Einführungs-Laborpraktikum

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1 MUT Fakultät Technik und Informatik Department Maschinenbau und Produktion Labor für Maschinenelemente und Tribologie W 09 Prof. Dr.-Ing. Erik Kuhn Dipl.-Ing. Snezhana Kolarova Dipl.-Ing. Niels Eiben Dipl.-Ing. Thomas Rieling Einführungs-Laborpraktikum Datum/Semestergruppe 1. Teilnehmende(r) 2. Teilnehmende(r) 3. Teilnehmende(r) geprüft: Vorbemerkung Die Versuche des Einführungslabors sind gemäß der jeweils im Skript vorhandenen Beschreibung durchzuführen. Das Skript stellt einen Teil des Versuchsprotokolls dar und soll so als Beispiel für die Anfertigung einer Ausarbeitung dienen. Von den Studierenden sind im Anschluss an die Laborveranstaltung jeweils ein Messprotokoll und eine gegliederte Auswertung (Kapitel 6. xx) anzufertigen, die während der Laborveranstaltung mithilfe der Anhänge 1 und 2 vorbereitet werden sollen. Die Abgabe der gesamten Unterlagen soll spätestens 14 Tage nach der Versuchsdurchführung erfolgen. Versuch E02: Mikroskopische Darstellung von Verschleißspuren 1 Einleitung Räumliches Sehen Die ersten Mikroskope Das Prinzip des Stereo-Mikroskops Berechnung der Vergrößerung Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Literaturverzeichnis...5 Anhang 1 zum Versuchsaufbau: siehe Extrablatt...6 Anhang 2: Messdatenblatt...6 Anhang 3: Notizen zur Auswertung Auswertungs- und Antwortteil der Studierenden 1

2 1 Einleitung Das Stereomikroskop kann im Bereich Maschinenelemente und Tribologie z. B. zur Beurteilung von Schmierstoffen (z. B. Struktur, Verunreinigungen) und Bauteilen hinsichtlich z. B. Verschleißspuren eingesetzt werden. Meist können aus den Untersuchungen eher qualitative Informationen (Struktur, Färbung, Körnung u. ä.) gewonnen werden als quantitative (Abmessungen, Mengen u. ä.). Im vorliegenden Beispiel soll versucht werden, quantitative Aussagen zu Verschleißspuren zu treffen Räumliches Sehen Würde man die beiden Bilder eines Objekts auf der Netzhaut beider Augen übereinander legen, so wären sie nicht deckungsgleich. Durch den Abstand der Augen von etwa 64mm wird das Objekt aus unterschiedlichen Blickwinkeln beobachtet und die einzelnen Objektdetails werden deshalb an unterschiedlichen Punkten der Netzhaut abgebildet. Aus dieser Abweichung der Netzhautbilder erzeugt das Gehirn einen räumlichen Gesamteindruck. Das menschliche Auge ist in der Lage durch Veränderung der Linsenform (Akkomodation) Gegenstände bis zu einer Entfernung von etwa 250 mm ohne wesentliche Anstrengung scharf zu sehen. Bei geringerer Entfernung wird die Beobachtung eines Gegenstandes rasch sehr anstrengend und zumindest auf die Dauer nicht möglich. Diese Entfernung von 250 mm wird auch als "konventionelle Sehweite" bezeichnet. Wird nun ein Gegenstand aus der konventionellen Sehweite betrachtet, so beträgt der Winkel zwischen den optischen Achsen beider Augen etwa 15 (=Konvergenzwinkel). [1] 1. 2 Die ersten Mikroskope Bezugnehmend auf diese Gegebenheiten schlug 1892 der Zoologe Haratio S. Greenough vor ein Mikroskop aus zwei getrennten optischen Systemen zu konstruieren. Beide Systeme werden unter einem Winkel von an einem gemeinsamen Stativ befestigt und sind in ihrem Aufbau identisch. Damit der dreidimensionale Bildeindruck zusätzlich noch ein seiten- und höhenrichtiges Bild vermittelt war es notwendig noch jeweils zwei bildaufrichtende Prismen (Porroprismen) in den Strahlengang einzubringen. Die ersten Stereomikroskope nach dieser Konstruktionsweise (Greenough-Typ) (Abb. 1 und 2) wurden 1897 von Zeiss gefertigt. [1] Abbildung 1: Greenough-Mikroskop [1] Abbildung 2: Konventionelle Sehweite [1] 2

3 1. 3 Das Prinzip des Stereo-Mikroskops Etwa zur Mitte des Zwanzigsten Jahrhunderts wurden die ersten Stereomikroskope mit einem gemeinsamen Hauptobjektiv auf den Markt gebracht. Diese Geräte (Fernrohr- bzw. Teleskop-Prinzip) entsprachen bzgl. ihrer Konstruktion nicht mehr dem Greenough-Typ, waren komplizierter gebaut und boten die Grundlage für eine extrem flexible Ausbaubarkeit. [1] Im MuT-Labor steht ein Stereo-Mikroskop SMC-4 wie etwa in Abb. 3 zur Verfügung. Standardausrüstung: Mikroskopmittelteil 2 Tubi (a) 2 Okulare Pw 16 x (12,5) (b) 2 Augenmuscheln (c) 1 Objektiv GFPlanachromat 1,6 x (d) Stativ mit Einlegeplatte und Tischfedern (e) und externer regelbarer Stromversorgung für Auflicht- oder Durchlichtbeleuchtung (f) Technische Daten: Zoomfaktor: 10 : 1 Vergrößerung: 6,3x... 63x Objektfelder: 160 mm... 0,8 mm Arbeitsabstände: 393 mm mm Abbildung 3: SMC-4 [2] a b c d e f Das Stereo-Mikroskop ist gemäß Abbildung 4 aufgebaut: mechanische Elemente 3 optische Elemente

4 Abbildung 4: Aufbau eines Stereomikroskops [1] 1. 4 Einzelteile des Mikroskops [1] Okulare - Durch die beiden Okulare wird das vom Objektiv erzeugte Zwischenbild nachvergrößert und beobachtet. Umlenkprismen - Das Objektiv eines Mikroskops erzeugt ein seiten- und höhenverkehrtes Bild. Dies kann in der Stereomikroskopie nicht hingenommen werden. Deshalb werden zwei Umlenkprismen (Porroprismen) in den Strahlengang gebracht. Durch ein Prisma werden die Höhen, durch das zweite Prisma die Seiten vertauscht. Das im Stereomikroskop sichtbare Bild ist dadurch seiten- und höhenrichtig, was beispielsweise für Präparationsarbeiten sehr vorteilhaft ist. Tubuslinse - Der Abstand zwischen Tubuslinse und Objektiv ist variabel. Deshalb können hier spezielle Baugruppen eingefügt werden. Fernrohr-System oder Vergrößerungswechsler - Der Vergrößerungswechsel erfolgt durch ein Fernrohrsystem. Auf einer Schaltwalze können sich mehrere Fernrohre befinden zwischen denen gewechselt werden kann. Diese Geräte haben meist 3 oder 5 feste Vergrößerungsstufen. Objektiv - Stereomikroskope nach dem Fernrohr-Prinzip arbeiten mit einem einzigen Objektiv. Erst hinter dem Objektiv erfolgt die Teilung der Parallellichtbündel in zwei divergierende Strahlenbündel. Das Objektiv bestimmt entscheidend die Qualität der mikroskopischen Abbildung. Planachromate liefern verzeichnungsfreie und geebnete Bilder. Diese Objektive sind besonders für die Untersuchung flacher Objekte geeignet Berechnung der Vergrößerung Die Gesamtvergrößerung V g [-] berechnet sich aus dem Produkt aller vergrößernden Elemente: V g = Vo Vk Vt Vw (1) mit V o : Vergrößerung durch das Objektiv (1,60); V k : Vergrößerung durch das Okular (16,0); V t : Vergrößerung durch den Tubus (2,00); V w : Vergrößerung durch den Wechsler (0, ,20). Für den vorliegenden Aufbau ergeben sich folgende Vergrößerungen, da (ohne Umbau) nur die Wechslervergrößerung variabel ist. V w V g 0,32 16,5 0,40 20,5 0,50 25,6 0,63 32,3 0,80 41,0 1,00 51,2 1,25 64,0 1,60 82,0 2, , , Tab. 1: Vergrößerungswechsler-Einstellungen am SMC-4 [3] 4

5 2 Versuchsaufbau Im Anhang 1 finden Sie eine Abbildung des Mikroskops mit der Bezeichnung der Einzelteile. Die Kamera und die Stromversorgung für die Lampe sind nicht im Bild gezeigt. 3 Versuchsdurchführung 01 - Sehen Sie sich den Mikroskopaufbau im Anhang 1 an Legen Sie das Messgitter auf den Tisch des Mikroskops (1) Starten Sie am PC die Software Grabster AV Stellen Sie am Mikroskop den Wechsler (5) zunächst auf 0,4 ein Schalten Sie die Lampe (2, 7, 8) ein und regeln Sie die Beleuchtung hell ein (ca. Stufe 8), so dass das Objekt durch Einregeln am Trieb (5) auf dem Bildschirm oder durch die Okulare gut zu erkennen ist Ein eingeregeltes Bild können Sie mit NEUES BILD AUFNEHMEN sichern Schalten Sie die Lampe aus. 08 Starten Sie Microsoft Paint und übernehmen Sie das Bild mit DATEI / VON SCANNER ODER KAMERA. Beschneiden Sie das Bild ohne den Maßstab zu verändern und speichern Sie es z. B. als Vw0,4.jpg es dient als Maßstab für die folgenden Aufnahmen der Verschleißspuren bei gleicher Wechselvergrößerung V w = 0, Sehen Sie sich die gegebenen Probe(n) mit den Verschleißspuren an und schätzen Sie die Breite der Spuren; tragen Sie die Ergebnisse in das Messprotokoll im Anhang 2 ein (Aufgabe 4a) Wiederholen Sie die Schritte 1 bis 9, so dass Sie für 3 Vergrößerungsklassen V w Aufnahmen des Messgitters und der Verschleißspuren erhalten. Nachbearbeitung: a) Sichern Sie Ihre Arbeit auf einem Speichermedium für die Nachbearbeitung. b) Stellen Sie in einem Word-Dokument Bilder der Verschleißspuren mit einer Maßstabsangabe zusammen (z. B. einem Maßpfeil aus dem Messgitter -> Beispiel) und fügen Sie Ihrem Protokoll zwei Ausdrucke hinzu. Beispiel: Setzen Sie über AutoFormen aus dem Zeichnen-Menü einen Pfeil (z. B.) so in das Gitter, dass Sie eine definierte Länge erhalten. Übernehmen Sie den Pfeil anschließend in eine Aufnahme einer Verschleißspur bei gleicher Vergrößerung. 4 Aufgaben und weitere Auswertungen a) Bestimmen Sie die Breite der Verschleißspuren bei 3 verschiedenen Vergrößerungen und tragen Sie die Ergebnisse in das Messprotokoll ein. b) Vergleichen Sie die Verschleißspuren qualitativ und beschreiben Sie in Stichworten Eigenschaften, die Ihnen auffallen. c) Nennen Sie Gründe für Ungenauigkeiten des Messverfahrens. d) Nennen Sie Gründe für die unterschiedliche Ausbildung von Verschleißmarken. 5 Literaturverzeichnis [1] C. Linkenheld, Internetpräsentation zur Stereomikroskopie,

6 [2] Internetpräsentation der Fa. Askania; [3] M. Cherrat, Studienarbeit Optische Untersuchungen von Schmierfetten unterschiedlicher Zusammensetzung und Beanspruchung, HAW Hamburg 2005 Anhang 1 zum Versuchsaufbau: siehe Extrablatt Anhang 2: Messdatenblatt Messdatenprotokoll zur mikroskopischen Verschleißbeurteilung (E02) a) und b) Messergebnisse Verschleißmarke V w 1 = V w 2 = V w 3 = A B C Bemerkungen zu Teil a) und b) c) Notizen zum qualitativen Vergleich 6

7 Anhang 3: Notizen zur Auswertung Notizen zur Auswertung der mikroskopischen Verschleißbestimmung (E02) d) Eigenschaften der Verschleißmarken e) Gründe für die unterschiedliche Ausbildung von Verschleißmarken 7