Ebenheitsmessung
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Daniel Wilhelm
Ihr 3D-Messtechnik Spezialist für taktile Messtechnik.
Ebenheitsmessung
Ebenheit zur Gewährleistung von Bauteilqualität und Güte von Vormaterial
Die Ebenheit ist ein wichtiger Parameter in der Toleranzmessung. Sie wird auf plane oder lineare Oberflächen angewendet.
Die Ebenheit – oder Planarität – lässt sich über optische und taktile Verfahren feststellen. Die Auswahl der Verfahren hängt vom jeweiligen Einsatzzweck und der Messgröße ab.
Definition Ebenheit
Die Ebenheit bzw. Planarität bezeichnet die Struktur einer Oberfläche, die sich zwischen zwei idealen planaren Flächen befindet. Der Abstand der beiden planaren Flächen definiert die Toleranz.
Es ist davon auszugehen, dass es so etwas wie eine super-planare Oberfläche in der Realität praktisch nicht gibt. Bestenfalls Oberflächen aus beruhigtem Quecksilber kommen einer ideal planen Ebene nahe.
Deren Einsatzzweck ist jedoch auf die Herstellung von preiswerten, aber rein vertikal ausgerichteten Teleskopen begrenzt. Sobald von Festkörpern die Rede ist, muss einer Ebenheitsmessung immer ein entsprechender Toleranzwert zugrunde liegen.
Nutzen der Ebenheitsmessung
Die Herstellung einer Ebene innerhalb einer definierten Toleranz ist für viele technischen Anwendungen unverzichtbar. Eine maximal plane Oberfläche bietet folgende Vorteile:
- optimale Passung
- minimale Reibung
- definierte Reflexion
- Vermeidung von Rissbildung
- begünstigtes Überströmverhalten
Bei der Planaritätskontrolle ist es unerheblich, wie groß oder wie klein ein Bauteil ist.
Die Ebenheitsmessung kommt ebenso bei Wafern von Mikrochips bis zur Vermessung von planierten Grundstücken sowie bei der Nivellierung von asphaltierten oder betonierten Großflächen zum Einsatz. Die Verfahren sind sich dabei teilweise sehr ähnlich.
Störgröße einer Ebene
Eine Fläche ist dann eben, wenn sie über ihre gesamte Länge und breite keine Strukturen in ihrer Oberfläche aufweist. Diese Strukturen können folgendermaßen aussehen:
Berge und Täler sind radiale, lang gezogene Unterbrechungen der Ideallinie von Länge oder Breite. Berge überschreiten diese Ideallinie, Täler unterschreiten sie.
Risse sind abrupte Unterbrechungen mit unbestimmter Tiefe in das Grundmaterial, ohne dabei gleichzeitig Falten oder Berge aufzuwerfen. Falten sind lineare Aufwerfungen. Schalen sind Risse, die das Obermaterial an bestimmten Punkten ablösbar machen.
Riefen und Kratzer sind mechanische Beschädigungen der Oberfläche durch andere Gegenstände. Ihr Unterschied zu Rissen sind die definierten Tiefen und Unterschiede im Querprofil.
Riefen und Kratzer heben Material heraus und können entlang der Linie Stauchungen im Grundmaterial verursachen. Wellen sind Wechsel von Bergen und Tälern.
Die Rauheit ist die periodisch wiederkehrende mikrofeine Formabweichung entlang der Wellenlinie. Beulen sind kuppelförmige, konvexe Unterbrechungen entlang der Ebene. Poren haben dagegen meist eine konkave Struktur.
Verfahren zur Ebenheitsmessung
Für die Messung einer Ebene auf Planarität stehen grundsätzlich optische oder taktile Verfahren zur Auswahl.
Optische Verfahren sind beispielsweise diese Ansätze:
- Konfokalmikroskopie
- Weißlicht-Interferometrie
- Laserscanning
- Laser-Punkt-Messverfahren
Für die taktile Messung stehen folgende Verfahren zur Auswahl
- Tastschrittverfahren
- 3-D-Koordinatenmessverfahren
Die Konfokalmikroskopie und die Weißlicht-Interferometrie verwendet das Streuverhalten von reflektiertem Licht zur Bestimmung einer Oberflächenstruktur. Beide Verfahren eignen sich für besonders kleine Messflächen.
Sie kommen deshalb vorwiegend in der Mikroelektronik und anderen Bereichen mit ähnlich kleinen Messbereichen zum Einsatz. Außerdem spielen sie eine große Rolle in der Werkstoffprüfung, beispielsweise bei der Begutachtung von Schweißnähten.
Beim Laserscanning wird eine Oberfläche kontinuierlich abgefahren. Die Reflexionen werden über einen Sensor aufgezeichnet.
Daraus errechnet ein Computer ein Abbild der gescannten Oberfläche. Das Laserscanning ist ideal dazu geeignet, die Oberflächenplanheit von Vormaterial. Es wird bei der Herstellung von Profilen (Schienen, Rohre, Fensterprofile) und Bandmaterial (Papier, Blechcoils) standardmäßig verwendet.
Das Laser-Punkt-Messverfahren ist ideal zur Vermessung ortsfester oder großer Ebenen. Es ist bei der Nivellierung von planierten, asphaltierten oder betonierten Außenflächen das übliche Verfahren.
Hierbei wird die Ebene von einem Referenzpunkt ausgehend über ein beliebig engmaschiges Raster kontrolliert. Im Maschinenbau wird das Laser-Punkt-Messverfahren zur Nivellierung und Kontrolle von Maschinenbetten an großen Fräsmaschinen in Verwendung.
Damit wird gewährleistet, dass ein eingespanntes Bauteil eben aufliegt und es keine unerwünschten Abweichungen während der Bearbeitung gibt.
Das Tastschrittverfahren führt die Ebenheitsmessung mithilfe eines aufliegenden Messkopfes durch. Diese taktile Messung eignet sich besonders gut für sehr kleine Messstrecken, bei der es auf maximale Präzision ankommt.
Grundsätzlich gilt bis heute die Annahme, dass die taktile Messung und Nivellierung über Berührungsverfahren den optischen Prüfsystemen überlegen ist. Das zeigt sich besonders beim Tastschrittverfahren.
Die Kontrolle einer Nivellierung durch 3-D-Koordinatenmessverfahren sind dem Laser-Punkt-Messverfahren sehr ähnlich.
Der Unterschied besteht darin, dass diese Ebenheitsmessung die Berührung der Oberfläche mit einem Messkopf erforderlich macht. Die taktile Messung im 2D oder 3D Koordinatensystem kann ebenfalls beliebig engmaschig betrieben werden.
Ergebnisse der Ebenheitsmessung
Das Ziel einer Ebenheitsmessung ist stets die grundsätzliche Möglichkeit, und den Aufwand für die Nivellierung einer Oberfläche zu ermitteln.
Eine Nivellierung durch Abtrag von Material ist stets einfacher als das Auffüllen. Das gilt vor allem für Festwerkstoffe wie Metalle.
Diese einseitige Ausrichtung der Möglichkeiten einer Nachbearbeitung macht das hochpräzise Kontrollieren einer Planarität besonders plausibel.
