Verfahren und Vorrichtung zur zeitaufgelösten Analyse von Transferfilmen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zeitaufgelösten Analyse von Transferfilmen bei Kontakt zweier Oberflächen.

Transferfilme entstehen häufig im Kontakt zwischen zwei Oberflächen aus gleichen Werkstoffen oder aus unterschiedlichen Werkstoffen, beispielsweise einer

Kunststoffoberfläche, die im Kontakt mit einer Metalloberfläche steht. Am Ort des Kontaktes bildet sich dadurch ein Transferfilm aus, daß einer der Werkstoffe auf die Oberfläche des anderen Werkstoffs übertragen wird.

Gemäß dem Stand der Technik werden Transferfilme ex situ durch bildgebende Verfahren abgebildet (z.B. REM, TEM), um sie zu erfassen. Anschließend werden zur quantitativen Beschreibung an den angefertigten Abbildungen geometrische Abmaße, wie z.B. die laterale Ausdehnung oder die mittlere - meist aber nur punktuelle - Auftragshöhe („Dicke“) des Transferfilms, bestimmt.

Als zeitauflösende Verfahren kommen die infrarotspektroskopische Analyse, die interferometrische Analyse und die Messung der Abstandsdifferenz zwischen mit Transferfilm belegten und unbelegten Bereichen beispielsweise eines Rotors in Frage.

Alle derzeit bekannten Verfahren zur Abbildung und zur qualitativen und/oder quantitativen Analyse von Transferfilmen weisen einen oder mehrere der

nachfolgend beschriebenen Nachteile auf:

• Fehlende zeitliche Auflösung durch ex-situ Beobachtung oder mangelnde zeitliche Auflösung durch intermittierende Beobachtung

Hierbei erfordert die Untersuchung Verfahrens- und apparaturbedingt eine Unterbrechung des laufenden Versuchs oder (im Falle von Bauteilen) des laufenden Betriebs sowie ggf. zusätzlich den Ausbau der zu untersuchenden Prüfkörper bzw. Bauteile aus dem Prüfstand oder der Maschine. Wird dies nicht gewünscht, kann nur eine Einzelbeobachtung nach Ende des Versuchs bzw. Betriebs vorgenommen werden (es handelt sich um eine ex-situ Analyse) oder der Versuch bzw. der Betrieb muß mehrfach unterbrochen und nach Durchführung des analytischen Verfahrens fortgesetzt werden (es handelt sich um eine intermittierende Analyse).

Im Falle der ex-situ Analyse geht die zeitliche Auflösung vollständig verloren und der analytisch festgestellte Zustand des Transferfilms kann nur noch dem Zustand unmittelbar vor Ende des Versuchs bzw. des Betriebs zugeordnet werden. Im Falle der intermittierenden Analyse besteht zwar grundsätzlich eine (diskret) zeitlich aufgelöste Information zum Zustand des Transferfilms, da tribologische Eigenschaften wie Reibung, Verschleiß, Reibleistung und zweifelsohne der Transferfilm aber keine Werkstoff- sondern

Systemeigenschaften sind, verfälscht eine intermittierende Versuchsführung mit Sicherheit das Ergebnis.

• Eingeschränkte flächige/räumliche Erfassung (Meßbereich)

Häufig stammen die zur Abbildung von Transferfilmen verwendeten Verfahren aus der Mikroskopie (REM/TEM/Lichtmikroskop). Deshalb werden

üblicherweise nur Kleinstausschnitte abgebildet. Da es sich durchgängig um manuelle Abbildungsverfahren mit hohem Präparationsaufwand handelt, erfolgt in der Regel bestenfalls die Beobachtung einer geringen,

normalerweise einstelligen, Anzahl von Kleinstausschnitten, die selbst zusammen häufig nur 1 :10.000 bis 1 :10.000.000 der eigentlichen lateralen Ausdehnung des Transferfilms abbilden. Die aus diesen Kleinstausschnitten gewonnenen Erkenntnisse werden dann dennoch üblicherweise als

allgemeingültig für den gesamten Transferfilm betrachtet.

• Kosten, zeitlicher und apparativer Aufwand

Da viele Verfahren zur Abbildung von Transferfilmen mikroskopische

Verfahren sind, verursachen sie häufig hohe Investitionskosten und sind im laufenden Unterhalt vergleichsweise teuer (z.B. REM: 200 bis 400 k€ Investition und 200-300€/h, TEM mehr). Weiterhin sind diese Verfahren häufig nur stationär einsetzbar und erfordern neben ihrem hohen Platzbedarf weiteren gebäudetechnischen, anlagentechnischen oder logistischen Aufwand (z.B. Versorgung mit tiefgekühlten Gasen zur Kühlung).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur zeitaufgelösten

(möglichst echtzeitfähigen), qualitativen und/oder quantitativen Analyse von

Transferfilmen zu schaffen, das eine vollflächige Abbildung des jeweiligen

Transferfilms ermöglicht, geringen Investitions- und Unterhaltsbedarf mit sich bringt und das weitestgehend automatisierbar ist.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß

• eine photographische Kamera so platziert wird, daß sie auf den Ort des

Kontaktes zwischen zwei Oberflächen, die sogenannte Laufspur, gerichtet ist,

• während des Betriebs in der gewünschten zeitlichen Auflösung mit der

Kamera Bilder aufgenommen werden,

• für jedes aufgenommene Bild ein Weißabgleich zur rechnerischen

Normalisierung von Farbe und Helligkeit erfolgt und das Bild entsprechend korrigiert wird,

• für jedes aufgenommene Bild der Grauwert im Bereich der Laufspur sowie in einem Referenzbereich außerhalb der Laufspur bestimmt wird, wobei

• anhand der Grauwerte der Aufbau oder Abbau des Transferfilms über die Zeit in einer Auswerteeinheit ermittelt wird.

Es handelt sich hierbei um ein indirektes Meßverfahren, wobei die Helligkeit hierbei als Maß für die Belegungsdichte genutzt wird. Es kann mit Hilfe des

erfindungsgemäßen Verfahrens analysiert werden, inwiefern die

Beanspruchungsparameter über die Zeit den Aufbau bzw. Abbau des Transferfilms beeinflussen.

Dieses Verfahren stellt erstmals eine Grauwert- bzw. Helligkeitsanalyse dar, mit der der Transferfilm nicht nur ausschnittsweise, sondern vollflächig erfaßt werden kann und die zeitauflösend - bis hin zur Echtzeitfähigkeit - ist, ohne den Versuch bzw. den Betrieb durch Intermittieren zu stören. Somit kann das Verfahren auch versuchs- bzw. betriebsbegleitend durchgeführt werden. Das Verfahren ist soweit formalisiert und objektiviert, daß seine Durchführung mit Hilfe eines Computerprogramms möglich ist, was die Auswertung beschleunigt und den Aufwand reduziert. Zudem ist das Verfahren kostengünstig durchführbar.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß Politur in der Laufspur beim Kontakt der beiden Oberflächen durch direkt zur photographischen Kamera reflektiertes Licht ermittelt wird. Durch Reibung am Kontakt zweier Oberflächen kann es zu einem Polieren der Laufspur kommen. Je nach Belichtungssituation ist diese Politur nur schwer von der Ausbildung einer Transferschicht zu unterscheiden. In beiden Fällen kann es zu Änderungen der Grauwerte in dem Bereich der Laufspur kommen. Vorteilhaft können diese Fälle, bei entsprechender Beleuchtung, durch den Anteil des von dem Bereich der Laufspur direkt reflektierten Lichtes unterschieden werden. Dabei absorbiert der Transferfilm mehr Licht, während die Politur das Licht größtenteils direkt reflektiert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß als photographische Kamera eine Videokamera oder eine Hochgeschwindigkeitskamera verwendet wird.

In dem Fall der Verwendung einer Videokamera werden durchgängig Bilder aufgenommen, ggf. unter Verwendung einer der Videokamera eigenen

Zeitrafferfunktion.

Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera können quasi-statische Abbildungen angefertigt werden und die Mittelung entlang der Laufrichtung kann rechnerisch erfolgen. Diese quasi-statischen Bilder erlauben bei Bedarf auch lokale Analysen, Betrachtungen und Beurteilungen. Zudem werden Transferfilme mit lokal stark unterschiedlicher Färbung bei gleichem mittleren Grauwert unterscheidbar von solchen mit lateral homogener, aber schwächerer Färbung.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß der Kontakt zwischen zwei Oberflächen eine Gleitreibung, eine Rollreibung oder eine Bohrreibung ist. Bei einer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Belichtungszeit so eingestellt wird, daß während der Belichtungszeit die Laufspur mindestens einmal überglitten wird.

Hierdurch (oder durch die Verwendung der Zeitrafferfunktion bei der Verwendung einer Videokamera) ergibt sich eine Mittelung in Laufrichtung.

Es muß jedoch nicht ein Mittelwert für den gesamten Auswertungsbereich ermittelt werden, sondern die Ortsauflösung quer zur Laufrichtung kann auch erhalten bleiben. Dadurch können nur Teile der Laufspur betreffende Vorgänge (insbesondere spontane partielle Transferfilmabrisse) mit höherem Signal-zu-Rausch beobachtet werden, anstatt durch die flächige Mittelung„verwässert“ zu werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß der Verlauf der mittleren Grauwerte über die Zeit in der Auswerteeinheit ermittelt wird.

Die Grauwertreferenz kann sowohl nur anfänglich als auch durchgehend abgebildet werden, wobei bei letzterer Vorgehensweise zu jedem Auswertezeitpunkt eine aktuelle Grauwertreferenz zur rechnerischen Durchführung der Färb- und

Helligkeitskorrektur zur Verfügung steht. Die Grau- und Helligkeitswerte können sowohl rechnerisch anhand der photo- bzw. videographischen Aufnahmen ermittelt werden als auch direkt sensorisch gemessen werden, beispielsweise durch einen Helligkeitssensor.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, daß

• eine photographische Kamera vorgesehen ist, die so platziert ist, daß sie auf den Ort des Kontaktes zwischen zwei Oberflächen, die sogenannte Laufspur, gerichtet ist,

• Mittel zur Durchführung eines Weißabgleichs für jedes aufgenommene Bild vorgesehen sind, • Mittel zur Bestimmung des mittleren Grauwertes im Bereich der Laufspur sowie in einem Referenzbereich außerhalb der Laufspur vorgesehen sind,

• eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, mittels der aus den zuvor bestimmten Grauwerten sowie der Referenzwerte der Aufbau oder Abbau des

Transferfilms über die Zeit in einer Auswerteeinheit ermittelbar ist.

Der geringe Investitionsbedarf und der geringe Zeitaufwand bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen es erstmals, die quantitative Erfassung und Analyse von Transferfilmen als Standardmethode in der Grundlagenforschung anzuwenden. Durch die Möglichkeit der zeitlichen Korrelation zwischen der

Transferfilmhelligkeit mit den sonstigen Daten eines Tribometers, insbesondere der Reibungskraft und dem Verschleißsignal, gelingt es mit diesem Verfahren erstmals, Wechselwirkungen zwischen dem Transferfilm und Reibung und Verschleiß zeitaufgelöst zu untersuchen, und zwar mit der Möglichkeit nicht nur der qualitativen, sondern auch der quantitativen Untersuchung.

Technische Entwicklungen, die durch eine solche Meßtechnik möglich werden, sind beispielsweise Gleitwerkstoffe, deren Transferfilmbildung ebenso maßgeschneidert werden kann wie die zeitliche Stabilität des gebildeten Transferfilms oder dessen reibungs- und verschleißmindernde Wirkung. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nämlich, Betriebszustände zu ermitteln, in denen der Verschleiß gering ist (und der Transferfilm stabil ist) und auch bei Erreichen von Betriebszuständen, in denen der Transferfilm abgebaut wird, den Betrieb einzustellen.

Weiterhin ist denkbar, daß eine Beobachtung mit einer Videokamera und eine echtzeitfähige Implementierung der computergestützten Auswertung für die

Funktionsüberwachung kritischer Lagerung eingesetzt werden. Soweit für eine Gleitpaarung bekannt ist, wie Beanspruchung, Transferfilm und Umgebung interagieren, wäre - insbesondere bei kritischen Bauteilen - auch eine

Betriebsführung anhand der Echtzeitbeobachtung des Transferfilms möglich.

Das Verfahren zeichnet sich durch einen geringen Investitionsbedarf und geringe Betriebskosten aus und kann daher breit eingesetzt werden. Es ist zu erwarten, daß das erfindungsgemäße Verfahren mittelfristig zu werkstofflichen Innovationen im Bereich der Gleitwerkstoffe führen wird.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel soll die Abbildung eines Transferfilms auf einem Rotor zeitaufgelöst analysiert werden. Der Rotor ist bei einem Block-auf-Ring- Prüfstand der Ring, bei einem Stift-Scheibe-Prüfstand ist es die Scheibe.

Als Kamera kein beispielsweise eine digitale Spiegelreflexkamera aus dem

Consumer-Electronics-Bereich verwendet werden (z.B. Canon EOS 1300D mit Makroobjektiv). Denkbar ist aber auch die Verwendung einer Digitalkamera mit elektronischem Verschluß oder einer digitalen Videokamera.

Die Kamera wird zusammen mit einer geeigneten Beleuchtung und einem

Umgebungslichtschutz so positioniert, daß sie die die Laufspur der Gleitpaarung auf dem Rotor erfaßt. Das Objektiv der Kamera wird so gewählt, daß die Laufspur möglichst großflächig auf dem Bildsensor der Kamera abgebildet wird.

Vor Beginn des Versuchs, aber nach Erreichen eines stabilen Belichtungszustands (was mit moderner LED-Beleuchtung üblicherweise innerhalb von wenigen

Sekunden der Fall ist) wird eine photographische Graukarte mit einem definierten Grauanteil (beispielsweise 18 % Grauanteil) so platziert und aufgenommen, daß für spätere Aufnahmen ein Weißabgleich möglich ist. Dieser Teilschritt ermöglicht die rechnerische Normalisierung von Farbe und Helligkeit, sodaß Ergebnisse von verschiedenen Meßstellen und verschiedenen Belichtungssituationen miteinander verglichen werden können.

Die Belichtungszeit wird so eingestellt, daß der Rotor während der Belichtungszeit mindestens eine ganze Umdrehung ausführt. Hierdurch wird sichergestellt, daß die gesamte Laufspur vollflächig auf den Lichtsensor der Kamera abgebildet wird. Dies führt schon rein verfahrensbedingt zu einer Mittelung der in Laufrichtung verschieden hellen Bereiche des Rotors. Quer zur Laufrichtung bleibt die räumliche Auflösung durch das Belichten unterschiedlicher Bereiche des Fotosensors aber erhalten.

Bei mehr als einer Drehung sollte die Rotationszeit möglichst ein ganzzahliges Vielfaches der Belichtungszeit betragen, um zu verhindern, daß es zu einer zufälligen Ungleichgewichtung bei der Mittelung der verschieden hellen Bereiche des Rotors kommt.

Während des laufenden Versuchs bzw. Betriebs werden in dem der gewünschten zeitlichen Auflösung entsprechenden Abständen Fotoaufnahmen gemacht. Wird eine Videokamera benutzt, wird durchgängig aufgenommen, ggf. unter Verwendung einer der Videokamera eigenen Zeitrafferfunktion.

Für jedes gemachte Photo wird zunächst mit Hilfe der zu Beginn aufgenommenen Graureferenz ein Weißabgleich durchgeführt. An dem so korrigierten Bild wird innerhalb eines sogenannten Auswertungsbereichs, der die gesamte Laufspurbreite enthalten sein sollte, der mittlere Grauwert bestimmt. Entsprechend wird in einem (vorzugsweise direkt neben der Laufspur definierten) Referenzbereich vorgegangen. Beide Werte werden - eventuelle zusammen mit den anderen zeitaufgelöst aufgenommenen Meßwerten (z.B. Uhrzeit, zurückgelegte Gleitstrecke, Temperatur, Reibkraft, verschleißbedingte Höhenänderung) - gespeichert.

Sind die Bereiche für Auswertung, Referenz und Grauwertbereich (zu Beginn einer Serie) pixelgenau definiert, ist es möglich, die Auswertung von Photoserien bzw. Videos mit Hilfe eines Algorithmus durchzuführen, der in einer entsprechenden Programmiersprache maschinenausführbar implementiert werden kann.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Politur der Laufspur analysiert. Dabei wird ein numerisches Kriterium zur orts- und zeitaufgelösten automatisierten

Detektion von Polituren eingeführt, das sich derart formalisieren lässt, dass es von einem Algorithmus ermittelt werden kann. Experimentelle Voraussetzung hierzu ist die Schaffung einer Beleuchtungssituation, die es erlaubt, zusätzlich zu dem Transferfilmdetektionsbereich (ROI) und dem Referenzbereich (REF) noch einen Politur-Erkennungsbereich (POL) auf der

Laufspur zu definieren, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er beim Auftreten von Politur in der Laufspur Licht durch direkte Reflexion zum Sensor leitet sowie einen weiteren Helligkeitsreferenz-Bereich (POL-REF) für den Bereich POL zu definieren, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er vor Beginn eines Versuchs annähernd gleich viel Licht in Richtung des Sensors abstrahlt. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß für jede Einzelaufnahme und jeden Bildpunkt innerhalb des Bereichs POL eine Politur-Maßzahl P berechnet wird, um anhand dieser Maßzahl zu entscheiden, ob die Ursache einer im den entsprechenden ROI-Bereich

gegebenenfalls beobachtete Abdunkelung tatsächlich durch einen Transferfilm oder durch die Politur der Laufspur zu Stande gekommen ist.

Fig.1 zeigt einen zur Unterscheidung eines Transferfilms von einer Politur der Laufspur geeigneten Versuchsbau anhand eines Block auf Ring-Versuchs. Trifft ein von der Lichtquelle A ausgesandter Lichtstrahl B auf einen Punkt C auf der

Innenseite eines diffus reflektierenden Belichtungsdoms, kommt es dort zu diffuser Reflexion, die unter anderem den Lichtstrahl D erzeugt. Trifft dieser auf den Punkt E, der ohne Einschränkung der Allgemeinheit innerhalb der ROI und innerhalb der Laufspur liegen soll, und herrscht dort eine nicht zu vernachlässigende diffuse Reflexion, erzeugt diese u.a. den Lichtstrahl G, der den Sensor H erreicht. Dieser Strahl G, sowie alle analog konstruierbaren aber nicht dargestellten Strahlengänge bilden zusammen die Träger der Helligkeitsinformation, die eine numerische

Information über die Belegung der Laufspur mit einem Transferfilm darstellt.

Fig. 1 , rechts, zeigt nun die Situation, bei der in E aufgrund der Politur der Laufspur während des Versuchs praktisch ausschließlich direkte Reflexion herrscht. Der vom Dom in Punkt C ausgesandte Strahl D trifft dann auf Punkt E und wird von dort unter Beachtung von der für die direkte Reflexion geltenden Regel, dass der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist, ausschließlich in Richtung des Punkts I reflektiert. Entsprechend bleibt der Sensor H dunkel, da lediglich Lichtstrahlen auf den Sensor treffen können, die ausschließlich in Richtung der Kamera emittiert werden. Da die Politur der Laufspur ähnlich wie auch die Ausbildung eines Transferfilms

zeitabhängige Prozesse sind, die beide zu einer Verringerung der am Sensor H detektierten Helligkeit führen, sind sie nicht ohne Weiteres voneinander zu

unterscheiden.

Wird die Belichtung jedoch geeignet gewählt, bestehen aufgrund der Krümmung des Rings (die eine spezielle Eigenart des Block auf Ring-Versuchs darstellt) jedoch auch vertikale Bereiche im Beobachtungsfeld des Sensors, aus denen auch bei vollständig direkter Reflexion Licht den Sensor erreicht. Diese Bereiche liegen in vertikaler Richtung direkt neben dem Bereich, in dem bei vollständig direkter Reflexion keinerlei Licht mehr zum Sensor fällt, siehe Fig. 2.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die zwei Politurdetektionsbereiche, die sich direkt ober- und unterhalb des in der (vertikalen) Mitte liegenden Transferfilmdetektionsbereichs befinden. Eingezeichnet sind der Transferfilmdetektionsbereich (ROI) und dessen Helligkeitsreferenzbereich (REF), beide innerhalb des Transferfilmdetektionsbereichs sowie der Politurdetektionsbereich (POL) und dessen Helligkeitsreferenzbereich (POL-REF).

Die beschriebene Auswertung wird nun nicht nur in den Bereichen ROI und REF ausgeführt, sondern zusätzlich und analog auch noch in POL und REF-POL, wodurch die vier absoluten Luminanzen L _R0I , L _REF , L _POL und L _POL-REF erhalten werden.

Als numerisches Maß für das Auftreten von direkter Reflexion in der Laufspur kann die Maßzahl

LREL-ROI

P = x 100%

LREL-POL

herangezogen werden, wobei

, _ LROI

LREL-ROI —

^L REF

und , _ L _P OL

LREL-POL— 7

^L POL-REF

Bei vollständiger Abwesenheit von Politur beträgt P 100 %. Kommt es zu einer Verschiebung von diffuser zu direkter Reflexion, steigt das Verhältnis von L _POL ZU L _POL-REL (also L _rel-pol ) an, während das Verhältnis von L _R0I zu L _REF abnimmt. Da bei einsetzender Politur der Zähler von P steigt, während sein Nenner fällt, reagiert P sehr empfindlich auf das Entstehen polierter Bereiche.

Mit Hilfe der Politurkennzahl P kann das beschriebene technische Problem wie folgt gelöst werden: Kommt es zu einer Abdunkelung in der ROI aufgrund eines sich ausbildenden und Licht absorbierenden Transferfilms, kann man die

Alternativhypothese („Abdunkelung wegen Verschiebung von diffuser zu direkter Reflexion“) anhand von P überprüfen. Bleibt P nahe bei 100 %, kann die

Alternativhypothese verworfen werden und die Bildung eines Transferfilms als Ursache für die Abdunkelung der ROI angenommen werden. Steigt P jedoch signifikant an, muss die Alternativhypothese angenommen werden. Ein falsch- positives Ereignis („Annahme einer Transferfilmbildung, obwohl deren Indikator ROI- Abdunkelung durch Politur zu Stande kommt“) kann damit also sicher

ausgeschlossen werden. Die Schwelle, ab der die Alternativhypothese angenommen werden muss, ist grundsätzlich frei wählbar. Ist sie gewählt, kann für jeden Zeitpunkt, zu dem Sensordaten vorliegen, der Anteil der polierten Laufspur-Fläche berechnet werden. Insbesondere können Daten für Bereiche, die innerhalb der ROI liegen und die eine politurbedingte Abdunkelung darstellen, von der Berechnung des Maßes LREL-ROI ausgeschlossen werden.