Oberflächenmessung

Gestaltabweichungen von technischen Oberflächen

Rauheit und Welligkeit sind zwei Stufen der Gestaltabweichung von technischen Oberflächen.

Ausgehend von einer planen, absolut glatten Fläche, wird in der Technik in sechs Ordnungen der Gestaltabweichung unterschieden. Diese sind:

1. Formveränderungen
2. Welligkeit
3. Rauheit in Rillenform
4. Rauheit in Riefenform
5. Rauheit im Gefüge
6. Aufbau des Kristallgitters

Eine Formveränderung liegt vor, wenn ein Bauteil gestaucht oder gebogen wurde. Die Welligkeit beschreibt periodisch wiederkehrende Vertiefungen bzw. Erhöhungen entlang einer definierten Messstrecke.

Rillenförmige Rauheiten entstehen durch Kratzen, Einpressen oder Ätzen einer Oberfläche. Riefen sind die leichtere Version der Rillen und können bis in den Nanometerbereich hinein gehen. Die letzten beiden Ordnungen sind nur beim Urformen oder initialen Umformen eines Werkstücks beeinflussbar.

Eigenschaften strukturierter Oberflächen

Oberflächen von Festkörpern haben definierte Eigenschaften. Im Wesentlichen sind zwei Parameter für die Bestimmung einer Oberflächengüte entscheidend:

• Rauheit
• Welligkeit

Die Rauheit bestimmt, wie glatt eine Oberfläche ist. Die Aussage „Je glatter desto besser“ ist indes nicht richtig. Es gibt zahlreiche Fälle, in denen ein Werkstück mit einer hohen Oberflächenrauheit ausgestattet sein muss.

Raue Oberflächen haben einen hohen Reibwert und bieten einen guten Haftgrund. Ein hoher Reibwert ist beispielsweise dann erforderlich, wenn das Produkt rutschhemmende Eigenschaften haben soll. Für Messungen im hochpräzisen Bereich sind taktile Messverfahren von Vorteile, die durch hochsensible Taster genaueste Ergebnisse liefern.

Ein typisches Beispiel dafür sind Bodenfliesen in Badezimmern. Diese müssen spürbar rauer strukturiert sein als die Wandfliesen.

Damit wird eine optimale Rutschhemmung beim Betreten mit nassen Füßen gewährleistet. Eine definiert angeraute Oberfläche kann auch für das Aufbringen einer Beschichtung vorteilhaft sein.

Lack, Grundierungen oder Pulverbeschichtungen halten auf leicht rauen Oberflächen besser, als wenn sie spiegelglatt poliert sind. Polierte Oberflächen sind hingegen erforderlich, wenn das Bauteil verchromt werden soll.

Eine möglichst geringe Rauheit ist immer dann gefordert, wenn ein Bauteil gleitend auf einem weiteren Bauteil sitzt. Die Glattheit der Oberfläche gewährleistet, dass der Schmierfilm zwischen den Bauteilen nicht abreißt.

Die Welligkeit ist der Rauheit sehr ähnlich. Wellen können zwar sichtbar, spürbar und auch mit normalen Messmitteln, wie Zentimetermaß nachkontrollierbar sein. Sie können aber auch im Mikrometerbereich liegen.

Ihr wesentlicher Unterschied zur Rauheit liegt in ihrer periodischen Struktur. Ein typisches Wellenmuster entsteht beispielsweise beim Abdrehen eines Bauteils auf einer Drehmaschine oder beim Planfräsen einer Fläche. Eine Reduzierung der Welligkeit trägt zur Verbesserung der Gleiteigenschaften und zur Verminderung einer Geräuschbildung in Wälzlagern bei.

Taktile Messverfahren zur Rauheitsmessung und Welligkeitsmessung

Die taktile Rauheitsmessung ist bis heute das gebräuchlichste Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenrauheit und der Welligkeitsmessung. Bei dieser Prüfmethode fährt ein Messkopf über eine definierte Messstrecke.

An diesem Messkopf ist eine Spitze aus Diamant angebracht. Sie fährt in die Riefen und Rillen hinein. Das Prüfgerät misst die Gangabweichung des Prüfkopfes und ermittelt daraus die Mittellinie der Struktur.

Die durchschnittliche Abweichung von dieser Mittellinie ist schließlich die Kenngröße Ra, welche bei der taktilen Messung der Oberflächenrauheit angegeben wird.

Die Maßeinheit ist der Mikrometer. Taktile Messverfahren werden bevorzugt bei Oberflächenrauheiten ab 0,1 Mikrometer eingesetzt.

Problematisch an der taktilen Rauheitsmessung ist ihre lineare Vorgehensweise. Vor allem beim Welligkeit Messen müssen Sie daher stets gewährleisten, dass die Messstrecke quer zur Wellenfront angefahren wird.

Optische Messverfahren zur Oberflächenrauheit und Welligkeit

Die taktilen Messverfahren werden durch optische Prüfmethoden ergänzt und teilweise schon verdrängt. Für die optische Oberflächenmessung sprechen zahlreiche Vorteile:

• Schnellere Messung der Oberflächenrauheit
• Lineare und flächige (topographische) Verfahren möglich
• Sehr hohe Auflösungen verfügbar
• Berührungsloses Messverfahren

Für die optische Oberflächenmessung stehen unterschiedliche Prüfverfahren zur Auswahl. Alle Verfahren werden stetig weiter entwickelt. Tendenziell sind lineare, konfokale Messverfahren mit Punktsensoren zur Ermittlung von definierten Rauheiten von Oberflächen vorteilhaft.

Sie sind sehr schnell und können nützliche Zusatzfunktionen, wie beispielsweise Rundheitsmessungen, anbieten. Er ist auch für die 3D Oberflächenmessung verwendbar, ist in diesem Ansatz aber recht langsam.

Außerdem haben die linearen, optischen Messmethoden bei der Prüfung auf Welligkeit das gleiche Problem wie die taktilen Verfahren.

Sie müssen im Vorfeld prüfen, ob die Messstrecke quer oder parallel zur Wellenfront verläuft. Ein valides Ergebnis bekommen Sie beim Welligkeit Messen nur bei einer Quermessung.

Für eine 3D Oberflächenmessung hat sich das Weißlicht Mikroskop bzw. Weißlicht Interferometer etabliert. Es bestrahlt eine definierte Oberfläche und kann binnen weniger Sekunden ein hochpräzises, topographisch korrektes Abbild erstellen.

Neben der Ausgabe von präzisen Messwerten wird bei der 3D Oberflächenmessung die Struktur farblich markiert. Die Frage der Richtung einer Messstrecke stellt sich bei der 3D Messung nicht.

Die Oberfläche wird immer als Ganzes betrachtet und entsprechend ausgewertet. Die nicht-lineare Erfassung hat vor allem beim Welligkeit Messen Vorteile. Die Gefahr, eine Probe aus der falschen Richtung heraus zu betrachten, wird ausgeschlossen.

Schließlich schließt die optische Oberflächenmessung auf Rauheit oder Welligkeit aus, dass das Messverfahren selbst einen Einfluss auf diese Parameter nimmt.

Statt eines „kratzenden“ Diamantkopfes wird die Oberfläche nur mit einem Laserstrahl oder mit Weißlicht bestrahlt. Auf die Struktur der Oberfläche nehmen beide Verfahren praktisch keinen Einfluss.

Prognose der Entwicklung der Oberflächenmessung

Insgesamt kann man feststellen, dass die optischen Prüfverfahren mit großen Schritten voranschreiten.

Sie werden schneller, präziser, komfortabler und können immer größere Messbereiche erfassen. Das lässt vermuten, dass die Zukunft der Oberflächenmessung den optischen Verfahren gehört.

Die Vorteile liegen klar auf der Hand: Detaillierte Erfassung und Auswertung einer Oberflächenrauheit macht auch bei Großserien eine 100 % Kontrolle aller Bauteile möglich, sofern die Oberflächenmessung in kurzer Zeit durchführbar ist.

Die allgemeine Entwicklung der Computertechnik gibt für die optische Oberflächenmessung genau dies aber her: Fortlaufende Kontrolle aller Produkte durch eine automatisierte 3D Oberflächenmessung zum Welligkeit Messen und zur Prüfung auf Oberflächenrauheit ist genau das, was die Industrie braucht.

Abweichungen können bei dieser Oberflächenmessung problemlos erkannt und Fehlteile ausgesondert werden. Vor allem bei preisgünstigen aber hoch belasteten Teilen, wie beispielsweise Wälzlagern, gewährleistet eine nachhaltige Oberflächenmessung die erforderliche Produktqualität.