DE4040786A1

DE4040786A1 - Viscoelastic qualities measuring equipment for temperable surface - applies static and dynamic force and path measurer to rearward extension of probe tip at front end of driven stamp

Info

Publication number: DE4040786A1
Application number: DE19904040786
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr Gratz; Hans-Dieter Dr Schmalz
Original assignee: SCHMALZ HANS DIETER DR
Current assignee: SCHMALZ HANS DIETER DR
Priority date: 1990-12-15
Filing date: 1990-12-15
Publication date: 1992-06-17

Abstract

The probe tip (1) penetrates a microscopically small area of the surface of the sample (13), e.g. an elastomer. The tip holder (2) is mechanically joined to the probe foundation piece (3) joined to retaining springs (14, 15) and axially slidable. The foundation piece has a highly permeable zone (4) and a soft iron piece or permanent magnet (5) at the upper end. A coil is wound (6) axially around the latter to generate constant and variable pressure forces. A coil system (7) is assigned to the base part and coupled to a carrier frequency measurer which produces an output signal (12) at a voltage (VA) proportional to the sliding of the foundation piece. The direction of movement of the latter is unforced parallel to the normal of the sample surface. USE/ADVANTAGE - Polymers, e.g. real and imaging components of the E modulus and the material attenuation. Ascertaining attenuation behaviour of thin surface layer in micro range. Hardness spectrum very wide, i.e. over usual range of elastomers. No special conditions of surface quality required. It can be structured and uneven. No special preparation of specimen necessary. Rapid testing suitable for mass prodn. conditions.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen viskoelastischer Eigenschaften einer temperierbaren Oberfläche.The invention relates to a device and a Method for measuring viscoelastic properties of a temperable surface.

Zur Messung viskoelastischer Eigenschaften von Polymeren, wie zum Beispiel der Real- und Imaginärteil des E-Moduls und die Materialdämpfung, ist eine Reihe von technischen Verfahren bekannt. Diese gehen in der Vielzahl der Fälle von massivem Material aus und benötigen zudem spezielle Probekörper ganz bestimmter Geometrien. Allen gemeinsam ist eine großflächige Berührung mit dem Meßgerät, über die dann mechanische Einwirkungen auf den Prüfling ausgeübt werden und das so erhaltene Meßsignal stets einen Mittelwert aus dem gesamten Prüfvolumen des Probekörpers darstellt. Spezi fische Eigenschaften des Prüflings, wie z. B. ein Gradient viskoelastischer Kenngrößen längs des Probekörperquerschnit tes oder an der Oberfläche geänderte Parameter, können dabei nicht erfaßt werden. Auch werden stets zur Prüfung größere ausgedehnte Oberflächenbereiche der Größenordnung 1 cm² oder mehr benötigt. Punktuelle Messungen sind dagegen bis her nicht möglich. Auch waren Messungen der viskoelastischen Eigenschaften an einen eng begrenzten Härtebereich gebunden, bei dessen Überschreitung die jeweiligen Meßverfahren ver sagen.A number of technical methods are known for measuring the viscoelastic properties of polymers, such as the real and imaginary part of the elastic modulus and the material damping. In the large number of cases, these are based on solid material and also require special test specimens of very specific geometries. Common to all is a large-area contact with the measuring device, via which mechanical influences are then exerted on the test object and the measurement signal thus obtained always represents an average of the entire test volume of the test specimen. Specific properties of the test object, such as. B. a gradient of viscoelastic parameters along the test specimen cross section or on the surface changed parameters can not be detected. Larger, larger surface areas of the order of 1 cm ² or more are always required for testing. In contrast, selective measurements have not been possible up to now. Measurements of the viscoelastic properties were also bound to a narrowly limited hardness range, beyond which the respective measuring methods fail.

So beschreibt Pat. Nr. 18 020 ein Gerät zur Bestimmung des Fließverhaltens bzw. der Härte von halbfesten Massen, das mit einem Kegel ausgerüstet ist. Dieser dringt mit konstan ter Geschwindigkeit in den Prüfling ein und liefert somit eine Aussage zum Fließverhalten. Die Forderung nach konstan ter Eindringgeschwindigkeit erlaubt dabei nur eine Aussage zum Fließverhalten des Materials, aber nicht zu seinen Ma terialkenngrößen, wie z. B. E-Modul oder der Dämpfung des Materials. Darüber hinaus benötigt dieses Verfahren ein großes Prüfkörpervolumen und kann keine speziellen Aussagen zu den Eigenschaften einer dünnen Oberflächenschicht lie fern. Pat. No. 18 020 describes a device for determining the Flow behavior or the hardness of semi-solid masses, that is equipped with a cone. This penetrates with constant speed into the test object and thus delivers a statement about the flow behavior. The demand for constant The rate of penetration allows only one statement on the flow behavior of the material, but not on its dimensions material parameters such as B. modulus of elasticity or the damping of Materials. In addition, this procedure requires one large specimen volume and cannot make any special statements on the properties of a thin surface layer remote.

Entgegen der genannten Patentschrift ist es nicht möglich, daß ein mit Gewichten belasteter Kegel mit gleichmäßiger Ge schwindigkeit in den Prüfling eindringt, weil die mit wach sender Eindringtiefe quadratisch sich vergrößernde Berüh rungsfläche des Kegelmantels mit der des Prüflings einen quadratisch wachsenden Gegendruck des Prüflings hervorruft. Das heißt, ein mit nur Gewichtsstücken belasteter Kegel kann nicht mit linearer Geschwindigkeit in das Elastomer eindrin gen, daher ist die genannte Vorrichtung zur Lösung der ein gangs geschilderten Aufgabe ungeeignet. Bestenfalls kann da mit das Fließverhalten halbfester Massen untereinander ver glichen werden.Contrary to the patent specification mentioned, it is not possible that a weighted cone with a uniform Ge speed penetrates the device under test because it is awake Transmitter depth of penetration square enlarging contact area of the cone shell with that of the test specimen quadratic back pressure of the test object. This means that a cone loaded with weights only can do not enter the elastomer at linear speed gene, therefore the said device for solving the one unsuitable task. At best it can with the flow behavior of semi-solid masses be compared.

In der PS 17 98 121 wird ein Meßverfahren beschrieben, das ei nen Kegel verwendet, der eine oszillierende Drehbewegung aus führt. So können die viskoelastischen Kennwerte eines Elasto mers bestimmt werden. Diese Aufgabe wird zwar gelöst, aber auch hier stellen die Meßwerte stets einen Mittelwert über das gesamte Probenvolumen dar. Auch hier ist das Verfahren an eine bestimmte Probengeometrie (dicker Kegelmantel) gebun den und gestattet somit keine separate Dämpfungsmessung auf einer bearbeiteten Oberfläche. Weiterhin benötigt dieses Ver fahren eine beachtliche Vorbereitungs- und Nachbereitungszeit der Prüfkammer, so daß mit diesem Meßverfahren auch keine kontinuierlichen Messungen elastischer Zustandsgrößen in der Produktion möglich sind.In PS 17 98 121 a measuring method is described, the egg NEN cone that uses an oscillating rotary motion leads. The viscoelastic parameters of an Elasto be determined. This task is solved, however here, too, the measured values always provide an average represents the total sample volume. Again, the procedure is tied to a certain sample geometry (thick cone jacket) and therefore does not allow a separate attenuation measurement a machined surface. This Ver drive a considerable preparation and wrap-up time the test chamber, so that none with this measuring method continuous measurements of elastic state variables in the Production are possible.

Die AS-DE 23 26 256 versucht, die Spannungsrelaxation eines Elastomers auszuwerten, um so das Elastomer in seinen physi kalischen Eigenschaften zu charakterisieren. Dazu wird gleichfalls ein Kegelmantel aus dem zu untersuchenden Elasto mer verwendet, in den ein Metallkegel eingesetzt und so mit einem statischen Drehmoment belastet wird. Der zeitliche Ver lauf der Drehmomentenverringerung im belasteten Elastomer wird ausgewertet, d. h., hier wird auch der gesamte Material querschnitt zur Ergebnisbildung herangezogen. Der Meßvorgang erfolgt quasistatisch, weshalb frequenzabhängige Dämpfungs messungen nicht möglich sind. The AS-DE 23 26 256 tries to relax the stress Evaluate the elastomer so that the elastomer in its physi characterize calic properties. This will likewise a cone jacket made of the elasto to be examined mer used in which a metal cone is inserted and so with static torque. The temporal ver Torque reduction in the loaded elastomer is evaluated, d. that is, here is all the material cross-section used to generate results. The measuring process is quasi-static, which is why frequency-dependent damping measurements are not possible.

Deshalb können wichtige Kenngrößen eines Elastomers nicht gemessen werden. Außerdem verhindert der hohe Vor- und Nacharbeitungsaufwand eine kontinuierliche Messung der Zu standsgrößen und beschränkt das Meßverfahren auf Laborprü fungen. Aussagen zu Oberflächeneigenschaften sind auch hier verfahrenstechnisch bedingt nicht möglich.This is why important parameters of an elastomer cannot be measured. In addition, the high forward and Rework effort a continuous measurement of the Zu sizes and limits the measuring method to laboratory testing exercises. Statements on surface properties are also here Not possible due to procedural reasons.

In der OS 26 39 007 wird ein Rollpendel zur Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften verwendet. Hierbei ist die Abklingzeit einer Rollschwingung ein Maß für die Mate rialdämpfung der Oberfläche. Nachteilig ist die dabei benö tigte glatte und zugleich ebene Oberfläche des zu prüfenden Elastomers. Außerdem muß das zu prüfende Material eine be stimmte geometrische Mindestfläche aufweisen, auf der das Rollpendel aufliegt. Gewölbte Oberflächen sind mit diesem Verfahren wegen der völlig geänderten Druckverteilung des Rollpendels auf das Elastomer nicht vergleichbar mit jenen Ergebnissen, die an einer ebenen Oberfläche gewonnen wurden. Auch der Frequenzbereich der Rollschwingung, bei dem die Messung durchgeführt wird, liegt aufgrund der mechanischen Konstruktion fest und ist nur schwierig veränderbar. Des weiteren ist für kontinuierliche Messungen in der Produk tion dieses Verfahren wegen des ständig nötigen Umbaus der Anordnung und der unter Umständen lange andauernden Roll schwingung nicht geeignet. Daher ist das oben genannte Ver fahren nur zum Vergleich verschiedener Materialien und nicht zur Bestimmung physikalischer Konstanten anwendbar.In OS 26 39 007 a roller pendulum is used for characterization of viscoelastic properties. Here is the cooldown of a rolling vibration is a measure of the mate rial damping of the surface. The disadvantage is that smooth and at the same time flat surface of the test piece Elastomer. In addition, the material to be tested must be certain geometrical minimum area on which the Roll pendulum rests. Arched surfaces are with this Procedure due to the completely changed pressure distribution of the Roll pendulums on the elastomer are not comparable to those Results obtained on a flat surface. The frequency range of the rolling vibration, at which the Measurement is carried out due to the mechanical Construction is firm and is difficult to change. Of Another is for continuous measurements in the product tion of this procedure because of the constantly necessary conversion of the Arrangement and the possibly long lasting roll vibration not suitable. Therefore, the above ver drive only to compare different materials and not applicable for the determination of physical constants.

Ein anderes Verfahren, das die kontinuierliche Messung der Plastizität in der Produktion gestattet, ist in PS 1 47 793 beschrieben. Der hier benutzte Gleitschuh dringt in das vorbeigeführte Meßgut ein, wobei die über den Gleitschuh auf das Meßgut wirkende Druckkraft als Maß für die Plasti zität des Elastomers verwendet wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die Messung der quasistatischen Kraft und Eindringtiefe des Gleitschuhes, aus deren Meßwerten keine Schlußfolgerungen auf die Dämpfung des Elastomers gezogen werden können. Another method that involves the continuous measurement of the Plasticity allowed in production is in PS 1 47 793 described. The slide shoe used here penetrates into that a sample to be passed, the over the slide compressive force acting on the material being measured as a measure of the plasti tity of the elastomer is used. A disadvantage of this Is the measurement of quasi-static force and Depth of penetration of the sliding block, from whose measured values none Conclusions drawn on the damping of the elastomer can be.

Von Nachteil ist weiterhin die enge Begrenzung dieses Ver fahrens auf relativ weiche Elastomere, da sich bei härte ren Werkstoffen die Eindringtiefe des Gleitschuhes wesent lich verringern würde und deswegen auch die Meßfehler dra stisch anwachsen. Unerwünscht ist darüber hinaus die konti nuierliche verfahrensbedingte Beschädigung der Oberfläche des Elastomers durch den ständig in Eingriff stehenden Gleitschuh.Another disadvantage is the narrow limitation of this ver driving on relatively soft elastomers, as hardness materials, the depth of penetration of the sliding block is essential Lich would reduce and therefore the measurement errors dra grow steadily. The konti is also undesirable Nuclear process-related damage to the surface of the elastomer due to the constantly engaged Sliding shoe.

Die DIN 53 513 (Januar 1983) beschreibt die Bestimmung visko elastischer Eigenschaften von Elastomeren außerhalb der Re sonanz, wie sie in der gummierzeugenden Industrie vielfach angewendet wird. Dabei werden planparallele großflächige Platten, zwischen denen sich der Probekörper befindet, ver wendet. Diese werden periodisch zusammengepreßt und aus den dabei gemessenen Kraft- und Weggrößen die mechanischen Kenn werte einschließlich Dämpfung berechnet. Dabei wird die Dämpfung über das gesamte Probenvolumen gemittelt. Aussagen zu den mechanischen Eigenschaften und zum Dämpfungsverhalten der Oberflächenschicht sind hier prinzipiell nicht möglich. Von Nachteil ist das eng begrenzte Werkstoffspektrum (Gummi) sowie die stets aufs neue anzufertigenden Probekörper. Daher kann dieses Verfahren nur im Labor von geschultem Personal ausgeführt werden.DIN 53 513 (January 1983) describes the determination viscous elastic properties of elastomers outside the re sonance, as is common in the rubber-producing industry is applied. In doing so, plane-parallel large areas Plates, between which the test specimen is located, ver turns. These are pressed together periodically and from the the measured mechanical force and displacement values including damping calculated. The Attenuation averaged over the entire sample volume. statement mechanical properties and damping behavior the surface layer is in principle not possible here. A disadvantage is the narrow range of materials (rubber) as well as the test specimens to be made again and again. Therefore this procedure can only be performed in the laboratory by trained personnel be carried out.

Gleichfalls weit verbreitet ist das Torsionspendel (nach DIN 53 445 Aug. 1986), insbesondere zur Ermittlung der Dämpfungs werte eines Elastomers. Die streifenförmige Probe bestimmter Geometrie wird senkrecht aufgehängt, wobei am unteren Ende eine Scheibe mit bekanntem Trägheitsmoment befestigt wird. Diese Scheibe mit Probe führt Torsionsschwingungen mit der systemeigenen Resonanzfrequenz aus. Dabei werden nur geringe Meßfrequenzen erreicht, so daß man zu den oft benötigten Dämpfungswerten bei höheren Frequenzen keine Aussagen erhal ten kann. Nachteilig ist weiterhin die relativ hohe Fehler rate bei Messungen, weil das Torsionspendel im Anregungsfall oftmals noch unerwünschte Pendelschwingungen um den Aufhän gepunkt ausführt und diese zu zusätzlichen Fehlern führen. The torsion pendulum (according to DIN 53 445 Aug. 1986), in particular to determine the damping values of an elastomer. The strip-shaped sample of certain Geometry is hung vertically, with at the bottom a disc with a known moment of inertia is attached. This disc with sample carries torsional vibrations with the native resonance frequency. Thereby only small Measuring frequencies reached, so that one of the often needed Attenuation values at higher frequencies do not contain any statements can. Another disadvantage is the relatively high error rate for measurements, because the torsion pendulum in the case of excitation often undesirable pendulum vibrations around the hanging dotted and this leads to additional errors.

Besonders langwierig werden solche Messungen, wenn die Tem peraturabhängigkeit der Dämpfung zu ermitteln ist, da zum schnellen Temperaturausgleich des streifenförmigen Probekör pers ein direkter thermischer Kontakt mit dem Wärmereservoir wegen der freien Schwingung nicht möglich ist. Die kompli zierte Handhabung, der lange Meßvorgang sowie ein hoher Auf wand bei der Prüfvorbereitung erlauben keine kontinuierliche Produktionsprüfung.Such measurements are particularly tedious when the tem temperature dependency of the damping is to be determined, because at rapid temperature compensation of the strip-shaped test sample pers direct thermal contact with the heat reservoir because of the free vibration is not possible. The compli graceful handling, the long measuring process and a high on wall during test preparation do not allow continuous Production test.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Dämpfungsver halten einer dünnen Oberflächenschicht in einem Mikrobereich eines elastischen Körpers zu ermitteln. Dabei soll das Härte spektrum der Oberfläche, bei dem noch Dämpfungsmessungen mög lich sind, sehr breit sein, also über den üblichen Bereich der Elastomere hinausreichen. An die Oberflächengüte sollen keine besonderen Bedingungen gestellt werden, sie kann durch aus strukturiert und uneben sein. Zudem kann auf die Ferti gung von Probekörpern verzichtet werden. Die erreichbare Meßgeschwindigkeit soll so hoch liegen, daß damit unkompli zierte Prüfungen direkt in der Serienfertigung vorgenommen werden können und unmittelbar nach Beendigung des Meßvorgan ges die viskoelastischen Kennwerte vorliegen.The invention is based, the damping ver keep a thin surface layer in a micro range of an elastic body. The hardship spectrum of the surface where damping measurements are still possible are very wide, i.e. over the usual range of the elastomers. In terms of surface quality no special conditions are imposed, it can be structured and uneven. In addition, the Ferti test specimens. The attainable Measuring speed should be so high that it is uncomplicated admitted tests carried out directly in series production can be and immediately after completion of the Meßgangan the viscoelastic parameters are available.

Zur Lösung der Aufgabenstellung sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vor, daß mittels eines angetriebenen Stempels, an dessen vorderem Ende eine Tasterspitze angeordnet ist, diese in einen mikroskopisch kleinen Bereich in die Oberflä che der Probe eindringt. An der rückwärtigen Verlängerung der Tasterspitze sind der Tastergrundkörper und eine mit die sem fest verbundene bzw. separate, das heißt vom Tastergrund körper getrennte Vorrichtung zum Aufbringen einer statischen und dynamischen Kraft sowie eine Wegmeßvorrichtung angeord net. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daßTo solve the problem, the invention provides Device before that by means of a driven stamp, at the front end there is a stylus tip, this into a microscopic area in the surface surface of the sample. At the rear extension the tip of the button are the button body and one with the Sem firmly connected or separate, that is, from the bottom of the button body-separate device for applying a static and dynamic force and a position measuring device net. The inventive method provides that

a) the probe tip on a small sample surface sets and due to an adjustable static force Sample surface is slightly deformed,
b) this static force is followed by a dynamic perio adjustable force and adjustable amplitude and fre sequence is overlaid,
c) both the time course of the load and the temporal course of the resulting deformation measured and for evaluation in a diagram over time being represented.

Zur Messung der elastischen Kennwerte, insbesondere der Dämpfung, dringt die genannte kegelförmige Tastspitze (Di mensionen kleiner 1 mm) entsprechend der Härte der Werkstoff oberfläche und der erzeugten statischen Kraft F₂ geringfügig in die Oberfläche ein. Dabei braucht die anzuwendende Kraft nur sehr niedrig zu sein, da die kleine und gegen Null ge hende Berührungsfläche A der verwendeten Spitze bereits we gen p = F₂/A (A = Querschnitt der Tasterspitze, die in den Werkstoff eingedrungen ist) einen sehr großen wirksamen Druck p erzeugt, weshalb geringe erforderliche Kräfte sehr leichte Konstruktionen zulassen. Bei weichen Werkstoffen (z. B. Gummi) genügt bereits eine sehr niedrige Kraft F₂, um ein Eindringen der Tasterspitze zu ermöglichen. Wird hin gegen bei harten Oberflächen die gleiche Kraft F₂ angewen det, dringt die Spitze weniger ein. Weil der Spitzenradius gegen Null geht, ist zu Beginn des Eindringens der Spitze in einen harten Werkstoff ein Druck auf Spitze und Material vor handen, der theoretisch unendlich groß wird. Damit ist immer ein geringes Eindringen der Meßspitze in die Werkstoffober fläche gewährleistet. Sollte die Eindringtiefe der Spitze bei harten Stoffen vergrößert werden, kann man die Kraft F₂ weiter steigern. Bei Anwendung einer Spitze als Tastfühler ist also die Messung elastischer Kenngrößen über ein großes Härtespektrum der Oberfläche möglich. Dieser statischen Kraft F₂ wird nun eine periodisch wechselnde Kraft der Am plitude F₁ mit der Frequenz f (Hz) (vorzugsweise F₁(t) = F₁·sin ωt, ω = 2πf) überlagert. To measure the elastic parameters, in particular the damping, the aforementioned conical probe tip (dimensions less than 1 mm) penetrates slightly into the surface according to the hardness of the material surface and the generated static force F ₂ . The force to be used need only be very low, since the small and zero-contact surface A of the tip used already has a very large p = F ₂ / A (A = cross section of the stylus tip that has penetrated the material) effective pressure p generated, which is why low forces required very light structures. In the case of soft materials (e.g. rubber), a very low force F _{2 is} sufficient to allow the stylus tip to penetrate. If the same force F ₂ is used against hard surfaces, the tip penetrates less. Because the tip radius is close to zero, there is pressure on the tip and material at the beginning of the tip penetration into a hard material, which is theoretically infinitely large. This ensures that there is always little penetration of the measuring tip into the surface of the material. If the penetration depth of the tip is increased for hard materials, the force F ₂ can be increased further. When using a tip as a touch probe, it is therefore possible to measure elastic parameters over a large hardness spectrum of the surface. A periodically changing force of the amplitude F ₁ with the frequency f (Hz) (preferably F ₁ (t) = F ₁ .sin ωt, ω = 2πf) is now superimposed on this static force F ₂ .

Aufgrund der elastischen und plastischen Komponenten der Werkstoffoberfläche wird die Tasterspitze bei sich gleich sinnig überlagernden Kräften F₁ und F₂ weiter in den Werk stoff eindringen und danach vom Werkstoff (bei gegensinnig überlagerten Kräften F₁ und F₂) periodisch wieder angehoben. Mit geeigneten und hinreichend empfindlichen Sensoren wird der zeitliche Verlauf der sich auf- bzw. abbauenden Kraft F = F₂+ F₁·sin(ωt) der Tasterspitze auf die Werkstoff oberfläche gemessen und dabei gleichzeitig der Wegverlauf der Spitze verfolgt. Bei plastischen Werkstoffen entsteht eine Phasenverschiebung zwischen der wechselnden Kraft und der darauffolgenden Wegreaktion der Spitze. Mit dieser Pha senverschiebung kann ein plastischer Werkstoff charakteri siert werden (Verlustwinkel). Dabei ist dieser Verlustwin kel praktisch unabhängig von der mikroskopisch kleinen Ein dringtiefe der Spitze, solange die statische Kraft F₂ groß gegen die Kraftamplitude F₁ ist. Es ist ein wesentlicher Vorzug des Meßverfahrens, daß der Verlustwinkel punktförmig auf einer Oberfläche gemessen werden kann, ohne spezielle Probekörper fertigen zu müssen. Wegen dieser punktförmigen Messung spielt die Oberflächengeometrie bzw. -topologie kaum eine Rolle, so daß sogar gegen die Tasterspitze geneig te Oberflächenbereiche auszumessen sind. Bei nicht allzu großen Neigungswinkeln wird der Querschnitt der Tasterspitze, die in den Werkstoff eindringt, elliptisch. Die virtuelle Schnittfläche ist dabei gleich jener, die sich bei senkrech tem Eindringen der Tasterspitze ergibt, so daß sich die Meß ergebnisse praktisch nicht ändern.Due to the elastic and plastic components of the material surface, the stylus tip will penetrate further into the material with the same sensible overlapping forces F ₁ and F ₂ and then periodically raised again by the material (with opposing forces F ₁ and F ₂ ). Using suitable and sufficiently sensitive sensors, the time course of the force F = F ₂ + F ₁ · sin (ωt) of the stylus tip on the material surface is measured and at the same time the path of the tip is tracked. With plastic materials, there is a phase shift between the changing force and the subsequent path reaction of the tip. With this phase shift, a plastic material can be characterized (loss angle). This loss angle is practically independent of the microscopic penetration depth of the tip, as long as the static force F _{2 is} large against the force amplitude F ₁ . It is an essential advantage of the measuring method that the loss angle can be measured point-wise on a surface without having to produce special test specimens. Because of this punctiform measurement, the surface geometry or topology hardly plays a role, so that inclined surface areas can be measured even against the stylus tip. If the angle of inclination is not too large, the cross section of the stylus tip that penetrates the material becomes elliptical. The virtual cutting surface is the same as that which arises when the stylus tip penetrates vertically, so that the measurement results practically do not change.

Wesentlich ist, daß das kegelförmige Meßelement mit dem Ta stergrundkörper eine möglichst geringe Masse besitzt, um den Bereich der Meßfrequenz in Richtung hoher Frequenzen weit ausdehnen zu können. Da für die Auswertung der Phasenver schiebung zwischen Kraft und Weg nur eine Schwingungsperio de erforderlich ist, kann nach einer kurzen elektronischen Auswertung das Meßergebnis sofort vorliegen. Deshalb ist das Meßverfahren nicht nur für Laborzwecke, sondern auch für die Serienprüfung in der Produktion geeignet.It is essential that the conical measuring element with the Ta The basic body has the smallest possible mass around which Range of the measuring frequency in the direction of high frequencies wide to be able to expand. As for the evaluation of the phase ver shift between force and path only a period of vibrations de is required, after a short electronic Evaluation the measurement result is immediately available. Therefore the measuring method not only for laboratory purposes, but also suitable for series testing in production.

Die Erfindung und deren Arbeitsweise soll im folgenden an hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert werden, und zwar zeigenThe invention and its mode of operation are as follows be explained in more detail using the drawings, for example, and show it

Fig. 1 Schematische Darstellung des Meßprinzips, Fig. 1 Schematic representation of the measuring principle,

Fig. 2 Darstellung eines gemessenen Kraft-Weg-Verlaufes über die Zeit, Fig. 2 showing a measured force-displacement curve over time,

Fig. 3 Kraft-Weg-Diagramm beim Eindringen des Tasters in die Werkstückoberfläche mit Arbeitsbereich (AB). Fig. 3 force-displacement diagram when the probe penetrates the workpiece surface with work area (AB).

In der Zeichnung Fig. 1 ist eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung skizziert.A preferred device according to the invention is outlined in the drawing in FIG. 1.

Auf einer temperierbaren Probe 13 ist eine auswechselbare Tasterspitze 1 aufgesetzt. Diese ist über die Tastspitzenhal terung 2 mit dem Tastergrundkörper 3, welcher an den Halte federn 14 und 15 fest verbunden und axial verschiebbar ist, mechanisch fest verbunden. Der Tastergrundkörper 3 besitzt eine hochpermeable Zone 4 und am oberen Ende einen Weich eisenkörper oder Permanentmagnet 5. Um den Tastergrundkörper 5 sind axial eine Spule zur Erzeugung einer konstanten und wechselnden Druckkraft 6 sowie ein Spulensystem 7 angebracht. Dieses ist an ein Trägerfrequenzmeßgerät angeschlossen, wel ches ein zur Tastergrundkörperverschiebung proportionales Ausgangssignal 12 mit der Spannung U_A liefert. An die Spulen 6 zur Erzeugung einer Druckkraft ist über den Widerstand 16 ein Leistungsverstärker angeschlossen, an dessen Eingängen eine regelbare Gleichspannungsquelle 10 und ein Tongenera tor 11 angeschlossen sind. Der durch den Widerstand 16 fließende Spulenstrom wird phasenfehlerfrei mit Hilfe des Differenzverstärkers 17 gemessen, dessen Ausgangsspannung U_DA direkt proportional zum zeitlichen Verlauf der Taster kraft F(t) ist. Es besteht prinzipiell auch die Möglichkeit, den Tasterkraftverlauf F(t) über einen in den Tastergrund körper eingebauten Kraftsensor 20 (z. B. piezoelektrische Scheibe) direkt zu messen. A replaceable probe tip 1 is placed on a temperature-controllable sample 13 . This is via the probe tip holder 2 with the probe base 3 , which is connected to the holding springs 14 and 15 and is axially displaceable, mechanically fixed. The pushbutton main body 3 has a highly permeable zone 4 and a soft iron body or permanent magnet 5 at the upper end. A coil for generating a constant and changing pressure force 6 as well as a coil system 7 are axially mounted around the pushbutton main body 5 . This is connected to a carrier frequency measuring device, which supplies an output signal 12 proportional to the pushbutton displacement with the voltage U _A. To the coils 6 for generating a compressive force, a power amplifier is connected via the resistor 16 , at the inputs of which a controllable direct voltage source 10 and a sound generator 11 are connected. The coil current flowing through the resistor 16 is measured without phase errors with the aid of the differential amplifier 17 , the output voltage U _{DA of which is} directly proportional to the time course of the push button force F (t). In principle, there is also the possibility of directly measuring the stylus force curve F (t) via a force sensor 20 (for example piezoelectric disk) built into the probe base body.

Nachfolgend soll die Arbeitsweise anhand des Zusammenwirkens aller in Fig. 1 dargestellten Komponenten näher erläutert werden: Die Tasterspitze 1 wird auf die Probenoberfläche zur Bestim mung des Dämpfungsverhaltens der Probe (z. B. Elastomer) aufgesetzt. Wird auf den Tasterstift 5 eine konstante, aber von der Tasterbewegung nahezu unabhängige geringe Kraft F₂ ausgeübt, entsteht am Aufsetzpunkt der Mikrospitze 1 ein hoher Druck. Dieser bewirkt ein Eindringen der Mikrospitze 1 in die Oberfläche entsprechend den elastischen Kenngrößen des Werkstoffes. Das geschieht schon bei relativ harten Werkstoffen aufgrund des hohen, aber regulierbaren Spitzen druckes. In Fig. 3 ist die entsprechende Kraft(F)-Weg(S)- Kennlinie dargestellt, die etwa parabelförmigen Verlauf be sitzt. Dabei liegt der Mittelpunkt des Weges S auf der Pro benoberfläche. Bei einer eingestellten Druckkraft F₂ sinkt die Spitze in die Oberfläche auf die Tiefe S₂ ein, die eini ge µm betragen kann. Zusätzlich zur konstanten Kraft F₂ wird dem Tasterstift eine periodisch wechselnde Kraft F₁·sinωt überlagert. Die Amplitude F₁ sollte klein gegen F₂ sein (vergleiche Fig. 3) und den Arbeitsbereich (AB) nicht über schreiten. Somit schwankt die resultierende Tasterkraft F mit der Amplitude F₁. Die Folge davon ist ein periodisches Einsinken und Wiederanheben der Position S der Mikrospitze mit der Amplitude S₁ entsprechend den elastischen Komponen ten der zu prüfenden Oberfläche.The mode of operation is to be explained in more detail below on the basis of the interaction of all of the components shown in FIG. 1: the probe tip 1 is placed on the sample surface to determine the damping behavior of the sample (e.g. elastomer). If a constant low force F _{2 is} exerted on the stylus 5 , but almost independent of the movement of the stylus, a high pressure is created at the point of attachment of the micro tip 1 . This causes the micro tip 1 to penetrate into the surface in accordance with the elastic parameters of the material. This happens even with relatively hard materials due to the high but adjustable peak pressure. In Fig. 3 the corresponding force (F) -Weg (S) - characteristic curve is shown, which sits approximately parabolic course be. The center of the path S lies on the sample surface. At a set pressure force F ₂ , the tip sinks into the surface to the depth S ₂ , which can be a few µm. In addition to the constant force F ₂ , a periodically changing force F ₁ · sinωt is superimposed on the stylus. The amplitude F ₁ should be small compared to F ₂ (see FIG. 3) and should not exceed the working range (AB). The resulting probe force F thus fluctuates with the amplitude F ₁ . The result of this is a periodic sinking and raising the position S of the microtip with the amplitude S ₁ corresponding to the elastic components of the surface to be tested.

Besteht nun der E-Modul der Oberfläche aus einem elastischen Anteil E′ und einem viskosen Anteil E′′, bewirkt letzterer eine Phasenverschiebung ϕ zwischen erregender Kraft F und dem sich aufgrund der Materialeigenschaften ergebenden zeitlichen Wegverlauf S nach Fig. 2. Die Phasenverschiebung zwischen Kraft und Weg ist grundsätzlich physikalisch bedingt und läßt sich aus tan = E′′/E′ berechnen, wobei zu einem festen Zeitpunkt die Kraft F(t) dem Weg S(t) stets um einen Phasenwinkel ϕ vorauseilt. In dieser Phasenverschie bung ϕ ist die gesuchte Information über die Dämpfung der Oberfläche enthalten. If the modulus of elasticity of the surface now consists of an elastic component E 'and a viscous component E'', the latter causes a phase shift ϕ between exciting force F and the time path S resulting from the material properties according to FIG. 2. The phase shift between force and path is fundamentally physical and can be calculated from tan = E ′ ′ / E ′, the force F (t) always leading the path S (t) by a phase angle ϕ at a fixed point in time. This phase shift ϕ contains the information you are looking for about the damping of the surface.

Die technische Ausführung der Kraftaufbringung, Kraftmes sung und Wegmessung ist in Fig. 1 gezeigt. Zunächst wird der Taster als Gesamteinrichtung mit Hilfe einer hier nicht dar gestellten Feinverstellung in Berührung mit der Oberfläche gebracht, was an der Anzeige der Positionsmeßeinrichtung erkennbar ist. Die hier dargestellte Positionsmeßeinrichtung besteht ihrem Wesen nach aus einem Spulensatz 7 und dem hochpermeablen Kern 4, also einem induktiven Wandler. Dieser wird aus dem Trägerfrequenzmeßgerät 9 gespeist, an dessen Ausgang ein der Wegverschiebung ΔS proportionales Signal U_A erscheint. Wird nun an den Eingang des Leistungsverstärkers 8 eine variable Gleichspannung 10 gelegt, so fließt ein Gleichstrom über den Verstärker und die Spule 6. Das durch den Spulenstrom erzeugte Magnetfeld hat eine Zugkraft F₂ auf den Kern zur Folge, die den an den Haltefedern 15 und 16 befestigten Tasterstift so weit absenkt, bis die entspre chende Gegenkraft über die Federn 14 und 15 sowie die der Probe 13 aufgebaut ist. Die Tasterspitze dringt geringfügig in die Probe 13 bis zur Tiefe S₂ ein. Die Tiefe ist über die variable Spannung regelbar und am Meßgerät 9 abzulesen. Somit kann außerdem über die Kennlinie in Bild 3 sofort die Oberflächenhärte ermittelt werden. Um nun über die Phasen verschiebung ϕ ein Maß für die Materialdämpfung zu erhalten, wird der Taster in geringe axiale Schwingungen der Frequenz f und Amplitude S₁ versetzt. Das geschieht, indem am Eingang des Leistungsverstärkers ein periodisch wechselndes Signal 11 angelegt und so der Spulenstrom mit der Frequenz f modu liert wird. Damit entsteht eine zeitlich wechselnde Kraft F₁ auf die Probe im Berührungspunkt. Die zugehörige F(t)-Kurve ist im allgemeinen phasenverschoben zur s(t)-Reaktion der auf der Oberfläche sitzenden Tasterspitze 1. Beide Signale werden einer Auswerteeinrichtung 18 zur Ermittlung von ϕ zugeführt.The technical design of the force application, force measurement and displacement measurement is shown in FIG. 1. First of all, the pushbutton is brought into contact with the surface as a complete device with the aid of a fine adjustment not shown here, which can be recognized from the display of the position measuring device. The position measuring device shown here essentially consists of a coil set 7 and the highly permeable core 4 , that is to say an inductive transducer. This is fed from the carrier frequency measuring device 9 , at whose output a signal U _A proportional to the displacement ΔS appears. If a variable DC voltage 10 is now applied to the input of the power amplifier 8 , a DC current flows through the amplifier and the coil 6 . The magnetic field generated by the coil current results in a tensile force F ₂ on the core, which lowers the stylus attached to the retaining springs 15 and 16 until the corresponding counterforce is built up via the springs 14 and 15 and that of the sample 13 . The probe tip penetrates slightly into the sample 13 to the depth S ₂ . The depth can be regulated via the variable voltage and can be read on the measuring device 9 . Thus, the surface hardness can also be determined immediately using the characteristic curve in Figure 3 . In order to obtain a measure of the material damping via the phase shift ϕ, the button is set into slight axial vibrations of the frequency f and amplitude S ₁ . This is done by applying a periodically changing signal 11 at the input of the power amplifier and thus modulating the coil current with the frequency f. This creates a time-changing force F ₁ on the sample at the point of contact. The associated F (t) curve is generally out of phase with the s (t) reaction of the stylus tip 1 sitting on the surface. Both signals are fed to an evaluation device 18 for determining ϕ.

Weil aber die Spule 6 einen frequenzabhängigen Blindwider stand besitzt und dieser eine nicht vorhandene Phasendrehung ϕ′ vortäuschen würde, wird über den Widerstand 16 der Spulen strom direkt gemessen (dieser ist der Kraft F proportional). But because the coil 6 had a frequency-dependent reactance and this would pretend a phase shift ϕ 'not present, current is measured directly via the resistor 16 of the coil (this is proportional to the force F).

Das geschieht über den Differenzverstärker 17, dessen Aus gangsspannung proportional der am Taster wirkenden Gesamt kraft F ist und so phasenfehlerfrei zur Auswerteeinrichtung 18 geleitet wird. Zur Dämpfungsmessung an besonders weichen Oberflächen kann die Mikrospitze 1 auch gegen eine andersgeartete Spitze (rund, zylindrisch) gewechselt werden, wozu die Tastspitzen halterung 2 dient. Mit der Temperaturregeleinrichtung 19 wird die Probentempe ratur auf den gewünschten Wert eingeregelt.This is done via the differential amplifier 17 , the output voltage of which is proportional to the total force F acting on the button and is thus passed to the evaluation device 18 without phase errors. To measure attenuation on particularly soft surfaces, the micro tip 1 can also be exchanged for a different type of tip (round, cylindrical), for which the probe tip holder 2 is used. With the temperature control device 19 , the sample temperature is adjusted to the desired value.

Die Vorteile der Erfindung liegen, wie beschrieben, in einer mit diesem Verfahren möglichen Bestimmung der elastischen Kennwerte einer Oberfläche (insbesondere der Dämpfung). Vor teilhaft ist weiterhin die Einfachheit in der Anwendung des Meßverfahrens, das eine schnelle Messung ohne spezielle Pro benvorbereitung gestattet und so auch in der laufenden Pro duktion sowie im Labor Anwendung finden kann. Eine besondere und zugleich sehr nützliche Eigenschaft des Verfahrens liegt darin, keine speziellen Anforderungen an die Oberflächen rauhigkeiten bzw. Oberflächentopologien des Körpers zu stel len und sogar geneigte Oberflächen zur Messung zuzulassen. As described, the advantages of the invention lie in one with this method possible determination of the elastic Characteristic values of a surface (especially the damping). Before the simplicity in the application of the Measuring method, which is a quick measurement without special Pro preparation is permitted and thus also in the running sample production as well as in the laboratory. A special and at the same time very useful property of the method in it, no special surface requirements roughness or surface topologies of the body len and even allow inclined surfaces for measurement.

Aufstellung der Bezugszeichen:List of reference symbols:

1 Auswechselbare Tasterspitze (Mikrospitze)
2 Tasterspitzenhalterung
3 Tastergrundkörper
4 Hochpermeable Tasteroberfläche
5 Weicheisenkörper/Permanentmagnet
6 Spule zur Erzeugung einer konstanten Druckkraft und einer wechselnden Kraft
7 Spulensystem zur Messung des Tasterweges
8 Leistungsverstärker zur Erzeugung einer der Eingangs spannung (Gleich- und Wechselspannung) proportionalen und verstärkten Ausgangsspannung
9 Trägerfrequenzmeßgerät zur Messung der Tasterweg änderung
10 Einstellbare Gleichspannung zur Erzielung einer Vor kraft F₂ an der Tasterspitze
11 Einstellbarer Signalgenerator (Frequenz, Amplitude) zur Erzeugung einer der wechselnden Generatorspannung proportional wechselnden Tasterkraftamplitude
12 Tasterwegproportionale Ausgangsspannung
13 Probe, z. B. Elastomer
14, 15 Haltefedern für den Tasterkörper 3
16 Widerstand zur phasenfehlerfreien Erzeugung einer strom- und kraftproportionalen Hilfsspannung
17 Differenzverstärker zur Wandlung einer der Hilfsspan nung (proportional zur Tasterkraft) proportionalen Aus gangsspannung
18 Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Phasendifferenz ϕ
19 Temperaturregeleinrichtung
20 Kraftsensor 1 replaceable stylus tip (micro tip)
2 stylus tip holder
3 button base
4 Highly permeable button surface
5 soft iron body / permanent magnet
6 coil for generating a constant pressure force and an alternating force
7 coil system for measuring the traverse path
8 power amplifiers for generating an output voltage proportional and amplified to the input voltage (direct and alternating voltage)
9 Carrier frequency measuring device for measuring the change in the scanning distance
10 Adjustable DC voltage to achieve a force before F₂ at the tip of the button
11 Adjustable signal generator (frequency, amplitude) for generating a probe force amplitude that changes proportionally to the changing generator voltage
12 Output voltage proportional to the key travel
13 sample, e.g. B. elastomer
14, 15 retaining springs for the push button body 3
16 Resistor for phase-free generation of an auxiliary voltage proportional to the current and force
17 differential amplifier for converting an output voltage proportional to the auxiliary voltage (proportional to the stylus force)
18 evaluation device for determining the phase difference ϕ
19 temperature control device
20 force sensor

Claims

1. Device for measuring viscoelastic properties a surface by means of a driven stamp, at the front end there is a stylus tip, the on a microscopic area in the upper area of a sample penetrates, characterized in that that at the rear extension of the stylus tip a device for applying the pushbutton main body a static and dynamic force as well as a way Measuring device in the direction of the probe body axis is arranged, the direction of movement of the button body not necessarily parallel to the surface normal the sample surface.

2. A method for measuring viscoelastic properties on a temperature-controlled surface, characterized in that

a) the probe tip is placed on a small sample surface and the sample surface is slightly deformed due to an adjustable static force,
b) this static force is followed by a dynamically periodically changing force of adjustable amplitude and frequency, and
c) both the time course of the load and the time course of the resulting deformation are measured and are shown together for evaluation in a diagram over time.