitungsverfahren ein sogenannter Anstieg der Einzugsverrundung 4, 4' ermittelt werden, indem beispielsweise, wie es in der Darstellung der 4 angedeutet ist, an einen – insbesondere jedoch für jeden Punkt – der Begrenzungslinie 3, eine mit T bezeichnete Tangente angelegt wird. Senkrecht zu dieser Tangente T wird eine Messtrecke M ausgebildet und ausgehend von der Begrenzungslinie 3 in Richtung der Pore 1 nach innen wird die mittlere Steigung entlang der Messstrecke M erfasst, und zwar typischerweise so lange, bis die in der Darstellung der 4 schwarz markierte Tiefe der Pore erreicht ist. Wird nun entlang der Begrenzungslinie 3 in mehreren, insbesondere in allen Punkten dieser Begrenzungslinie 3, eben diese Ermittlung der Steigung durchgeführt, dann kann ein entsprechender Mittelwert gebildet werden, sodass eine entsprechende mittlere Steigung der Einzugsverrundung 4 der Pore 1 erhalten werden kann.
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Dabei wird, entsprechend den in 3 eingezeichneten Koordinaten x und y der bereits genannte Anstieg A durch das Verhältnis von y zu x, also durch das Verhältnis der gemessenen Tiefe y der Einzugsverrundung 4, 4' gegenüber der sie umgebenden Oberfläche 2 im Verhältnis oder normiert auf einen Längenabschnitt x parallel zu der Oberfläche 2 berechnet. Als Formel ergibt sich damit A = y/x in [μm/mm].
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Der Wert des Anstiegs A wird dabei vorzugsweise in μm/mm des Längenabschnitts x in Richtung der Oberfläche 2 angegeben. Je größer dieser Wert ist, desto sanfter ist der Übergang von der Porenfläche 6 in die Oberfläche 2. Ein entsprechend sanfter Übergang entspricht in der nicht maßstäblichen Darstellung der 3 der mit 4 bezeichneten Einzugsverrundung. Wird der Wert des Anstiegs kleiner, dann wird der Übergang zur Porenflanke 6 weniger sanft, und könnte beispielsweise dem in der Darstellung der 3 mit 4' bezeichneten Übergang entsprechen.
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Auf Basis der so gewonnen Werte für den Anstieg A, beispielsweise den mittleren Anstieg A je Pore 1 oder den mittleren Anstieg A für alle Poren 1 eines Oberflächenabschnitts oder der gesamten Oberfläche 2, lässt sich so sehr leicht die Geometrie der Einzugsverrundungen 4, 4' entsprechend vergleichen, was die funktionsorientierte Vermessung der Oberfläche 2 erleichtert und anhand der in Zahlen gefassten und vermessenen Einzugsverrundung über den mittleren Anstieg A in μm/mm eine gute Vergleichbarkeit der Oberfläche 2 beispielsweise nach der Bearbeitung mit verschiedenen Werkzeugen und/oder verschiedener Beschichtungen 5 untereinander ermöglicht.
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Um eine Begrenzung der Messstrecke M leichter zu machen, kann zusätzlich zu der Begrenzungslinie 3 eine Porenrandlinie 7 erstellt werden, welche den Bereich der Einzugsverrundung 4, 4' der Pore 1 von der Pore 1 selbst separiert. Diese Porenrandlinie 7 bildet dann die innere Begrenzung der Messstrecke M senkrecht zur Tangente T. Zur Verdeutlichung ist eine solche Porenrandlinie 7 in der Darstellung der 5 eingezeichnet.
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Die Porenrandlinie 7 kann, wenn sie wie in diesem Fall wie auch die erste Begrenzungslinie 3, auf einem Höhenniveau verläuft auch für ein alternatives Verfahren zum Ermitteln der Steigung der Einzugsverrundung 4, 4' genutzt werden. In diesem Fall bildet die Porenrandlinie 7 eine zweite Begrenzungslinie 7, während die Begrenzungslinie 3 eine erste Begrenzungslinie 3 bildet. In diesem Fall ist streng darauf zu achten, dass beide Begrenzungslinien 3, 7 auf demselben (mittleren) Höhenniveau im Verhältnis zur Oberfläche 2 verlaufen. Es ergibt sich dann der beispielhaft in der Schnittdarstellung der
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6 gezeichnete Verlauf, bei welchem die in der Darstellung mit 3 bezeichnete erste Begrenzungslinie auf der Höhe der Oberfläche 2 liegt, während um ein gewisses Stück der Höhe Δy darunter die zweite Begrenzungslinie 7 angedeutet ist. Ermittelt man nun den mittleren Abstand Δx dieser beiden Begrenzungslinien 3, 7 über den gesamten Umfang der Pore 1 und ermittelt gleichzeitig die Höhendifferenz Δy zwischen den beiden Begrenzungslinien 3, 7, dann lässt sich aus diesen Werten ebenfalls eine Steigung bzw. der Anstieg A = y/x berechnen.
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Das Verfahren kann als Alternative zu dem oben genannten Verfahren eingesetzt werden und kann je nach Bildverarbeitung gegebenenfalls schneller als das zuvor beschriebene Verfahren sein und entsprechend weniger Rechenleistung beanspruchen. Ansonsten gilt auch hier, dass ein entsprechendes Verfahren für jede Pore durchgeführt werden kann, und dass dementsprechend für die gesamte Oberfläche 2 oder für Abschnitte der Oberfläche 2 die Verrundung der jeweiligen Poren 1 einzeln oder als Mittelwert zur Verfügung steht, um eine funktionsorientierte Beurteilung der Oberfläche 2 durchzuführen. Selbstverständlich ist es dabei auch möglich, anstelle von zwei Begrenzungslinien 3, 7 mehr als zwei Begrenzungslinien zu verwenden und/oder einige der Poren 1 über das erste beschriebene Verfahren und andere der Poren 1 über das zweite beschriebene Verfahren hinsichtlich des Anstiegs A ihrer Einzugsverrundungen 4, 4' zu beurteilen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011118589 A1 [0003]
