Rauigkeit und Topografie â ein Vergleich unterschiedlicher ... - Alicona

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MESSTECHNIK 2.1 Indirekte Verfahren mit Luftstrom Alle hier angeführten Methoden bestimmen die Rauigkeit bzw. die Glätte einer Papier- oder Kartonprobe indirekt durch Vermessen eines Luftstromes, der zwischen einer Blende und der Papierfläche durchströmt: Bekk (vgl. ISO 5627) Bendtsen (vgl. ISO 8791-2) PPS (vgl. ISO 8791-4) (a) Bekk In Abb. 1 sind die Messmethoden schematisch dargestellt. Bei der Methode nach Bekk wird die Papierprobe mit einem gummierten Stempel auf einen in etwa 13 mm breiten Glasring (Fläche 10 cm 2 ) gepresst. Gemessen wird die verstrichene Zeit, die ein definiertes Luftvolumen benötigt um den Spalt zwischen der Papieroberfläche und der Glasplatte zu passieren. Der Raum unterhalb des Glasrings wird mit einem Vakuum beaufschlagt. Zur Bestimmung der Bendtsen-Rauigkeit wird Luft durch den Spalt zwischen dem Papier und einem darauf liegenden Ring mit einer Breite von 150 µm gepresst. Hier erhält man das pro Minute ausströmende Luftvolumen als Resultat. Die Methode nach Parker-Print-Surf basiert ebenfalls auf der Luftmenge, die durch den Spalt zwischen einem Messring und der Papierprobe gepresst wird. Der hier eingesetzte Messring hat eine Breite von 50 µm und ist 98 mm lang. Die das Papier berührende und luftführende Fläche ist in allen Fällen ein Kreisring. Dieser unterscheidet sich hinsichtlich der Abmessungen und des Materials (Stahl oder Glas). Die gegenüberliegende probenstützende Seite ist entweder aus Glas (Bendtsen) oder Gummi (Bekk, PPS). Die verwendeten Anpressdrücke sind entweder vorgegeben (Bekk: 100 kPa, Bendtsen: Masse des Messkopfes 267 g) oder einstellbar (PPS: 490, 980 und 1960 kPa). (vgl. auch [4], [5], [6], [7]) Alle Methoden liefern ein Maß für die Glätte bzw. die Rauigkeit der Oberfläche. Die Struktur bzw. die Topografie kann mit ihnen nicht erfasst werden. Auch ein Einfluss der Porosität der untersuchten Papierproben, die nicht erfassbare Luft auch abseits der Blende strömen lässt, wird diesen Verfahren nachgesagt [8]. 2.2 Direkte Methoden Zur Bestimmung der Topografie gibt es mehrere Möglichkeiten. Hier sollen drei vorgestellt werden (vgl. Abb. 2): (a) mechanische Erfassung (b) Bendtsen (b) optische Erfassung (c) Parker Print Surf Abb. 1: Luftstromverfahren Abb. 2: Topografiemessmethoden 1228 WOCHENBLATT FÜR PAPIERFABRIKATION 21 · 2006
MESSTECHNIK mechanische Abtastung dynamische Laserfokussierung (Optische Erfassung) Farbfokussensor (Optische Erfassung) Bei der mechanischen Abtastung wird eine Tastspitze über die Oberfläche geführt. Das Ergebnis ist ein über dem Tastweg aufgezeichnetes Höhensignal, das so genannte Oberflächenprofil. Durch Abtasten eng aneinander liegender Oberflächenprofile erhält man die flächige Abtastung der Topografie. Beim hier vorgestellten Verfahrensvergleich kam ein Gerät [9] (UST der Firma Innowep, D) mit einer Auflösung von 1µm in x- und y- und 60 nm in z-Richtung zum Einsatz. Bei der dynamischen Laserfokussierung [8] (AF16 Autofocussensor der Firma IVT Lehmann-Messtechnik, CH) wird ein Laser mittels einer Linse auf der Oberfläche fokussiert. Die Linse wird mittels eines Stellmotors in z-Richtung bewegt. Ein Sensor ermittelt die jeweilige z-Position der Linse in fokussierter Stellung und liefert somit die Topografieinformation. Die Probe wir durch einen xy-Tisch unter dem Sensor bewegt. Dieses System hat eine Auflösung von 1 µm in x- und y- und 0,10 µm in z-Richtung Beim Farbfokussensor [10] (InfiniteFocus der Firma Alicona, A) wird die Topografie einer Probe durch Auswertung der Schärfeninformation ermittelt. Durch einen hochgenauen motorisierten Hubtisch wird die Probe vertikal bewegt. Dabei werden laufend Bilder mit einer Digitalkamera und einer Optik aufgenommen. In Abhängigkeit der Objektivstellung sind unterschiedliche Höhenbereiche in gewissen Bildern scharf abgebildet. Die Topografie kann anschließend aus den scharf abgebildeten Bereichen im Bilderstapel des Aufnahmeprozesses rekonstruiert werden. Als Ergebnis erhält man die Topografie und das dazugehörige Bild (Farbinformation). Die vertikale und horizontale Auflösung wird durch die Wahl des Objektivs festgelegt. Dadurch kann eine Auflösung in x- und y- von 0,4 µm und in z-Richtung von 0,02 µm erreicht werden. Insbesondere zur Untersuchung von bedruckten Proben ergeben sich durch dieses Messprinzip neue Möglichkeiten wie beispielsweise die lokale Bewertung der Farbübertragung, insbesondere von Missing Dots. 3 Vergleich der Methoden Vergleiche zwischen direkten und indirekten Methoden wurden bereits durchgeführt. Yamauchi et al. [11] vergleichen anhand eines Streichroh- und eines gestrichenen Papiers ein optisches System (Interferometer), eine mechanische Abtastung und ein SEM. Dabei wurden die Papiere an derselben Stelle vermessen. Es zeigt sich, dass sowohl das SEM als auch das Interferometer in der Lage sind, die Mikrorauigkeit der Topografie wiederzugeben. Zur Beurteilung der Makrorauigkeit sind alle drei Messgeräte geeignet. Zum selben Ergebnis kommen Enomae et al. [12], die an gestrichenen Proben ein SEM und eine mechanische Abtastung verglichen. Dabei wird an den Proben exakt dieselbe Stelle mit beiden Verfahren gemessen und gegenübergestellt. Beide Verfahren liefern ähnliche Rauigkeitsprofile, wobei das SEM auch Mikrorauigkeit erkennen kann. Das macht es für die Untersuchung gestrichener Proben besonders geeignet. Wagberg et al [13] stellten eine optische einer mechanischen Abtastung und der PPS-Methode gegenüber. Die Ergebnisse der Abtastungen werden mittels Oberflächenparametern und einer Spektralanalyse bewertet. Die Spektralanalyse zeigt Unterschiede zwischen optischer und mechanischer Abtastung auf. Bei der mechanischen Abtastung ist Rauigkeit im hohen Frequenzbereich niedriger: das lässt sich auch durch einen Glättungseffekt der Tastspitze erklären. Oberflächenstrukturen, die kleiner sind als der Radius der Tastspitze, werden nicht erfasst [12]. Bei gestrichenen Proben trat auch eine Beschädigung der Oberfläche durch die Tastspitze auf. Gleiche Ergebnisse finden Mattsson et al. [14]. Die optische Erfassung mittels Laser – verglichen mit der mechanischen – liefert höhere Anteile im hochfrequenten Bereich. Allerdings werden diese auf den Laserfokus zurückgeführt. Enomae et al. [15] berichten über einen Zusammenhang zwischen der PPS-Rauigkeit und einem Oberflächenparameter Ra. Die Untersuchungen wurden an satinierten Papieren mittels mechanischer Abtastung durchgeführt. 3.1 Untersuchungen an grafischen Papieren 3.1.1 Vergleich zwischen den indirekten Methoden Die nachfolgenden vorgestellten Untersuchungen wurden an einem Satz Papiere durchgeführt, die einen möglichst weiten Rauigkeitsbereich repräsentieren. Die Papiere sind in Tab. 1 angeführt. Die Zusammenhänge zwischen der indirekten Methoden sind in Abb. 3 dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Bendtsen und PPS ist mit guter Näherung linear: hohe PPS-Rauigkeit ergibt auch einen hohen Bendtsen-Wert. Die Gegenüberstellung mit Bekk zeigt: PPS und Bendtsen sind indirekt proportional zu Bekk. Ähnliche Ergebnisse wur- Tab. 1: Rauigkeiten der Papiere – indirekte Verfahren Abb. 3: Korrelationen der indirekten Verfahren WOCHENBLATT FÜR PAPIERFABRIKATION 21 · 2006 1229
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Seite 5 und 6: MESSTECHNIK Abb. 6: Vergleich indir
Seite 7: MESSTECHNIK Abb. 9: Korrelationsmat

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