Überprüfung der Materialklassifizierung mittels Lumineszenzspektren Zur Überprüfung der Zuordnung der Partikel in die entsprechenden Materialklassen über

den Klassen < 50 μm aufgeführt sind, werden sicher einige CBN- und Diamant-Partikel fälschlicherweise der Materialklasse #1 (Metalle) zugeordnet. Eine Erklärung für die geringe Lumineszenzintensität kann sein, dass es sich bei Diamant und CBN um Partikel für besonders anspruchsvolle Anwendungen handelt, welche aufwändig hergestellt werden. CBN und Diamant müssen spezielle Eigenschaften aufweisen, z. B. extreme Härte und Beständigkeit, was eine hohe Reinheit – und somit fehlende Fremdatome – bedingt.

Dadurch findet keine Lumineszenzaktivierung zwischen Valenz- und Leitungsband statt.

Fazit Differenzierung lumineszierender und nicht lumineszierender Partikel: Der Vergleich der Partikelabbildung zwischen Beleuchtung mit VIS- und UV-Beleuchtung zeigt, dass Partikel der Materialklassen #2 und #3 über deren Lumineszenz erfasst werden können. Auch wenn die Abbildung bei UV-Beleuchtung nicht der realen Größe der Partikel entspricht, kann durch die Binarisierung die Position lumineszierender Partikel bestimmt werden. Dahingegen werden die Partikel der Materialklasse #1 optisch ausgeblendet, wodurch diese effektiv selektiert werden.

Nur bedingt anwendbar ist diese Methode zur Materialklassifizierung von CBN- und Diamant-Partikeln. Ein Großteil der untersuchten Partikel konnte nicht von den Metallen selektiert werden. Diese Partikel werden zur Oberflächenbearbeitung von Bauteilen in mechanischen Funktionssystemen eingesetzt, etwa Honen von Zylinderlaufflächen. Da bei diesen Anwendungen jedoch lediglich die mechanischen Materialeigenschaften der Partikel relevant sind, ergibt die falsche Zuordnung von CBN und Diamant zu den Metallen trotzdem eine richtige Aussage bezüglich ihres Schädigungspotenzials.

7.3.4 Überprüfung der Materialklassifizierung mittels Lumineszenzspektren

Intensitätswerte > 500 aufweisen, werden den Metallen zugeordnet, alle anderen Materialien den lumineszierenden Materialklassen #2 und #3.

Abbildung 7-9: Differenzierung von lumineszierenden (Materialklasse #2 und #3) und nicht lumineszierenden (Klasse #1) Materialien anhand der maximalen Intensitätswerte

Ergebnis: Die metallischen Partikel werden anhand des festgelegten Grenzwertes eindeutig der Materialklasse #1 zugeordnet. Sämtliche organischen Polymere und Natur-stoffe weisen hingegen ein eindeutiges Lumineszenzsignal auf, weshalb diese korrekt den lumineszierenden Klassen zugewiesen werden. Gleiches gilt für die Keramiken und Mineralien. Eine Ausnahme bildet wiederum das CBN, welches wie bei der Vorselektion über Lumineszenz-Bilder zu den Metallen gruppiert wird. Der hier untersuchte Diamant konnten hingegen den lumineszierenden Klassen zugewiesen werden.

x Zentrale Wellenlänge

Zur weiteren Differenzierung der lumineszierenden Partikel muss die zentrale Wellen-länge ZWL der Lumineszenzbanden betrachtet werden. Pro Spektrum werden maximal vier Banden betrachtet. Materialien mit ZWL von ausschließlich unterhalb 490 nm werden in Materialklasse #3 eingruppiert, Materialien mit ZWL ausschließlich > 500 nm in Materialklasse #2. Werden in einem Spektrum Banden mit ZWL im Übergangs- oder in beiden Bereichen detektiert, so ist eine eindeutige Klassifizierung allein auf Grundlage dieses Spektren-Kennwertes nicht möglich.

Anhand Abbildung 7-10 ist zu erkennen, dass sämtliche untersuchten organischen Materialien nur eine oder maximal zwei Peaks mit ZWL < 490 nm aufweisen. Einzige Ausnahmen bilden PC und PP, die Banden mit ZWL in beiden Kennwertbereichen zeigen.

100 1000 10000 100000

SiC schwarz SiC grün SiC grau Rubinkorund Normalkorund Halbedelkorund Edelkorund AlZrO2 Keramik #1 Keramik #2 Keramik #3 Keramik #4 CBN Diamant Gussand Holz Baumwolle Seide Schafwolle Kartonage Haare Mensch PET PP PE-LD PC PA PVC PS PPSU Polyester Edelstahl Messing Stahl Aluminium Kupfer

absoluter Intensitätswert I

Grenzwert

Klasse #1 Klasse #2 und #3

Gleiches gilt für die vier keramischen Polierpartikel. Ansonsten werden sämtliche weiteren keramischen und mineralischen Materialien eindeutig in Materialklasse #2 eingruppiert.

Abbildung 7-10: Differenzierung von Partikeln der Materialklasse #2 und #3 anhand der zentralen Wellenlängen; die schwarz umrandeten Materialien sind auf Grundlage der ZWL nicht eindeutig klassifizierbar

Ergebnis: Die Mehrheit der betrachteten Materialien wird anhand des Spektren-Kennwerts ZWL der korrekten Materialklasse zugeordnet. Nicht eindeutig konnten die keramischen Polierpartikel sowie PP und PC klassifiziert werden. Um diese Materialien zu klassifizieren, müssen die weiteren Kennwerte HWB und SHWB herangezogen werden.

x Halbwertsbreite HWB und Symmetriewert S_HWB

Spektren mit schmalen (HWB < 30 nm) und gleichzeitig symmetrischen (S_HWB< 1,5) Banden werden der Materialklasse #2 zugeordnet. Spektren, welche ausschließlich breite (HWB > 40 nm) oder zu längeren Wellenlängen langsamer abnehmende Banden aufweisen (S_HWB<1,5), werden in Materialklasse #3 klassifiziert.

In Abbildung 7-11 und Abbildung 7-12 sind die Halbwertsbreiten HWB und Symmetrie-werte S_HWB der untersuchten Materialien dargestellt. Die keramischen Materialien, welche über die ZWL nicht klassifiziert werden konnten, erfüllen die Kriterien zur Zuordnung in Materialklasse #2. Die Spektren dieser Materialien weisen schmale Peaks auf, die symmetrisch sind oder hin zu kürzeren Wellenlängen langsamer abnehmen. PC und PP, welche ebenfalls nicht eindeutig über die ZWL klassifiziert werden konnten, zeigen hingegen breite Banden mit HWB > 50 nm, die zu längeren Wellenlängen langsam anfallen (S_HWB>1,5). Diese werden somit korrekt der Materialklasse #3 zugeordnet.

400 450 500 550 600 650 700 750 800

SiC schwarz SiC grün SiC grau Rubinkorund Normalkorund Halbedelkorund Edelkorund AlZrO2 Keramik #1 Keramik #2 Keramik #3 Keramik #4 Diamant Gusssand Holz Baumwolle Seide Schafwolle Kartonage Haare Mensch PET PP PE-LD PC PA PVC PS PPSU Polyester

zentrale Wellenlänge ZWL

zentrale Wellenlänge #1 zentrale Wellenlänge #2 zentrale Wellenlänge #3 zentrale Wellenlänge #4 [nm]

Grenzbereich

Klasse #3 Klasse #2

Die keramischen und organischen Materialien, welche anhand der Halbwertsbreite und des Symmetriewertes nicht klassifizierbar sind (z. B. SiC und Gussand), wurden bereits über die ZWL der richtigen Materialklasse zugeordnet. Dies ist somit zu vernachlässigen.

Abbildung 7-11: Differenzierung von Partikeln der Materialklasse #2 und #3 anhand der Halbwertsbreiten HWB

Abbildung 7-12: Differenzierung von Partikeln der Materialklasse #2 und #3 anhand der Symmetriewerte S_HWB

Ergebnis: Die Materialien, welche nicht eindeutig über die ZWL klassifiziert wurden, konnten über die Halbwertsbreite und Bandensymmetrie korrekt nachklassifiziert werden.

0 50 100 150 200 250 300

SiC schwarz SiC grün SiC grau Rubinkorund Normalkorund Halbedelkorund Edelkorund AlZrO2 Keramik #1 Keramik #2 Keramik #3 Keramik #4 Diamant Gusssand Holz Baumwolle Seide Schafwolle Kartonage Haare Mensch PET PP PE-LD PC PA PVC PS PPSU Polyester

Halbwertsbreite HWB

Halbwertsbreite #1 Halbwertsbreite #2 Halbwertsbreite #3 Halbwertsbreite #4 [nm]

Grenzwert

Klasse #2 Klasse #3

0 1 2 3 4 5 6

SiC schwarz SiC grün SiC grau Rubinkorund Normalkorund Halbedelkorund Edelkorund AlZrO2 Keramik #1 Keramik #2 Keramik #3 Keramik #4 Diamant Gusssand Holz Baumwolle Seide Schafwolle Kartonage Haare Mensch PET PP PE-LD PC PA PVC PS PPSU Polyester

Banden-Symmetriewert SHWB

Symmetriewert #1 Symmetriewert #2 Symmetriewert #3 Symmetriewert #4

Grenzwert

Klasse #2 Klasse #3

Fazit Klassifizierung der lumineszierenden Materialien: Die Klassifizierung der lumineszierenden Materialien anhand der erarbeiteten Kennwerte zentrale Wellenlänge ZWL, Halbwertsbreite HWB und Symmetriewert S_HWB ist möglich und konnte anhand der untersuchten Materialien nachgewiesen werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Metalle über die absolute Intensität klassifiziert werden können. Ausnahme bildet bei den hier untersuchten Partikeln wiederum das CBN, welches ein zu geringes Lumineszenzsignal erzeugt und so den Metallen zugeordnet wird.

7.4 Bewertung der Partikelklassifizierung mit dem entwickelten Verfahren