GOLOVKO DMYTRO (DE)
JP2010287829A | 2010-12-24 | |||
US20130037981A1 | 2013-02-14 | |||
JP2008279772A | 2008-11-20 |
P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Vorrichtung (1) zum Erzeugen einer Abformung einer Oberflächeneigenschaft mit einem Gehäuse (3) , mit einem an oder in dem Gehäuse (3) gelagerten verlagerbaren und auf eine Oberfläche (2) andrückbaren Druckstempel (4), der einen Rohlingträger (5) mit einer an die Oberfläche (2) andrückbaren Druckfläche (6) aufweist, an der ein Abformrohling (7) mit einer Abformschicht (9) aus einem aushärtbaren Material lösbar festlegbar ist, und mit einer an oder in dem Gehäuse (3) angeordneten Aushärteinrichtung (12), mit welcher das aushärtbare Material des Abformrohlings (7) während des Andrückens an die Oberfläche (2) ausgehärtet werden kann. 2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohlingträger (5) schwenkbar gelagert ist. 3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohlingträger (5) mindestens zwei relativ zueinander verlagerbare Andrucksegmente (18) aufweist . 4. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Positioniereinrichtung für den verlagerbaren Druckstempel (4) aufweist. 5. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Kraftmesseinrichtung (22) aufweist, mit welcher eine auf den Druckstempel ausgeübte Zugkraft oder Druckkraft erfasst werden kann. 6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (22) an einer Führungsstange (17) des Druckstempels (4) angeordnet ist. 7. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen mit einer Verlagerungseinrichtung gelagerten Verformungskörper (23) aufweist, der durch eine Betätigungseinrichtung an die Oberfläche (2) angepresst werden kann, um eine Verformung der Oberfläche (2) zu bewirken. 8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (23) in dem Rohlingträger (5) zwischen einer aus dem Rohlingträger (5) über die Druckfläche (6) herausragenden Anpressposition und einer in den Rohlingträger (5) zurückgezogenen, nicht über die Druckfläche (6) herausragenden Ruheposition verlagerbar gelagert ist. 9. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärteinrichtung (12) eine Beleuchtungseinrichtung mit elektromagnetischer Strahlung aufweist. 10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung UV- Strahlung emittiert. 11. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfläche (6) des Rohlingträgers (5) eine Haftschicht für die lösbare Festlegung des Abformrohlings (7) aufweist. 12. Abformrohling (7) mit einer Abformschicht (9) aus einem aushärtbaren Material zur Verwendung mit der Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abformschicht (9) auf einer Trägerschicht (8) angeordnet ist, mit welcher der Abformrohling (7) an einer Druckfläche (6) eines Druckstempels (4) festgelegt und nach der Aushärtung des aushärtbaren Materials der Abformschicht (9) wieder von der Druckfläche (6) gelöst werden kann. 13. Abformrohling (7) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abformschicht zusätzlich zu dem aushärtbaren Material eine weitere Materialkomponente aufweist, mit der zusätzlich zu einer Oberflächentopographie eine weitere Oberflächeneigenschaft abgeformt werden kann. 14. Abformrohling (7) nach Anspruch 12 der Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (8) aus einem formstabilen Material besteht. 15. Abformrohling (7) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abformrohling (7) eine Ausnehmung aufweist, die von der Abformschicht (9) aus dem aushärtbaren Material umgeben ist. 16. Verfahren zum Erzeugen einer Abformung einer Oberfläche (2) oder einer Oberflächeneigenschaft, wobei in einem Andrückschritt ein Abformrohling (7) mit einer Abformschicht (9) aus einem aushärtbaren Material auf einer Druckfläche (6) eines Druckstempel (4) festgelegt und mit dem Druckstempel (6) an die Oberfläche (2) angedrückt wird, wobei in einem Abformschritt mit einer Aushärteinrichtung (12) das aushärtbare Material der Abformschicht (9) während des Andrückens ausgehärtet wird, und wobei in einem Entnahmeschritt der Abformrohling (7) mit der ausgehärteten Abformung der Oberfläche (2) von dem Druckstempel (4) gelöst wird. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das aushärtbare Material der Abformschicht (7) ein mit elektromagnetischer Strahlung aktivierbares vernetzendes Polymer ist und dass in dem Abformschritt das vernetzende Polymer mit einer Beleuchtungseinrichtung mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das aushärtbare Material der Abformschicht (9) mit UV- Strahlung bestrahlt wird. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass während des Andrückschritts mit einer Kraftmesseinrichtung (22) eine auf den Druckstempel (4) ausgeübte Druckkraft erfasst wird. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Kraftmesseinrichtung (22) eine Zugkraft erfasst wird, die auf den Abformrohling (7) ausgeübt wird, während der Abformrohling (7) mit der ausgehärteten Abformung von der Oberfläche (2) gelöst wird. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des Abformschritts ein Verformungskörper (23) an die Oberfläche (2) angepresst wird und eine Verformung der Oberfläche (2) bewirkt, die von dem Abformrohling (7) abgeformt wird. |
Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer Abformung von Oberflächeneigenschaften
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Abformung von Oberflächeneigenschaften.
Es sind verschiedene Verfahren zur Untersuchung von
Oberflächeneigenschaften bekannt. Mit geeigneten Sonden oder mit einer Bestrahlung mit Teilchen bzw. mit
elektromagnetischer Strahlung können hochauflösende
Abbildungen einer Oberflächentopographie erzeugt werden. Weiterhin können Visualisierungen von
Oberflächeneigenschaften wie beispielsweise einer
Magnetisierung, einer elektrischen Ladungsverteilung oder von einer chemischen Zusammensetzung bzw. von chemischen Eigenschaften erzeugt werden. Einige Untersuchungsmethoden sind dabei zerstörungsfrei und beeinträchtigen die zu untersuchende Oberfläche nicht. Andere
Untersuchungsmethoden erfordern eine erhebliche
Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Oberfläche und verändern deren Eigenschaften oder Struktur.
Die Rasterkraftmikroskopie ermöglicht eine zerstörungsfreie und hochauflösende Abbildung einer Topographie einer
Oberfläche. Allerdings muss die mit der
Rasterkraftmikroskopie untersuchte Oberfläche mit einer elastisch gelagerten Messsonde hochauflösend abgetastet werden, wofür eine lange Messdauer von üblicherweise mehreren Minuten pro Abbildung erforderlich ist. Die für die Oberflächenanalyse vorgesehene Oberfläche muss in den Erfassungsbereich der Messsonde gebracht werden.
Vergleichbare Anforderungen und Einschränkungen
hinsichtlich der für die Analyse geeigneten und ausreichend zugänglichen Oberflächen gelten auch für andere optische, bzw. mikroskopische Untersuchungsmethoden oder für
spektroskopische Analysen. Um die Untersuchung von schwer zugänglichen
Oberflächenbereichen zu ermöglichen sind aus der Praxis verschiedene Verfahren zur Erzeugung einer Abformung einer Oberflächentopographie bekannt. Eine Weichmetallfolie kann auf die zu untersuchende Oberfläche angedrückt werden, um die Oberflächentopographie abzuformen. Anschließend kann die abgeformte Weichmetallfolie beispielsweise mit
optischen Mikroskopen oder mit einem Rasterkraftmikroskop analysiert werden, um Abbildungen der Oberflächen ¬ topographie der zu analysierenden Oberfläche zu erzeugen.
Es ist ebenfalls aus der Praxis bekannt, ein aushärtendes Material auf eine Oberfläche aufzutragen, und nach einem Aushärtevorgang einen auf diese Weise erzeugten Abguss oder Abdruck von der Oberfläche wieder zu lösen, wobei die dadurch erhaltene Abformung eine möglichst
wirklichkeitsgetreue Negativform der Oberflächentopographie bildet. Bei einer Verwendung von aus zwei Komponenten zusammengesetzten aushärtenden Materialien ist
üblicherweise eine lange Aushärtedauer notwendig. Es ist ebenfalls aus der Praxis bekannt, flüssige oder als Film, bzw. als Folie ausgebildete Polymermaterialien auf der Oberfläche anzuordnen, die beispielsweise durch Wärme oder Bestrahlung aktiviert werden können und durch Vernetzung aushärten, um die Oberflächentopographie abzuformen.
Das manuelle Auftragen des aushärtbaren Polymermaterials auf der Oberfläche ist arbeits- und kostenintensiv. Zudem lässt sich ein derartiger Abformvorgang kaum ausreichend präzise reproduzieren, sodass beispielsweise vergleichende Oberflächenanalysen, die in zeitlichen Abständen über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden, nicht oder nur mit einem erheblichen Aufwand möglich sind.
Die derzeit bekannten aushärtbaren Polymermaterialien ermöglichen regelmäßig nur eine Abformung der
Oberflächentopographie, also der dreidimensionalen
Strukturierung der abzuformenden Oberfläche. Es wäre vorteilhaft, wenn neben der Oberflächentopographie auch andere Oberflächeneigenschaften mit einer Abformung
abgebildet und für anschließende Messungen und Analysen zur Verfügung gestellt werden können.
Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Abformung einer Oberflächeneigenschaft so auszugestalten, dass mit geringem Aufwand möglichst zuverlässig und reproduzierbar eine Abformung einer Oberfläche, bzw. einer
Oberflächeneigenschaft durchgeführt werden kann. Zudem ist es wünschenswert, wenn bei Bedarf bereits während der Erzeugung der Abformung zusätzliche Kenngrößen für
Oberflächeneigenschaften ermittelt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer
Vorrichtung mit einem Gehäuse, mit einem an oder in dem Gehäuse gelagerten verlagerbaren und auf die Oberfläche andrückbaren Druckstempel, der einen Rohlingträger mit einer an die Oberfläche andrückbaren Druckfläche aufweist, an der ein Abformrohling mit einer Abformschicht aus einem aushärtbaren Material lösbar festlegbar ist, und mit einer an oder in dem Gehäuse angeordneten Aushärteeinrichtung, mit welcher das aushärtbare Material des Abformrohlings während des Andrückens an die Oberfläche ausgehärtet werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein vorgefertigter Abformrohling in einfacher Weise und
reproduzierbar an eine Oberfläche angedrückt werden, um mit einer Abformschicht aus einem aushärtbaren Material eine Abformung einer Oberfläche durchzuführen. Der Abformrohling ist dabei als Verbrauchsmaterial für eine einmalige
Abformung einer Oberfläche vorgesehen, während die
erfindungsgemäße Vorrichtung wiederverwendet und zur
Erzeugung einer großen Anzahl von Abformungen mit jeweils neuen Abformrohlingen verwendet werden kann. Der gesondert hergestellte Abformrohling wird zweckmäßigerweise vor Beginn des Abformverfahrens an dem Rohlingträger
festgelegt, mit dem Rohlingträger an die Oberfläche
angedrückt und nach dem Aushärten des an die Oberfläche angedrückten aushärtenden Materials des Abformrohlings von dem Rohlingträger wieder gelöst.
Durch den beispielsweise manuell oder mit Hilfe einer Federkraft einer Federeinrichtung verlagerbaren und an die Oberfläche andrückbaren Druckstempel kann ein für die Abformung ausreichender und gleichzeitig nicht übermäßig hoher Anpressdruck erzeugt und für die Dauer der Aushärtung des aushärtbaren Materials gleichmäßig aufrechterhalten werden. Eine manuelle Auftragung oder Anbringung einer Abformschicht aus einem aushärtbaren Material ist nicht erforderlich. Die Erzeugung einer Abformung wird dadurch vereinfacht und auch für einen ungeübten Benutzer mit hoher Genauigkeit reproduzierbar. Der Anpressdruck kann
beispielsweise in Abhängigkeit von dem verwendeten
aushärtbaren Material, aber auch in Abhängigkeit von der abzuformenden Oberfläche und insbesondere von deren
Topografie und Benet zungsfähigkeit vorgegeben werden. Der Anpressdruck kann in einzelnen Anwendungen auch sehr gering sein und gegebenenfalls ein nahezu druckloses Kontaktieren des Abformrohlings mit der Oberfläche bewirken.
Durch das Andrücken der Abformschicht an die zu
untersuchende Oberfläche werden die für die anschließende Messung und Auswertung maßgeblichen Oberflächen ¬ eigenschaften wie beispielsweise eine Topographie der
Oberfläche auf die Abformschicht übertragen und durch deren Aushärtung fixiert. Der Aushärtvorgang des aushärtbaren Materials ist zweckmäßigerweise beispielsweise durch eine geeignete Energiezufuhr aktivierbar und nach der
Aktivierung rasch durchgeführt und abgeschlossen.
Die Abformschicht besteht zweckmäßigerweise aus einem geeigneten vernetzenden Polymermaterial, das während des Andrückens an die abzuformende Oberfläche die für die
Abformung relevanten Eigenschaften wie beispielsweise eine Topographie oder aber eine Magnetisierung oder
Hydrophobizität der Oberfläche übernimmt und während des Aushärtens beibehält. Auf diese Weise können neben einer Abtastung und Abbildung der Topographie auch weitere
Oberflächeneigenschaften wie beispielsweise die
Magnetisierung oder Hydrophobizität der Oberfläche abgeformt und für anschließende Analysen konserviert, bzw. zur Verfügung gestellt werden.
Durch die Verwendung eines geeigneten Materials oder einer geeigneten Materialkombination für die Abformschicht können zusätzlich zu der Oberflächentopographie auch eine weitere Oberflächeneigenschaft oder sogar mehrere weitere
Oberflächeneigenschaften abgeformt und für nachfolgende Analysen ohne einen räumlichen Kontakt zu der abgeformten Oberfläche zur Verfügung gestellt werden. Dabei werden beispielsweise auch im Bereich der Oberfläche herrschende elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder sowie Temperaturgradienten oder chemische Eigenschaften als Oberflächeneigenschaften angesehen, die mit der Abformung abgeformt werden können.
Es ist ebenfalls möglich, dass ausgehend von der Abformung eine Kopie der abgeformten Oberfläche hergestellt und diese Kopie der Oberfläche für nachfolgende Messungen und
Analysen verwendet wird.
Das Gehäuse ist zweckmäßigerweise für eine manuelle
Verwendung und Handhabung angepasst. Das Gehäuse kann beispielsweise näherungsweise zylinderförmig ausgestaltet sein und mit einer Hand einfach zu ergreifenden, bzw.
umgreifenden Durchmesser von einigen Zentimetern bis etwa 10 oder 15 Zentimetern aufweisen. Das Gehäuse kann auch eine nahezu beliebig andere Formgebung aufweisen und beispielsweise halbkugelförmig oder quaderförmig
ausgebildet sein. Der Druckstempel kann linear verschiebbar oder um eine Schwenkachse verschwenkbar an oder in dem Gehäuse gelagert sein. Der Druckstempel kann sowohl manuell als auch mit Hilfe einer von einer Federeinrichtung
aufgebrachten Federkraft oder beispielsweise elektrisch mit einem Aktor an die Oberfläche angedrückt werden. Eine derartige Vorrichtung kann in verschiedenen
Anwendungsbereichen wie beispielsweise bei der
Rasterwalzeninspektion, bei der Qualitätssicherung von Produktionsverfahren in der Halbleiterindustrie, bei prozessbegleitenden Überprüfungen wie etwa bei thermischen Spritzverfahren oder im Rahmen von Forschung und
Entwicklung bei Prototypen und Analysen eingesetzt werden, um möglichst zuverlässig und präzise die zu untersuchende Oberfläche abformen und für anschließende Analyseverfahren bereithalten zu können. Die Vorrichtung sollte möglichst ergonomisch geformt sein und über eine ausreichend robuste Mechanik verfügen, um über einen langen Verwendungs Zeitraum eine große Anzahl von Abformungen mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit durchführen zu können. Durch die Verwendung der Vorrichtung zur Erzeugung einer Abformung können Oberflächen untersucht werden, die mit herkömmlichen Mitteln und Verfahren nicht standardisiert analysiert werden können. So können schwer zugängliche Oberflächen wie beispielsweise ein Innenraum eines
Verbrennungsmotors oder auch unebene Oberflächenkonturen rasch und zuverlässig abgeformt werden. Die zu
untersuchende Oberfläche muss nicht in eine Messvorrichtung gebracht werden. Die Oberfläche muss lediglich für die Zeitdauer des Abformvorgangs zugänglich sein, so dass eine Oberfläche einer Produktionsmaschine nur kurzzeitig für die Abformung benötigt wird und kostenintensive
Stillstandszeiten der Produktionsmaschine minimiert werden können, da die zeitaufwendige Analyse der Oberfläche an der Abformung durchgeführt werden kann. Es können auch durch mehrere aufeinanderfolgend erzeugte Abformungen zeitliche Veränderungen einer Oberfläche analysiert und die
Abformungen für nachfolgende Untersuchungen archiviert werden .
Der Rohlingträger kann aus einem formstabilen Material bestehen oder zumindest eine formstabile Druckfläche bilden. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Rohlingträger eine elastische Beschichtung oder ein elastisches
Andruckgebilde aufweist, welches die Druckfläche bildet, um beispielsweise einen möglichst gleichmäßigen Anpressdruck des Abformrohlings auf die abzuformende Oberfläche zu ermöglichen. Der Rohlingträger kann auch eine elastische oder flexible Membran aufweisen, die zum Andrücken des Abformrohlings hydraulisch oder pneumatisch in Richtung der abzuformenden Oberfläche ausgelenkt und an die Oberfläche angepresst werden kann, um den dazwischen angeordneten Abformrohling an die Oberfläche anzudrücken. Durch die Erzeugung und Aufrechterhaltung einer hydraulischen oder pneumatischen Druckkraft, die auf die Membran einwirkt, kann der Anpressdruck des Abformrohlings an die Oberfläche präzise und großflächig gleichmäßig vorgegeben werden.
Um eine geneigte Oberfläche besser abformen zu können und eine Anpassung der Abformschicht des Abformrohlings an eine geneigte oder nicht vollständig ebene Oberfläche anpassen zu können ist vorgesehen, dass der Rohlingträger schwenkbar gelagert ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass auch bei nicht vollständig ebenen Oberflächen ein
näherungsweise gleich großer Anpressdruck von dem schwenkbar gelagerten Rohlingträger auf die Abformschicht ausgeübt wird, die an die Oberfläche angedrückt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Rohlingträger mindestens zwei relativ zueinander verlagerbare
Andrucksegmente aufweist. Zwei relativ zueinander
verlagerbare Andrucksegmente können beispielsweise durch ein feststehendes Andrucksegment und ein zweites,
verlagerbar gelagertes Andrucksegment realisiert werden. Der Rohlingträger kann auch aus beispielsweise vier oder sieben rechteckigen oder wabenförmigen Andrucksegmenten bestehen, die nebeneinander angeordnet sind und die
Druckfläche bilden, an der der Abformrohling festgelegt und durch eine Verlagerung des Druckstempels an die Oberfläche angedrückt werden kann. Die einzelnen Andrucksegmente können jeweils gesondert um eine Schwenkachse oder mit einem Kugelgelenk in alle Richtungen schwenkbar gelagert sein. Die durch die mehreren Andrucksegmente gebildete Druckfläche kann dadurch auch an gekrümmt verlaufende
Oberflächen angepasst werden und gegebenenfalls
Unebenheiten der abzuformenden Oberfläche ausgleichen.
Falls der Abformrohling vor dem Aushärten der Abformschicht aus dem aushärtbaren Material flexibel oder elastisch ausgestaltet ist, kann durch eine geeignete Ausgestaltung eines in mehrere Andrucksegmente aufgeteilten
Rohlingträgers eine individuelle Anpassung des
Abformrohlings an eine unebene Oberfläche ermöglicht werden . Um eine möglichst reproduzierbare Durchführung eines
Abformvorgangs zu erleichtern und zu gewährleisten, dass während eines Abformschritts und des dabei bewirkten Aushärtens der an die Oberfläche angedrückten Abformschicht eine unbeabsichtigte Verlagerung der Abformschicht auf der Oberfläche vermieden wird ist vorgesehen, dass die
Vorrichtung eine Positioniereinrichtung für den
verlagerbaren Druckstempel aufweist. Zu diesem Zweck kann das zylinderförmige oder halbkugelförmige Gehäuse einen ringförmigen Anlageflansch aufweisen, der konzentrisch um den abzuformenden Oberflächenbereich auf die Oberfläche aufgesetzt und beispielsweise klebend in diese Position fixiert werden kann. Bei einer abweichenden Gehäuseform kann der Verlauf des Anlageflanschs abweichen und an die betreffende Gehäuseform angepasst sein. Es ist ebenfalls möglich, dass das Gehäuse längs eines die Druckfläche des Rohlingträgers umgebenden Gehäuserands mehrere konisch sich zu einer Spitze verjüngende Ausformungen aufweist, die jeweils eine näherungsweise punktförmige Aufstandsfläche für das Gehäuse auf der Oberfläche bilden. Durch die zur Oberfläche hin vorspringenden Spitzen wird eine
wiederholbare Positionierung und zuverlässige Fixierung des Gehäuses an der abzuformenden Oberfläche erleichtert.
Es ist ebenfalls möglich, dass das Gehäuse seitlich neben der Druckfläche des Rohlingträgers eine oder mehrere
Haftflächen oder Saugvorrichtungen oder Bohrungen aufweist, um das Gehäuse haftend, mit Unterdruck ansaugend oder mit Hilfe von geeigneten Befestigungsmitteln wie beispielsweise Schrauben oder Bolzen an der abzuformenden Oberfläche festzulegen .
Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine
Kraftmesseinrichtung aufweist, mit welcher eine auf den Druckstempel ausgeübte Zugkraft oder Druckkraft erfasst werden kann. Die Kraftmesseinrichtung kann beispielsweise einen eine erzwungene Verformung erfassender Piezosensor sein. Es ist ebenfalls möglich, dass die
Kraftmesseinrichtung ein Verformungselement aufweist, dessen durch die Krafteinwirkung erzwungene Verformung beispielsweise mit Dehnungsmessstreifen erfasst und in ein elektrisches Messsignal umgewandelt werden kann. Die
Kraftmesseinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass mit der Kraftmesseinrichtung eine Druckkraft, eine Zugkraft oder sowohl Druckkräfte als auch Zugkräfte erfasst werden können, die während des Andrückens des Abformrohlings oder während des Ablösens der ausgehärteten Abformung
aufgebracht werden.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die
Kraftmesseinrichtung an einer Führungsstange des
Druckstempels angeordnet ist. Die Kraftmesseinrichtung kann dabei unmittelbar benachbart oder in einem Übergangsbereich zu dem Rohlingträger angeordnet sein, um die während des Andrückens des Druckstempels auf die Oberfläche auf den Rohlingträger und über diesen auf die Abformschicht
ausgeübten Andruckkräfte möglichst unverfälscht erfassen zu können .
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen mit einer Verlagerungseinrichtung gelagerten
Verformungskörper aufweist, der durch eine
Betätigungseinrichtung an die Oberfläche angepresst werden kann, um eine Verformung der Oberfläche zu bewirken. Der Verformungskörper kann beispielsweise ein Stift, ein Konus oder eine Spitze sein, der bei einem ausreichend hohen Anpressdruck in die Oberfläche eintaucht und eine
Verformung der Topografie der Oberfläche bewirkt. Die
Verlagerungseinrichtung zur Verlagerung des
Verformungskörpers kann beispielsweise einen manuell oder automatisiert betätigbare Federkrafteinrichtung aufweisen, die den Verformungskörper mit einer vorgebbaren und
gegebenenfalls einstellbaren Federkraft an die Oberfläche anpresst. Die Verlagerungseinrichtung kann auch eine beispielsweise elektromotorische, magnetische oder
hydraulische Antriebseinrichtung aufweisen, mit welcher die Verlagerung des Verformungskörpers bewirkt und in
Verbindung mit einer geeignet ausgestalteten
Kraftmesseinrichtung ein steuerbarer oder ein regelbarer Anpressdruck des Verformungskörpers an die Oberfläche erzeugt wird. Mit dem verlagerbaren Verformungskörper können Verformungen der Oberfläche erzwungen werden, die von der Abformung erfasst und nach dem Ablösen der
Abformung ausgewertet werden können, um beispielsweise ergänzende Informationen zu der Härte eines Objekts im Bereich der Oberfläche zu erhalten.
Im Hinblick auf einen möglichst geringen Raumbedarf für die mit einem verlagerbaren Verformungskörper ausgestattete Vorrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der
Verformungskörper in dem Rohlingträger zwischen einer aus dem Rohlingträger über die Druckfläche herausragenden Anpressposition und einer in den Rohlingträger
zurückgezogenen, nicht über die Druckfläche herausragenden Ruheposition verlagerbar gelagert ist. Der
Verformungskörper kann in diesem Fall innerhalb des
Rohlingträgers oder oberhalb des Rohlingträgers beabstandet zu der Oberfläche in der Ruheposition gelagert werden, ohne dass hierfür ein nennenswerter zusätzlicher Raumbedarf entsteht. Um die Oberfläche mit dem Verformungskörper zu verformen kann der Verformungskörper aus dem Rohlingträger heraus verlagert werden und über den Druckstempel in die Oberfläche eingedrückt werden. Dabei muss der Abformrohling entweder erst nach der Verformung der Oberfläche und einer anschließenden Zurückverlagerung des Verformungskörpers in dessen Ruheposition an dem Rohlingträger festgelegt und an die verformte Oberfläche angedrückt werden, oder
beispielsweise ringförmig ausgebildet sein und den aus dem Rohlingträger herausragenden Verformungskörper umgeben, der dann auch während des Aushärtens der Abformschicht in die Oberfläche eingedrückt wird und die Verformung der
Oberfläche bewirkt. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann beispielsweise auch die erzwungene
Verformung eines elastischen Körpers mit der Abformung erfasst werden, die sich nach einer Entfernung des
Verformungskörpers wieder zurückbilden oder erneut
verändern würde.
Das aushärtbare Material der Abformschicht ist
zweckmäßigerweise so ausgewählt und vorgegeben, dass der Aushärtvorgang des aushärtbaren Materials in geeigneter Weise aktiviert, bzw. in Gang gesetzt und rasch
durchgeführt, bzw. abgeschlossen werden kann. Zu diesem Zweck kann die Aushärteinrichtung eine geeignete
Aktivierungsenergie oder eine den Aushärtvorgang
unterstützende Aushärtungsenergie erzeugen. In Abhängigkeit von dem jeweiligen aushärtbaren Material kann die
Aushärteinrichtung beispielsweise Hitze oder Kälte erzeugen oder ein magnetisches bzw. elektrisches Feld erzeugen oder aber elektromagnetische Strahlung erzeugen, mit welchem der Aushärtvorgang aktiviert, bzw. unterstützt werden kann. Das aushärtbare Material weist vorzugsweise eine geringe
Viskosität und Oberflächenenergie auf, um eine möglichst detailgetreue Abformung der Oberfläche zu erlauben. Das ausgehärtete Material sollte eine geringe Adhäsion und eine ausreichende Elastizität aufweisen, um nach dem
Aushärtvorgang leicht und zerstörungsfrei von der
Oberfläche abgelöst werden zu können. In Abhängigkeit von der jeweiligen Oberfläche und den zu ermittelnden
Oberflächeneigenschaften kann das ausgehärtete Material auch steif und starr bzw. hochfest verfestigt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungs- gedankens ist vorgesehen, dass die Aushärteinrichtung eine Beleuchtungseinrichtung aufweist, mit der
elektromagnetische Strahlung emittiert werden kann.
Da eine große Anzahl von vernetzenden Polymehrmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften bereits im Zusammenhang mit anderen Anwendungsbereichen entwickelt wurden und handelsüblich erhältlich sind, die mit UV-Strahlung
aktiviert, bzw. ausgehärtet werden können, ist in
vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die
Beleuchtungseinrichtung UV-Strahlung emittiert. Geeignete Leuchtdioden, die hochenergetische UV-Strahlung emittieren können, sind kostengünstig und mit großer Leuchtstärke erhältlich. Durch die Verwendung von UV-Strahlung für die Aktivierung und Durchführung des Aushärtvorgangs kann eine gegebenenfalls unerwünschte und für die abzuformende
Oberfläche nachteilige Erwärmung der Oberfläche reduziert und gegebenenfalls sogar weitestgehend ausgeschlossen werden .
Die Aushärteinrichtung kann insbesondere dann, wenn es sich um eine Beleuchtungseinrichtung handelt, in vorteilhafter Weise in den Rohlingträger integriert sein. So kann der Rohlingträger einen Hohlraum aufweisen, in welchem die Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist und der eine für Wärmestrahlung oder UV-Licht durchlässige Abdeckung
aufweist, auf der der Abformrohling angeordnet und
festgelegt werden kann. Die Abdeckung kann beispielsweise ein transparentes steifes KunstStoffmaterial oder eine flexible Folie sein. Um eine Anbringung und zuverlässige Festlegung des
Abformrohlings an dem Druckstempel zu erleichtern und eine nach dem Aushärtvorgang notwendige Ablösung des
Abformrohlings mit der ausgehärteten Abformschicht zu unterstützen ist vorgesehen, dass die Druckfläche des
Rohlingträgers eine Haftschicht für die lösbare Festlegung des Abformrohlings aufweist. Die Haftschicht kann
beispielsweise durch eine Beschichtung mit einem geeigneten Klebmaterial gebildet werden. Es ist ebenfalls möglich, dass die Druckfläche des Rohlingträgers und eine für die Festlegung an dem Rohlingträger vorgesehene Außenseite des Abformrohlings jeweils mit einem Klettmaterial beschichtet, bzw. überzogen sind.
Die Erfindung betrifft auch einen Abformrohling mit einer Abformschicht aus einem aushärtbaren Material zur
Verwendung mit der vorangehend beschriebenen Vorrichtung. Erfindungsgemäß ist die Abformschicht auf einer Trägerschicht angeordnet, mit welcher der Abformrohling an einer Druckfläche eines Rohlingträgers der Vorrichtung festgelegt und nach der Aushärtung des aushärtbaren
Materials der Abformschicht wieder von der Druckfläche gelöst werden kann. Die Trägerschicht dient einer
mechanischen Stabilisierung und formgebenden Unterstützung der Abformschicht. Das aushärtbare Material der
Abformschicht muss deshalb nicht selbst formbeständig oder ausreichend formstabil sein, um auf der Oberfläche
angebracht und angedrückt werden zu können. Es können auch viskose und pastöse aushärtbare Materialien verwendet werden, die als eine Beschichtung auf die Trägerschicht aufgebracht und zusammen mit der Trägerschicht an dem
Rohlingträger festgelegt werden können.
Das aushärtbare Material der Abformschicht muss weiterhin keine derart hohe Festigkeit aufweisen, dass die
Abformschicht auch ohne die Trägerschicht rückstandsfrei von der Oberfläche abgelöst werden könnte. Vielmehr ist lediglich erforderlich, dass die Abformschicht ausreichend stark an der Trägerschicht anhaftet, sodass die
Abformschicht während der Anbringung des Abformrohlings an dem Rohlingträger und während des Andrückens des
Abformrohlings an die Oberfläche sich nicht unbeabsichtigt von der Trägerschicht ablösen kann. Nach dem Aushärten des aushärtbaren Materials bildet die der abgeformten
Oberfläche entsprechend strukturierte Abformschicht
üblicherweise einen mechanisch ausreichend stabilen und insbesondere formstabilen Abformkörper, der entweder gemeinsam mit der Trägerschicht oder aber unabhängig von der Trägerschicht von der abgeformten Oberfläche gelöst und für eine nachfolgende Untersuchung gelagert, bzw. einer geeigneten Analyseeinrichtung zugeführt werden kann.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Abformschicht zusätzlich zu dem aushärtbaren Material eine weitere
Materialkomponente aufweist, mit der zusätzlich zu einer Oberflächentopographie eine weitere Oberflächeneigenschaft abgeformt werden kann. So kann mit der zusätzlichen
Materialkomponente beispielsweise ein an der Oberfläche herrschendes magnetisches Feld erfasst und sichtbar bzw. für nachfolgende Analysen zugänglich gemacht werden. Die zusätzliche Materialkomponente könnte aus Eisenspänen bestehen oder Eisenspäne beinhalten, deren Orientierung vor dem Aushärten durch das Magnetfeld im Bereich der
Oberfläche beeinflusst und vorgegeben wird und deren
Anordnung und Orientierung durch das anschließende
Aushärten des aushärtbaren Materials fixiert und für nachfolgende Analysen konserviert wird.
Um die Handhabung des Abformrohlings zu erleichtern ist vorgesehen, dass die Trägerschicht aus einem formstabilen Material besteht. Es ist ebenfalls möglich, dass die
Trägerschicht aus einem elastischen Material besteht, um in Verbindung mit einem aus mehreren Andrucksegmenten
gebildeten Rohlingträger während eines Andruckvorgangs verformt und an eine unebene Oberfläche angepasst werden zu können .
Insbesondere für eine Verwendung des Abformrohlings mit einer Vorrichtung, die einen verlagerbaren
Verformungskörper aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen und vorteilhaft, dass der Abformrohling eine Ausnehmung aufweist, die von der Abformschicht aus dem aushärtbaren Material umgeben ist. Der Abformrohling kann beispielsweise ringförmig ausgebildet sein, so dass das aushärtbare Material der Abformschicht eine auch in der Trägerschicht mittig angeordnete Ausnehmung ringförmig umgibt. Der Verformungskörper kann dann bei Bedarf durch die mittige Ausnehmung hindurch gleichzeitig mit dem
Abformrohling oder aber vorab an die Oberfläche angepresst werden, um die Oberfläche zu verformen. Da der
Abformrohling den Verformungskörper umgibt, kann die durch den Verformungskörper erzeugte Veränderung der Topografie der Oberfläche von allen Seiten bzw. die Kontaktfläche der Oberfläche mit dem Verformungskörper umgebend erfasst werden. Es sind verschiedene Ausgestaltungen des
Abformrohlings denkbar und beispielsweise ebenfalls möglich, dass der Abformrohling lediglich eine seitlich in den Abformrohling ragende Ausnehmung oder eine C-förmige bzw. H-förmige Grundfläche aufweist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen einer Abformung einer Oberfläche oder einer
Oberflächeneigenschaft. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem Andrückschritt ein Abformrohling mit einer Abformschicht aus einem aushärtbaren Material auf einer Druckfläche eines Druckstempel festgelegt und mit dem Druckstempel an die Oberfläche angedrückt wird, dass in einem Abformschritt mit einer Aushärteinrichtung das aushärtbare Material während des Andrückens ausgehärtet wird, und dass in einem Entnahmeschritt der Abformrohling mit der ausgehärteten Abformung der Oberfläche von dem Druckstempel gelöst wird. Durch die Verwendung einer vorangehend beschriebenen Vorrichtung kann dieses Verfahren auch von einer ungeübten Person einfach, schnell und ausreichend präzise durchgeführt werden, um eine
reproduzierbare Abformung einer Oberfläche bzw. einer Oberflächeneigenschaft zu erzeugen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das aushärtbare Material der Abformschicht ein mit elektromagnetischer Strahlung aktivierbares vernetzendes Polymer ist und dass in dem Abformschritt das vernetzende Polymer mit einer Beleuchtungseinrichtung mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird. In geeigneter Weise aktivierbare
vernetzende Polymermaterialien sind in verschiedenen
Varianten mit unterschiedlichen Eigenschaften handelsüblich erhältlich und können kostengünstig für die Durchführung des Verfahrens eingesetzt werden. Es können auch speziell für die Erzeugung einer Abformung modifizierte oder mit zusätzlichen Komponenten versehene Polymermaterialien oder andere aushärtende Abformmaterialien verwendet werden.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass das aushärtbare Material der Abformschicht mit UV-Strahlung bestrahlt und dadurch aktiviert, bzw. ausgehärtet wird. Mit geeigneten Leuchtdioden kann eine ausreichend intensive UV-Bestrahlung der Abformschicht erzeugt werden, um den Aushärtvorgang rasch durchführen und abschließen zu können. Derartige Leuchtdioden sind kostengünstig erhältlich. Die
Leuchtdioden können energieeffizient betrieben werden und ermöglichen eine von einem Stromnetz unabhängige
Energieversorgung, die beispielsweise mit einer geeigneten Akkumulatoreinrichtung zur Verfügung gestellt werden kann. Die Leuchtdioden können bzw. die Aushärteinrichtung kann seitlich oder konzentrisch den Druckstempel umgebend im Bereich des Rohlingträgers angeordnet sein und durch eine seitliche Einwirkung oder mit einer durch den Rohlingträger hindurch wirkenden Stimulation die Aushärtung der
Abformschicht des Abformrohlings aktivieren, bzw.
beschleunigen. Es ist ebenfalls möglich, die
Aushärteinrichtung, einzelne Komponenten der
Aushärteinrichtung oder beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden in den Rohlingträger des Druckstempels oder in einem anderen Bereich des Druckstempels in diesen zu integrieren .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass während des
Andrückschritts mit einer Kraftmesseinrichtung eine auf den Druckstempel ausgeübte Druckkraft erfasst wird. Auf diese Weise kann der tatsächlich auf den Druckstempel ausgeübte Anpressdruck bestimmt und für nachfolgende Auswertungen der dabei erzeugten Abformung der Oberfläche berücksichtigt werden. Zudem können dadurch Messergebnisse aus mehreren Abformvorgängen einfacher und aussagekräftiger miteinander verglichen werden.
Es ist ebenfalls möglich, mit der Kraftmesseinrichtung den auf den Druckstempel ausgeübten Anpressdruck zu erfassen und für eine geeignete Steuerung oder Regelung des
Anpressdrucks zu berücksichtigen. So kann beispielsweise eine Anzeige erfolgen, wenn der mit der
Kraftmesseinrichtung erfasste Anpressdruck oberhalb oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt. Bei einer automatisiert betätigbaren Anpresseinrichtung, mit welcher der Druckstempel beispielsweise elektromotorisch oder magnetisch mit einem Anpressdruck beaufschlagt und an die Oberfläche angedrückt werden kann, kann ein von der Kraftmesseinrichtung erzeugtes Kraftmesssignal zur
Steuerung oder Regelung der Anpresseinrichtung verwendet werden .
Erfindungsgemäß ist ebenfalls möglich und für die
Ermittlung zusätzlicher Informationen vorteilhaft, dass mit einer Kraftmesseinrichtung eine Zugkraft erfasst wird, die auf den Abformrohling ausgeübt wird, während der
Abformrohling mit der ausgehärteten Abformung von der
Oberfläche gelöst wird. Die Kraft, die für die Ablösung der Abformung von der Oberfläche benötigt wird, kann
beispielsweise von dem jeweils verwendeten aushärtbaren Material, bzw. Polymer oder von der dreidimensionalen
Oberflächenstrukturierung oder von weiteren
Hafteigenschaften der Oberfläche abhängen. Durch die
Erfassung der für die Ablösung der Abformung notwendigen Zugkraft, die auf den Druckstempel ausgeübt werden muss, können zusätzliche Informationen zu diesen Eigenschaften der Oberfläche ermittelt werden, die sich auf die für das Ablösen erforderliche Zugkraft auswirken.
Einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass vor oder während des Abformschritts ein Verformungskörper an die Oberfläche angepresst wird und eine Verformung der
Oberfläche bewirkt, die von dem Abformrohling abgeformt wird. Der Verformungskörper kann beispielsweise ein Stift, ein Konus oder eine Spitze sein, der in die Oberfläche eingedruckt wird und dadurch die Topografie der Oberflache verändert. Diese Veränderung der Topografie ist abhängig von der Formgebung des Verformungskörpers, von dem
Anpressdruck, mit welchem der Verformungskörper in die Oberfläche eingedrückt wird, aber auch von den
Eigenschaften der Oberfläche bzw. des Objekts mit dieser Oberfläche. Bei dem Andrücken des Abformrohlings passt sich die Abformschicht aus dem Polymermaterial an die veränderte Topografie der Oberfläche an, die nach dem Aushärten des Polymermaterials abgeformt wird und dadurch mit
nachfolgenden Untersuchungen und Messungen erfasst und ausgewertet werden kann.
Der Verformungskörper kann während des Abformschritts in die Oberfläche eingedrückt werden und für die Dauer der Aushärtung des Polymermaterials eine Verformungskraft auf die Oberfläche ausüben. In diesem Fall können auch
Eigenschaften der Oberfläche eines nachgiebigen oder elastischen Materials untersucht werden, dessen Oberfläche sich nach einer Entfernung des Verformungskörpers wieder zurückverformen würde und gegebenenfalls wieder die
ursprüngliche Formgebung und Eigenschaften vor der
Einwirkung des Verformungskörpers annehmen würde.
Der Verformungskörper kann auch vor dem Abformschritt und gegebenenfalls sogar Andrückschritt an die Oberfläche angepresst werden, um eine bleibende Verformung der
Oberfläche zu erzeugen. Diese Verformung wird bei dem nachfolgenden Abformschritt auf die Abformung übertragen und kann anschließend nach der Ablösung der Abformung von der verformten Oberfläche untersucht und ausgewertet werden. Mit einem derartigen Verfahren kann beispielsweise die Härte eines Objekts in einem Bereich an der von der Abformung erfassten Oberfläche ermittelt werden.
Es ist ebenfalls möglich, dass der Verformungskörper nicht senkrecht zur Oberfläche verlagert und in die Oberfläche eingedrückt wird, sondern mit dem Verformungskörper eine in einem spitzen oder stumpfen Winkel zu der Oberfläche gerichtete Krafteinwirkung auf die Oberfläche bzw. auf das Objekt mit der Oberfläche erzeugt wird, die zu einer charakteristischen Veränderung der Topografie der
Oberfläche führen kann. Auf diese Weise können
beispielsweise Kratzspuren für Härtebestimmungen erzeugt oder Untersuchungen zu einem künstlich erzeugten Verschleiß der Oberfläche durchgeführt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des
Erfindungsgedankens näher erläutert, die exemplarisch in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Abformung mit einem Abformrohling, wobei der Abformrohling an einem Druckstempel festgelegt ist und der Druckstempel sich noch in einem Abstand zu der abzuformenden Oberfläche befindet,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der in Fig. 1
gezeigten Vorrichtung, wobei der Druckstempel mit dem daran festgelegten Abformrohling an die Oberfläche angedrückt wird, Fig. 3 eine vergrößert dargestellte schematische Abbildung eines Teilbereichs der Vorrichtung mit einem schwenkbar gelagerten Rohlingträger, Fig. 4 eine Abbildung gemäß Fig. 3, wobei der Rohlingträger abweichend ausgestaltet und aus drei jeweils relativ zueinander verlagerbaren Andrucksegmenten gebildet ist,
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines in einer Schutzhülle befindlichen Abformrohlings,
Fig. 6 bis Fig. 8 eine schematische Darstellung mehrerer Verfahrensschritte eines Verfahrensablaufs, bei dem eine Abformung der Oberfläche erzeugt und anschließend mit einem Rastersondenmikroskop analysiert wird,
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer
Kraftmesseinrichtung,
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen längs der
Führungsstange verlagerbaren Verformungskörper aufweist, der mittig durch einen ringförmigen Abformrohling hindurch an die Oberfläche angepresst werden kann,
Fig. 11 eine schematische Darstellung der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung, wobei während der Erzeugung der Abformung der Verformungskörper in die Oberfläche
eingedrückt wird und diese dadurch verformt, und Fig. 12 eine schematische Darstellung der in den Fig. 10 und 11 gezeigten Vorrichtung, wobei vor der Erzeugung der Abformung der Verformungskörper in die Oberfläche
eingedrückt wurde und eine bleibende Verformung der
Oberfläche bewirkt hat, und der Verformungskörper während der Erzeugung der Abformung in den Rohlingträger
zurückgezogen ist.
In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen einer Abformung dargestellt, die auf einer
abzuformenden Oberfläche 2 aufgestellt ist. In einem
Gehäuse 3 ist ein Druckstempel 4 in einer nicht näher dargestellten Druckstempelführung in Richtung der
Oberfläche 2 verlagerbar gelagert.
Der Druckstempel 4 weist an seinem der Oberfläche 2
zugewandten Ende einen Rohlingträger 5 auf, dessen der Oberfläche 2 zugewandte Oberseite eine Druckfläche 6 bildet. Auf der Druckfläche 6 des Rohlingträgers 5 ist ein in Fig. 5 gesondert dargestellter Abformrohling 7 mittels einer Kleberschicht wieder ablösbar festgelegt. Der
Abformrohling 7 weist eine formstabile Trägerschicht 8 und eine darauf aufgebrachte Abformschicht 9 aus einem
aushärtbaren vernetzenden Polymermaterial auf.
Die Abformschicht 9 ist zunächst noch nicht ausgehärtet und weist pastöse Eigenschaften auf. Durch die Betätigung eines an einer Stirnseite 10 des Gehäuses 3 angeordneten und mit dem Druckstempel 4 in Wirkverbindung stehenden Druckknopfs 11 kann der Druckstempel 4 aus einer in Fig. 1 gezeigten Rüstposition, in welcher der Abformrohling 7 auf der
Druckfläche 6 des Rohlingträgers 5 befestigt und anschließend das Gehäuse 3 auf der Oberfläche 2
positioniert werden kann, in eine in Fig. 2 gezeigte
Andruckposition verlagert werden, in welcher der
Druckstempel 4 mit dem daran festgelegten Abformrohling 7 auf die Oberfläche 2 angedrückt wird.
In dem Gehäuse 3 der Vorrichtung 1 ist eine
Aushärteinrichtung 12 angeordnet, die über eine Steuer- und Energieversorgungseinrichtung 13 mit elektrischer Energie versorgt und gesteuert wird. Die Aushärteinrichtung 12 weist mehrere konzentrisch um den Druckstempel 4 an einer Innenwand des Gehäuses 3 angeordnete UV-Leuchtdioden 14 auf. Die UV-Leuchtdioden 14 strahlen im eingeschalteten Zustand UV-Licht in Richtung des Abformrohlings 7. Durch das UV-Licht der UV-Leuchtdioden 14 wird eine Vernetzung und Aushärtung des aushärtbaren Polymermaterials der
Abformschicht 9 des Abformrohlings 7 aktiviert und
beschleunigt . Wenn der Druckstempel 4 mit dem daran befestigten
Abformrohling 7 an die abzuformende Oberfläche 2 angedrückt wird, verformt sich die noch nicht ausgehärtete
Abformschicht 9 und bildet eine Matrize, bzw. eine
Negativform der Oberflächentopographie der Oberfläche 2. Die UV-Leuchtdioden 14 können automatisch bei einer
Verlagerung des Druckstempels 4 zur Oberfläche 2 hin oder manuell durch eine nicht näher dargestellte
Einschalteinrichtung eingeschaltet werden, um die an die Oberflächentopographie der Oberfläche 2 angepasste
Abformschicht 9 auszuhärten und die dadurch erzeugte
Abformung dauerhaft zu konservieren. Um den Aushärtevorgang zu beschleunigen kann der Rohlingträger 5 aus einem UV- durchlässigen Material bestehen, so dass die von den UV- Leuchtdioden emittierte UV-Strahlung den Abformrohling 8 und die Abformschicht 9 beleuchten kann. Um eine Positionierung und Fixierung des Gehäuses 3 auf der Oberfläche 2 zu erleichtern weist das Gehäuse 3 an einem unteren Gehäuserand 15 drei beabstandet zueinander
angeordnete konisch zulaufende Aufstandsspitzen 16 auf. Die Aufstandsspitzen 16 ermöglichen ein kippfreies Aufstellen des Gehäuses 3 auf der Oberfläche 2 und reduzieren die Gefahr einer unerwünschten seitlichen Verschiebung des Gehäuses 3 auf der Oberfläche 2.
In Fig. 3 und Fig. 4 sind Varianten der Vorrichtung 1 mit einem jeweils abweichend ausgestalteten Druckstempel 4 schematisch dargestellt. Bei dem in Fig. 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel ist der Rohlingträger 5 schwenkbar an einer linear verlagerbaren Führungsstange 17 des
Druckstempels 4 gelagert. Die Ausrichtung des
Rohlingträgers 5 kann sich dadurch in einfacher Weise an eine unebene bzw. schräg verlaufende Oberfläche 2 anpassen.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Rohlingträger 5 drei jeweils unabhängig voneinander
schwenkbar gelagerte Andrucksegmente 18 auf, die gemeinsam die Druckfläche 6 des Druckstempels 4 bilden, an welcher der Abformrohling 7 festgelegt werden kann, um mit dem Druckstempel 4 an die Oberfläche 2 angedrückt zu werden. Durch die relativ zueinander verlagerbaren Andrucksegmente 18 kann die Abformschicht 9 des Abformrohlings 7 auch an eine gekrümmte Oberfläche 2 oder an eine unebene Oberfläche 2 angepasst und mit einem weitgehend konstanten
Anpressdruck angedrückt werden.
Der in Fig. 5 gesondert und in vergrößerter Darstellung abgebildete Abformrohling 7 besteht aus der formstabilen Trägerschicht 8 und der zunächst noch pastösen
Abformschicht 9 aus dem vernetzenden Polymermaterial, das durch UV-Licht ausgehärtet werden kann. Der Abformrohling 7 ist ein Verbrauchsmaterial und kann zum Schutz vor dem Aushärten der Abformschicht 9 sowie vor einer Beschädigung des Abformrohlings 7 während dessen Lagerung vor seiner Benutzung mit einer lichtdichten und insbesondere UV- dichten Umhüllung 19 umgeben, bzw. darin verpackt sein. In den Fig. 6 bis 8 sind einzelne Verfahrensschritte exemplarisch und schematisch dargestellt, die für eine Oberflächenanalyse mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden können. Der Abformrohling 7 wird in einem in Fig. 6 gezeigten Andrückschritt mit dem
Druckstempel 4, bzw. von dem Rohlingträger 5 des
Druckstempels 4 mit der Vorrichtung 1 an die zu
untersuchende Oberfläche 2 angedrückt, so dass sich das noch verformbare Material der Abformschicht 9 des
Abformrohlings 7 an die Oberflächentopographie der
Oberfläche 2 anpasst. Das Material der Abformschicht 9 wird in einem Abformschritt anschließend durch eine Bestrahlung mit UV-Licht ausgehärtet. Nach einem in einem
Entnahmeschritt erfolgenden Ablösen des verformten und verfestigten Abformrohlings 7 von der Oberfläche 2 und anschließend von dem Rohlingträger 5 bildet die in Fig. 7 gezeigte verformte Abformschicht 9 eine Matrize der
Oberflächentopographie. An Stelle oder zusätzlich zu der Oberflächentopographie kann das Material der Abformschicht 9 auch durch andere Eigenschaften der zu analysierenden Oberfläche 2 wie beispielsweise deren magnetische
Eigenschaften, deren Hydrophobizität oder deren chemische Eigenschaften beeinflusst worden sein, so dass durch eine anschließende Analyse des verfestigten Abformrohlings 7 diese auf den Abformrohling 7 übertragenen oder darauf einwirkenden Eigenschaften mit geeigneten Messverfahren und Messvorrichtungen analysiert werden können. In Fig. 8 ist exemplarisch die Analyse der Oberflächentopographie mit Hilfe einer Sonde 20 eines Rastersondenmikroskops
dargestellt. Zu diesem Zweck kann der die Matrize bildende verfestigte Abformrohling 7 auf einem Messtisch 21 des nicht näher dargestellten Rastersondenmikroskops angeordnet werden. Auch räumlich schwer zugängliche Oberflächen 2 oder sich zeitlich verändernde Oberflächen 2, bzw.
Oberflächeneigenschaften können durch die erfindungsgemäße Abformung mit geringem Aufwand, zuverlässig und
reproduzierbar analysiert werden.
Bei der in Fig. 9 exemplarisch dargestellten Ausgestaltung der Vorrichtung 1 ist an der Führungsstange 17 in der Nähe des Rohlingträgers 5 eine Kraftmesseinrichtung 22
angeordnet. Die Kraftmesseinrichtung 22 kann beispielsweise ein verformungssensitives Piezoelement oder eine
Dehnungsmessstreifenanordnung enthalten. Mit der
Kraftmesseinrichtung 22 kann während des Andrückens des Druckstempels 4 an die Oberfläche 2 die auf den
Abformrohling 7 ausgeübte Andruckkraft erfasst werden. In gleicher Weise kann mit der Kraftmesseinrichtung 22 auch die Zugkraft erfasst werden, die aufgebracht wird, um den ausgehärteten Abformrohling 7, also die erzeugte Abformung von der Oberfläche 2 wieder zu lösen.
Die Kraftmesseinrichtung 22 kann drahtgebunden oder
drahtlos mit einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung verbunden sein. Die mit der Kraftmesseinrichtung 22
erfassten Messsignale können bereits während der Erzeugung der Abformung ausgewertet werden und beispielsweise dazu verwendet werden, eine optische oder akustische Anzeige zu erzeugen, sobald ein ausreichender Anpressdruck erreicht ist, oder falls während der Erzeugung der Abformung der Anpressdruck übermäßig abfällt oder variiert. Die mit der Kraftmesseinrichtung 22 erzeugten Messsignale können auch in der Auswerteeinrichtung zunächst gespeichert und für eine nachträgliche Auswertung oder Bearbeitung aller über die Abformung erzeugten Informationen bereit gehalten werden .
Die in Fig. 10 exemplarisch dargestellte
Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 weist einen sich konisch verjüngenden Verformungskörper 23 auf, der in der Führungsstange 17 bzw. in dem Rohlingträger 5 verschiebbar gelagert ist. Mit einer nicht dargestellten
Betätigungseinrichtung kann eine ebenfalls nicht gesondert dargestellte Verlagerungseinrichtung, beispielsweise eine Federeinrichtung oder ein Elektromotor, betätigt und der Verformungskörper 23 in die Oberfläche 2 eingedrückt werden, um eine Veränderung der Topografie der Oberfläche 2 zu bewirken. Der Abformrohling 7 ist ringförmig
ausgestaltet und umgibt den Verformungskörper 23, der durch eine mittige Ausnehmung des Abformrohlings 7 hindurch in die Oberfläche 2 eingedrückt wird. In Fig. 11 wird eine mögliche Verwendung der Vorrichtung 1 während der Erzeugung der Abformung dargestellt. Der
Verformungskörper 23 wird zusammen mit dem Abformrohling 7 an die Oberfläche 2 angedrückt. Dadurch kann beispielsweise auch in einem elastischen Material mit einer nachgiebigen Oberfläche 2 eine für die Dauer der Abformung
gleichbleibende Veränderung der Topografie der Oberfläche 2 bewirkt werden, die mit der Abformung erfasst und
anschließend ausgewertet werden kann.
Es ist ebenfalls möglich, zuerst mit dem Verformungskörper 23 eine dauerhafte Veränderung der Topografie der
Oberfläche 2 zu erzeugen und den Verformungskörper 23 danach wieder in den Rohlingträger 5 zurückzuziehen, bevor anschließend der Druckstempel 4 mit dem Abformrohling 7 an die zuvor veränderte Oberfläche 2 angedrückt wird, um die Abformung zu erzeugen. Bei dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel wird exemplarisch die Erzeugung einer Abformung nach einer vorausgehenden Verformung der
Oberfläche 2 mit dem Verformungskörper 23 gezeigt.