DE19650876C2 - Process for the optical examination of the surface layer of flexible materials, in particular flexible plastics, and device for carrying out the process - Google Patents
Process for the optical examination of the surface layer of flexible materials, in particular flexible plastics, and device for carrying out the processInfo
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Abstract
Die zu untersuchende weichelastische Oberfläche wird durch einen ebenen oder gekrümmten, transparenten Prüfkörper mit einer gegebenen Belastung lokal verformt. Die vom Prüfkörper und der Last vorgegebene Kontaktfläche, die infolge der Rauhheit der zu untersuchenden Fläche in eine tragende bzw. eine Defektfläche zerfällt, wird optisch gemessen und analysiert. Aus Größe und Struktur der Kontaktfläche bzw. deren zeitlichen Änderung unter Last, können Topologie und die elastischen/zähelastischen Eigenschaften der Oberflächenmaterialschicht bestimmt werden.The soft elastic surface to be examined is locally deformed by a flat or curved, transparent test specimen with a given load. The contact area specified by the test specimen and the load, which breaks down into a load-bearing or a defect area due to the roughness of the area to be examined, is optically measured and analyzed. From the size and structure of the contact surface or its change over time under load, the topology and the elastic / tough elastic properties of the surface material layer can be determined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Untersuchung der Oberflächenschicht von weichelastischen Stoffen, insbesondere von weichelastischen Kunststoffen, gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 2.The invention relates to a method for optical Examination of the surface layer of soft elastic Fabrics, especially soft elastic plastics, according to claim 1 and an apparatus for performing the method according to Claim 2.
Es ist bekannt, daß physikalische Prüfmethoden für weich elastische Materialien (v. a. Kunststoffe) auf dem Eindringen von Prüfkörpern in die Oberfläche beruhen (z. B. DIN 53519 Bestimmung der Kugeldruckhärte von Weichgummi. Internationaler Gummihärtegrad IRHD, DIN 53505 Prüfung von Kautschuk, Elastomeren und Kunststoffen. Härteprüfung nach SHORE A und D).It is known that physical test methods for soft elastic materials (especially plastics) on the penetration of test specimens in the surface (e.g. DIN 53519 Determination of the ball indentation hardness of soft rubber. More international Rubber hardness grade IRHD, DIN 53505 testing of rubber, Elastomers and plastics. Hardness test according to SHORE A and D).
Ebenfalls bekannt ist die Oberflächeninspektion zum Erkennen von Defekten an Oberflächen (z. B. Farbabweichungen, Muster) unter Einsatz der elektronischen Bildverarbeitung.Surface inspection for detection is also known defects on surfaces (e.g. color deviations, patterns) using electronic image processing.
Vor allem das Oberflächenmaterial von Kunststoff-Formteilen ist während der Herstellung und im Betrieb immer stärkeren Einwirkungen durch Festkörper, Flüssigkeiten, Gasen und Strahlung ausgesetzt, die zu physikalisch-chemischen Ver änderungen führen können und die Nutzungsdauer begrenzen. Für eine Vielzahl unterschiedlicher, sich ständig ändernder Anfor derungen steht heute eine breite Palette von Kunststoffen zur Verfügung, so daß eine optimale Werkstoffauswahl für einen speziellen Anwendungsfall im allgemeinen nur durch Testreihen erfolgen kann.Especially the surface material of molded plastic parts is always stronger during manufacture and operation Effects from solids, liquids, gases and Exposed to radiation that leads to physico-chemical ver can lead to changes and limit the useful life. For a variety of different, constantly changing requirements a wide range of plastics is available today Available, so that an optimal material selection for one special application in general only through test series can be done.
Den Stand der Technik stellen die Schriften
Lindemann/Rottmann: Spike Detection Apparatus for
Semiconductor Wafers
(IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 13, Juli 1970, Seiten
398 und 399)
und
Verfahren und Vorrichtung zur Sichtbarmachung und/oder Messung
kleinster Verformungen von Bauteilen (DE 41 24 755 A1)
dar.The writings represent the state of the art
Lindemann / Rottmann: Spike Detection Apparatus for Semiconductor Wafers
(IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 13, July 1970, pages 398 and 399) and
Method and device for visualization and / or measurement of the smallest deformations of components (DE 41 24 755 A1).
Diese Schriften behandeln den Nachweis von Gestaltsabweichungen (durch Spikes oder Verformung) der zu untersuchenden Oberfläche im Vergleich zu einer transparenten Planplatte durch Interferenzen im Auflicht. Die Glasplatte dient dabei lediglich als Referenzfläche und nicht zur Deformation des Oberflächenmaterials. Dadurch können nur reine Gestaltsabweichungen, aber keine Veränderungen der Materialeigenschaften erfaßt werden.These writings deal with the proof of design deviations (through spikes or deformation) of the examined Surface compared to a transparent flat plate through interference in incident light. The glass plate serves only as a reference surface and not for deformation of the Surface material. This allows only pure Shape deviations, but no changes in Material properties are recorded.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß die standardisierten Verfahren für die Erfassung von Veränderungen in dünnen Oberflächenschichten von der Größenordnung der Rauheit technischer Oberflächen (z. B. durch Verschleiß und Alterung) nicht empfindlich genug sind. Sie ermitteln außerdem nicht gleichzeitig Veränderungen der Gestalt und der Deformationseigenschaften in einem größeren Oberflächenbezirk und dokumentieren diese nicht ausreichend (z. B. bildlich).The invention is based on the problem that the standardized procedures for the detection of changes in thin surface layers of the order of magnitude Roughness of technical surfaces (e.g. due to wear and tear Aging) are not sensitive enough. They also investigate not changes in shape and appearance at the same time Deformation properties in a larger surface area and do not document them sufficiently (e.g. figuratively).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zerstörungsfrei das Profil und die Verformungseigenschaften des Oberflächenmaterials in einem größeren Oberflächenbezirk (Durchmesser in der Größenordnung mm bis cm) zu bestimmen. The invention is therefore based on the object non-destructive the profile and the deformation properties of the surface material in a larger surface area (Diameter in the order of mm to cm).
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 2.This problem is solved with regard to the method by the features of claim 1 and in terms of Device with the features of claim 2.
Die Erfindung wird anhand der Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigt:The invention is explained in more detail with the aid of the figures. It shows:
Abb. 1. Meßvorrichtung für Materialoberflächen, insbesondere für weichelastische Werkstoffe (schematisch) Fig. 1. Measuring device for material surfaces, especially for flexible materials (schematic)
Abb. 2. Grauwert- und Binärbild einer Kontaktfläche Ar, Fig. 2. Gray value and binary image of a contact area A r ,
Abb. 3. Beispiele für Vergleichskörper unterschiedlicher Form mit zugehörigem berechneten Pressungsverlauf Fig. 3. Examples of comparative bodies of different shapes with the corresponding calculated pressure profile
Abb. 4. Auswerteverfahren: Verteilung der Defektflächen nach Größe und Orientierung für Abb. 2 Fig. 4. Evaluation method: distribution of the defect areas according to size and orientation for Fig. 2
Das Meßverfahren (Aufbau s. Abb. 1) erfaßt sowohl Deformationseigenschaften des Oberflächenmaterials als auch die Gestalt (Welligkeit, Rauheit) der Oberfläche, indem es die Belastungs- und Zeitabhängigkeit der tragenden Kontaktfläche Ar zu einem transparenten Vergleichskörper aufzeichnet. Das zunächst gewonnene Grauwert-Bild wird in einem elektronischen Bildverarbeitungssystem bearbeitet (Helligkeit, Kontrast, Beseitigung der inhomogenen Ausleuchtung, Festlegung des Bildvordergrundes) und schließlich in ein Binär-Bild umge wandelt. Dieses enthält nur Information darüber, an welchen Orten Kontakt zwischen dem Vergleichskörper und der zu untersuchenden Oberfläche besteht (Ja-Nein-Entscheidung), unabhängig von deren Farbe (s. Abb. 2). Für einen starren Vergleichskörper gegebener Oberflächenqualität hängt unter einer geeigneten äußeren Belastung die Struktur dieses Binärbildes nur von der Oberflächengestalt und den Defor mationseigenschaften des zu untersuchenden Oberflächenmate rials ab. Deshalb können mit dem Zusammenhang Ar = Ar(σik(t)) (σik Normal- und Tangentialspannungen an der Kontaktfläche, t Zeit) Verschleiß und Alterung an der Materialoberfläche erfaßt und dokumentiert werden.The measuring method (structure see Fig. 1) records both the deformation properties of the surface material and the shape (waviness, roughness) of the surface by recording the load and time dependency of the load-bearing contact surface A r to form a transparent reference body. The gray value image initially obtained is processed in an electronic image processing system (brightness, contrast, removal of the inhomogeneous illumination, definition of the foreground of the image) and finally converted into a binary image. This only contains information about the places where there is contact between the reference body and the surface to be examined (yes-no decision), regardless of its color (see Fig. 2). For a rigid reference body of a given surface quality, the structure of this binary image depends only on the surface shape and the deformation properties of the surface material to be examined under a suitable external load. Therefore, with the relationship A r = A r (σ ik (t)) (σ ik normal and tangential stresses on the contact surface, t time) wear and aging on the material surface can be recorded and documented.
Über Material und Form des Vergleichskörpers (Abb. 3), durch auf ihn wirkende Normal- und Tangentialkräfte und durch die Verwendung reibungsmindernder Substanzen an der Kontaktfläche kann der Deformationszustand zielgerichtet verändert werden.The deformation state can be changed in a targeted manner using the material and shape of the reference block ( Fig. 3), the normal and tangential forces acting on it and the use of friction-reducing substances on the contact surface.
Mit Hilfe der elektronischen Bildanalyse werden aus dem
aufgezeichneten Binärbild der tragenden Kontaktfläche Ar
quantitative Kenngrößen zur Charakterisierung des
Oberfächenmaterials ermittelt, wie: Traganteil (= Verhältnis
von tragender zu nomineller Fläche), Defektflächendichte,
mittlere Defektgröße und Standardabweichung, Verteilungen nach
Größe und Form (z. B. Orientierung der größten Durchmesser zur
Erkennung von Vorzugsrichtungen) der Defektflächen (s. Abb. 4).
Aus der Änderung dieser Größen bei wechselnder Belastung oder
mit wachsender Standzeit des Kontaktes (d. h. aus dem
Zusammenhang Ar = Ar(σik(t)), σik Normal- und
Tangentialspannungen an der Kontaktfläche, t Zeit) können
unter Nutzung von Aussagen der Kontaktmechanik elastische
bzw. viskoelastische Materialkonstanten ermittelt werden, z.
B. durch die Beziehung
With the help of the electronic image analysis, quantitative characteristics for the characterization of the surface material are determined from the recorded binary image of the load-bearing contact surface A r , such as: load share (= ratio of load-bearing to nominal surface), defect surface density, average defect size and standard deviation, distributions by size and shape (e.g. B. Orientation of the largest diameters to identify preferred directions) of the defect surfaces (see Fig. 4). From the change of these quantities with changing load or with increasing service life of the contact (ie from the context A r = A r (σ ik (t)), σ ik normal and tangential stresses on the contact surface, t time) can be made using statements the contact mechanics elastic or viscoelastic material constants are determined, for. B. through the relationship
(p = σy nominelle Pressung, E YOUNGscher Elastizitätsmodul, β dimensionslose Größe, die die Rauheit der Oberflächen charakterisiert, nach BARTENEV, s. z. B. in Kragelski/Do bycin/Kombalov: Grundlagen der Berechnung von Reibung und Verschleiß, Verlag Technik Berlin 1982). Außerdem läßt sich aus Ar = Ar(p) die ursprüngliche, nicht deformierte Ober flächengestalt rekonstruieren. Bei Schaumstoffen kann aus Ar auch Größe und Form offener Poren an der Oberfläche bestimmt werden.(p = σ y nominal pressure, E YOUNG modulus of elasticity, β dimensionless quantity that characterizes the roughness of the surfaces, according to BARTENEV, see e.g. in Kragelski / Do bycin / Kombalov: Fundamentals of the calculation of friction and wear, Verlag Technik Berlin 1982 ) . In addition, from A r = A r (p) the original, undeformed surface shape can be reconstructed. In the case of foams, the size and shape of open pores on the surface can also be determined from A r .
Claims (2)
- - Erzeugen einer Deformation durch einen, mit einer Kraft beaufschlagten transparenten Prüfkörper auf der Oberflächenschicht,
- - Beleuchten der deformierten Oberflächenschicht im Auflicht durch den Prüfkörper hindurch und Erfassen des Bildes der deformierten Oberfläche ebenfalls durch den Prüfkörper hindurch,
- - elektronische Bildanalyse der nominellen, vom Prüfkörper vorgegeben Fläche (An) hinsichtlich tragender Realfläche (Ar) und Defektfläche (An - Ar),
- - Bestimmen von elastischen und/oder zähelastischen Materialkonstanten aus der Größe und der Struktur der tragenden Realfläche (Ar), der Form des Prüfkörpers, der Größe der beaufschlagenden Kraft und der Standzeit unter Last.
- Generating a deformation on the surface layer by means of a transparent test specimen subjected to a force,
- Illuminating the deformed surface layer in incident light through the test specimen and capturing the image of the deformed surface also through the test specimen,
- - electronic image analysis of the nominal area (A n ) specified by the test specimen with regard to the load-bearing real area (A r ) and defect area (A n - A r ),
- - Determination of elastic and / or tough elastic material constants from the size and structure of the load-bearing real surface (A r ), the shape of the test specimen, the size of the applied force and the service life under load.
- - einem, mit einer Kraft beaufschlagbaren, transparenten Prüfkörper zur Erzeugung einer Deformation auf der Oberflächenschicht,
- - einer vergrößernden optischen Einrichtung mit einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der deformierten Oberflächenschicht im Auflicht durch den Prüfkörper hindurch und zum Erfassen des Bildes der deformierten Oberfläche ebenfalls durch den Prüfkörper hindurch,
- - einer, eine CCD-Kamera aufweisenden Vorrichtung zur elektronischen Bildanalyse der nominellen, vom Prüfkörper vorgegeben Fläche (An) hinsichtlich tragender Realfläche (Ar) und Defektfläche (An - Ar),
- - Mittel zur Bestimmung von elastischen und/oder zähelastischen Materialkonstanten aus der Größe und der Struktur der tragenden Realfläche (Ar), der Form des Prüfkörpers, der Größe der beaufschlagenden Kraft und der Standzeit unter Last.
- a transparent test specimen to which a force can be applied to produce a deformation on the surface layer,
- an enlarging optical device with an illuminating device for illuminating the deformed surface layer in incident light through the test specimen and for capturing the image of the deformed surface likewise through the test specimen,
- a device having a CCD camera for electronic image analysis of the nominal area (A n ) specified by the test specimen with regard to the supporting real area (A r ) and defect area (A n - A r ),
- - Means for determining elastic and / or tough elastic material constants from the size and structure of the load-bearing real surface (A r ), the shape of the test specimen, the size of the applied force and the service life under load.
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DE19650876A1 (en) | 1998-06-10 |
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