HardwareSoftwareGeräteserviceMessdienstleistungen

LFU


Abb. 1: Prinzip der Lateralkrafteinheit


Abb. 2: Lateralkrafteinheit mit installiertem Probenhalter

Die Lateralkrafteinheit (LFU) ist ein zweiter völlig unabhängiger Messkopf mit dem zusätzlich zur senkrechten Belastung der Probenoberfläche auch Belastungen in lateraler Richtung simuliert werden können, wie sie in Anwendungen häufig auftreten. Insbesondere in Kombination mit Spannungsrechnungen kann dadurch die Entstehung von Fehlern in Oberflächen besser nachvollzogen werden. Die Wegauflösung ist genauso gut, wie in normaler Richtung. Die Kraftauflösung ist etwas schlechter, da die Federkraft von steifen Haltefedern berücksichtigt werden muss.

Das patentierte Prinzip das LFU ist in Abb. 1 erläutert. Der Probenhalter sitzt auf einer Halteplatte, die an der Mitte von vier senkrechten Blattfedern befestigt ist. Diese Konstruktion ist sehr steif in senkrechter Richtung, so dass sich keine merkliche Verschlechterung der Gerätesteife ergibt. Bei der seitlichen Auslenkung durch ein Piezoelement von maximal ± 70 µm gibt es keine Höhenveränderung der Probe. Beide Bewegungen (normal und lateral) sind damit komplett entkoppelt. Die durch das Piezoelement aufgebrachte Gesamtkraft wird über ein Federsystem unabhängig gemessen, wobei die Auslenkung der Federn durch einen induktiven Wegsensor (LVDT) ohne Anschlag bestimmt wird. Eine Klampe, die durch einen kleinen Motor geschlossen oder geblockt wird, ermöglicht im geschlossenen Zustand die Kraftübertragung. Im geblockten Zustand verhindert sie, dass sich der Probenhalter mit der Probe seitlich bewegen kann, wie es für reine Härtemessungen erforderlich ist.

Durch dieses Prinzip kann (im Gegensatz zu Scratchtestern und anderen Geräten) eine Kraft aufgewendet und gemessen werden, auch ohne dass eine seitliche Bewegung stattfindet. Dies ist z. B. der Fall, wenn der Prüfkörper auf der Probenoberfläche haftet. Der Übergang von Haft- zu Gleitreibung kann genau bestimmt werden. Zur Bestimmung der Reibungskraft auf der Probe ist von der gemessenen Gesamtkraft die Federkraft der Haltefedern abzuziehen. Die genaue Federkonstante wird daher vor Beginn einer Messserie durch eine Messung gegen Luft ohne Kontakt der Spitze mit der Probe bestimmt und anschließend korrigiert (Abb. 3 und 4). Die hohe Auflösung der Messung erlaubt die Bestimmung der elastischen Verformung im Kontakt von teilweise weniger als 10nm und damit die Bestimmung der lateralen Kontaktsteife.

Die Kombination beider Messköpfe erlaubt eine Vielzahl von neuartigen Messmethoden von denen hier nur eine beispielhaft dargestellt werden kann. Sie ist in den Abbildungen 6 und 7 erläutert.




Abb. 3: Messkurven einer Messung gegen Luft (grau) zur Bestimmung der der Federkonstante der Haltefedern und eines Reibversuchs mit 6 Zyklen und einer Auslenkung von ± 1 µm ohne Korrekturen (schwarz).


Abb. 4: Laterale Messkurven von Abb. 3 nach Korrektur der Federkraft der Haltefedern und der lateralen Gerätesteife. Bei der verwendeten Normalkraft von 100 mN beträgt der Reibwert einer Diamantkugel auf Quarzglas 0,08 in beide Richtungen.




Abb. 5: Ausschnitt am Umkehrpunkt des Zyklus 2 von Abb. 4 mit Fit zur Bestimmung der lateralen Gerätesteife. Dies ist eine rein elastische Deformation im Kontakt. Die laterale Kontaktsteife beträgt 296 mN/µm und das Verhältnis aus lateraler zu normaler Kontaktsteife liegt bei 0,965.

Abb. 6: Zeitlicher Verlauf einer kombinierten normal-lateral Kraft-Verschiebungs-Messung. Nach der Belastung auf die erste Belastungsstufe der Normalkraft wird in der Haltezeit der Normalkraft ein lateraler Zyklus mit einer maximalen Lateralkraft von 15 mN gefahren.





Abb. 7:
Zu Abb. 6 gehörige laterale Kraft-Verschiebungs-Kurve eines Berkovich Indenters in Quarzglas. Nachdem durch die Normalkraft ein plastischer Eindruck erzeugt wurde, wird der Eindringkörper seitlich gegen die Wände des Eindrucks gedrückt. Dabei gibt es zunächst bis etwa 5 mN rein elastische Deformation bevor sich die Probe auch seitlich plastisch um etwa 200 nm verformt. Aus der ebenfalls zunächst rein elastischen Verformung bei der Entlastung am rechten Teil der Kurve lässt sich mit einem entsprechenden (recht komplexen) Modell die Poissonzahl berechnen. Außerdem können die Fließgrenze des Materials und teilweise Eigenspannungen abgeleitet werden. Die dafür notwendigen Berechnungen sind nicht Bestandteil der InspectorX Software sondern erfordern eine zusätzliche externe Software.


Zurück