Optische Oberflächenmessung
Die optischen Oberflächenmessung dient der hochgenauen dreidimensional Erfassung und Bewertung der Oberflächenmikrostrukturen. Dabei werden Rauheit, Welligkeit und Ebenheitsab präzise erfasst. Eine präzise Messung dieser Merkmale ist entscheidend für die Funktion von Bauteilen. Zu diesem Zweck werden Flächenkenngrößen (3D) gemäß ISO 25178 und Linienkenngrößen (2D) gemäß ISO 21920 zur quantitativen Bewertung ermittelt. Die Genauigkeit der optischen Oberflächenmessung ist deutlich höher als die von taktilen Messungen mit einer Tastspitze. Zudem können empfindliche Materialien wie Kunststoffe berührungslos gemessen werden.
Als Steinbeis-Transferzentrum bieten wir die optische Oberflächenmessung von Bauteilen als Dienstleistung an.
- Rauheit: Die Rauheit beschreibt die Unebenheiten auf einer Oberfläche. Sie wird oft in Mikrometern gemessen und gibt Auskunft über die Feinheit oder Grobheit einer Oberfläche.
- Welligkeit: Die Welligkeit einer Oberfläche beschreibt die Unebenheiten zwischen Rauheit und Formabweichung. Sie ist ein wichtiges Merkmal für die Dichtfunktion und die Größe der tatsächlichen Kontaktpressung, die den Verschleiß und die Reibeigenschaften bestimmt.
- Formabweichungen: Dies bezieht sich auf Abweichungen der tatsächlichen Form einer Oberfläche von der idealen geometrischen Form. Diese Abweichungen können beispielsweise durch Krümmungen oder Unregelmäßigkeiten verursacht werden.
Die optische Oberflächenmessung ist ein berührungsloses Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung von Oberflächenstrukturen. Dabei wird die Oberfläche mithilfe eines feinen Lichtstrahls punkt- oder zeilenweise abgetastet. Aus den erfassten Messdaten wird ein dreidimensionales Höhenprofil beziehungsweise ein Flächenmodell der Oberfläche erzeugt.
Auf Grundlage dieser Messdaten können sowohl Linien- als auch Flächenkenngrößen zur quantitativen Beschreibung von Rauheit, Welligkeit und Ebenheit bestimmt werden. Die ermittelten Oberflächenkenngrößen ermöglichen eine genaue Charakterisierung der Oberflächenmikrostruktur und dienen zur Bewertung funktionaler Eigenschaften technischer Oberflächen.
Im Gegensatz zur taktilen Messung mit einer Tastspitze, die einen Radius und einen Öffnungswinkel aufweist, können optische Messmethoden Vertiefungen und Erhabenheiten der Oberflächenmikrostruktur sehr präzise erfassen.
Ein weiterer Vorteil optischer Messverfahren ist ihre berührungslose Arbeitsweise. Da kein Taster mit der Oberfläche in Kontakt kommt, bleibt diese unverändert und wird nicht durch den Messvorgang beeinflusst. Dadurch eignen sich optische Verfahren besonders für weiche oder empfindliche Werkstoffe wie Kunststoffe, Elastomere, Beschichtungen oder Aluminium. Im Gegensatz dazu kann eine taktile Messung mit einer Diamanttastspitze die Oberfläche durch Eindringen oder leichtes Anritzen verändern und so das Messergebnis verfälschen.
Tastspur durch Diamanttastspitze
- Konfokalmikroskop
- Konfokales Laser Scanning Mikroskop
- Versch. Weißlichtinterferometer (WLI)
Ergebnisse für Optische Oberflächenmessung
Die 3D-Flächen-Rauheit sind die Unregelmäßigkeiten einer Oberfläche, die durch flächenhafte optische Messungen ermittelt werden. Als Messgeräte werden z.B. konfokale Mikroskope und Weißlichtinterferometer eingesetzt, bei denen ein feiner Lichtstrahl die Oberfläche berührungslos abtastet. Aus diesen Messungen werden die kurzwelligen Anteile als Flächenrauheit herausgefiltert und anschließend die 3D-Kennwerte zur Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften berechnet. Durch die dreidimensionale und damit vollständige Erfassung der Oberflächenstrukturen können auch spezielle Merkmale wie Poren, Partikel, Riefen etc. durch spezielle Auswertungen bewertet werden.
Bedeutung der Rauheit:
Die Flächen-Rauheit 3D und die daraus berechneten Rauheitskennwerte dienen dazu das funktionale Verhalten einer Oberfläche bzgl. Reibung, Verschleiß, Dichtheit, Einlaufverhalten und Tragfähigkeit vollständig zu charakterisieren.
Die 3D-Flächen-Welligkeit sind die Unregelmäßigkeiten einer Oberfläche, die durch flächenhafte optische Messungen ermittelt werden. Als Messgeräte werden z.B. konfokale Mikroskope und Weißlichtinterferometer eingesetzt, bei denen ein feiner Lichtstrahl die Oberfläche berührungslos abtastet. Aus diesen Messungen werden die langwelligen Anteile als Flächenwelligkeit herausgefiltert und anschließend die 3D-Kennwerte zur Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften berechnet. Durch die dreidimensionale und damit vollständige Erfassung der Oberflächenstrukturen können auch spezielle Merkmale wie Poren, Partikel, Riefen etc. durch spezielle Auswertungen bewertet werden.
Bedeutung der Welligkeit
Die Charakterisierung der Welligkeit ist wichtig, da sie Auswirkungen auf die Leistung und Qualität von Bauteilen in verschiedenen Anwendungen haben kann. Beispielsweise ist die Welligkeit einer Oberflächen entscheidend für die Höhe der lokalen Kontaktpressung. Somit hat die Welligkeit einen großen Einfluss auf das Tragfähigkeit sowie auf das Einlaufverhalten und somit auf Reibung und Verschleiß. Des Weiteren bestimmt diese neben der Rauheit die Dichtfunktion bei dichtenden Tribosystemen.
Messgeräte im STZ
- Konfokalmikroskop
- Konfokales Laser Scanning Mikroskop
- Weißlichtinterferometer (WLI)
- Optisches Ebenheitsmessgerät
Mit der Strukturanalyse werden die geometrischen Merkmale (Motive) einer Oberfläche bewertet, die nicht mit den Oberflächenkennwerten beschreibbar sind. Dies sind zum Beispiel Partikel, Poren, Riefen, Schlagstellen und Texturen. Mit der Oberflächenstrukturanalyse können diese Merkmale (Motive) hinsichtlich Größe, Tiefe, Fläche, Volumen, Orientierung, Gleichmäßigkeit uvm. statistisch ausgewertet werden.
Die Strukturanalyse wird beispielsweise für die Bewertung von Poren und Fehlstellen an der Oberfläche eingesetzt, die zu Undichtigkeiten von Durchflächen führen können. Eine weitere Möglichkeit sind die Bewertung von Furchen bzw. Riefen deren Größe und Orientierung entscheidende Merkmale für den Schmierfilmaufbau von Tribosystemen sind.
Das Rückhaltevolumen bzw. Talvolumen der Riefen einer Oberfläche dient als Reservoir für den Schmierstoff bei Tribosystemen und wird oft als Schmiertaschen bezeichnet. Das Rückhaltevolumen lässt sich entweder über Oberflächenparameter 2D/3D aus den ISO Normen oder durch Strukturanalyse charakterisieren.
Bei Oberflächen, die lackiert oder in geschmierten Lagern eingesetzt werden, spielt das Schmierstoff-Rückhaltevolumen eine wichtige Rolle. Ist dieses nicht passend kann dies zu einer mangelhaften Lackierung oder zum Funktionsversagen von Tribosystemen führen. Dafür gibt es spezielle Kennwerte, die das (Öl)rückhaltevolumen einer Oberfläche beschreiben. Durch entsprechende Art und Größe der Schmiertaschen soll eine ausreichende Schmierstoffversorgung im Schmierspalt gewährleistet werden, so dass immer ein Schmierfilm zur Oberflächentrennung vorhanden ist.
Die reale Oberfläche bzw. abgewickelte Oberfläche ist die vergrößerte Oberfläche, welche durch Erhöhungen und Vertiefungen entsteht. Diese wird über das Grenzflächenverhältnis berechnet, welches ein Maß für die Komplexität der Oberfläche darstellt.
Die Komplexität der realen Oberfläche beeinflusst deren Benetzbarkeit und deren Größe spielt z.B. bei Klebeverbindungen eine wichtige Rolle.
Oberflächenspitzen sind die lokal höchsten Erhebungen einer technischen Oberfläche. Bei Kontakt zweier Bauteile stellen sie die ersten tatsächlichen Berührungspunkte dar. Ihre Eigenschaften werden heute häufig mithilfe einer dreidimensionalen optischen Oberflächenmessung erfasst. Dabei erfolgt eine detaillierte Auswertung der Anzahl der Oberflächenspitzen, des durchschnittlichen Spitzenradius und der Steilheit der Rauheitserhebungen. Mithilfe dieser Parameter kann das Kontaktverhalten zwischen Oberflächen realitätsnah beschrieben werden.
Die Anzahl der Oberflächenspitzen hat maßgeblichen Einfluss auf das Einlaufverhalten, den Reibwert und den Verschleiß von Bauteilen. Dies ist besonders relevant bei Kunststoffoberflächen sowie bei Oberflächen, die mit Elastomer-Dichtungen in Kontakt stehen. In diesen Anwendungen entscheidet die Ausprägung der Oberflächenspitzen darüber, ob eine definierte Dichtwirkung erzielt wird oder ob es zu erhöhtem Verschleiß, Leckage oder unerwünschter Reibung kommt. Daher ist die zulässige Anzahl und Art der Oberflächenspitzen häufig eine wichtige funktionale Angabe in technischen Zeichnungen.
Die Analyse von Riefen(Furchen) einer Oberfläche dient dazu deren Ausprägung, wie sie durch den Fertigungsprozess entstehen, präzise zu bestimmen und auszuwerten. Dazu werden hochauflösende optische Oberflächenmessungen durchgeführt und anschließend die Furchen (Riefen) bzgl. Richtung, Länge, Tiefe, Breite, Fläche und Dichte statistisch ausgewertet.
Furchen bzw. Riefen bestimmen in Form von Größe und Richtung das Dichtverhalten von tribologischen Systemen und bei geschmierten Systemen den Einfluss der Oberflächenstruktur auf den Schmierfilmaufbau. Bei Gleitlagern ist eine Hauptriefenrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung vorteilhaft zum Schmierfilmaufbau.
Die Ebenheit bzw. Ebenheitsabweichung ist ein Maß für die Form einer Oberfläche. Sie gibt an, ob alle Punkte entlang dieser Oberfläche in derselben Ebene liegen. In der Auswertung von Form-Lage-Toleranzen wird die Ebenheit durch ein Parallelogramm symbolisiert. Die Toleranz für die Ebenheit stellt sicher, dass sich eine bestimmte Oberfläche innerhalb zweier imaginärer, perfekter und paralleler Ebenen befindet.
Warum ist Ebenheit wichtig?
Die Ebenheit ist entscheidend, wenn Teile zusammengefügt werden müssen, um eine dichte Verbindung herzustellen. Sie beeinflusst die Funktionalität und Leistung von Bauteilen, insbesondere in bewegten Tribosystemen, elektrischen Leiterplatten und Kamerachips.
Ebenheit prüfen
Klassischerweise wird die Ebenheit einer Oberfläche taktil mit einer 3D-Koordinatenmessmaschine gemessen. Dabei wird die Oberfläche im Einzelpunktbetrieb mit einem Messtaster taktil angetastet und daraus die Ebenheitsabweichung berechnet.
Bei höheren Genauigkeitsanforderungen an die Messung der Ebenheitsabweichung erfolgt die Vermessung der Oberfläche optisch. Dies ist sowohl mit konfokalen Mikroskopen als auch mit Weißlichtinterferometern möglich. Mit einem Weißlichtinterferometer lassen sich auch relativ große Einzelmessfelder realisieren und damit Genauigkeiten von bis zu 0,1 µm absolut über das gesamte Messfeld erreichen.
Laborausstattung
- 3D-Koordinatenmessmaschine
- Konfokalmikroskop
- Weißlichtinterferometer
- Optisches Ebenheitsmessgerät (WLI)
Die 2D-Linien-Rauheit sind die Unregelmäßigkeiten einer Oberfläche, die durch linienhafte Messungen ermittelt werden. Zur Bestimmung wird eine taktile oder optische Messung durchgeführt und anschließend die kurzwelligen Anteile in Form des Rauheitsprofils herausgefiltert. Aus diesem werden die Rauheitswerte nach der neuen Norm ISO 21920 berechnet.
Neben den bekannten Rauheitswerten
- maximale Höhe der Rauheit Rz,
- arithmetischer Mittelwert Rauheit Ra,
- Gesamthöhe der Rauheit Rt und
- Relativer Materialanteil (Traganteil) Rmr
stellen die Normen eine umfangreiche Auswahl an Kennwerten zur Verfügung. Damit lassen sich präzise die funktionsbestimmenden Merkmale einer Oberfläche durch quantitative Größen beschreiben. Gerne beraten wir Sie diesbezüglich.
Die 2D-Linien-Welligkeit sind die periodischen Unregelmäßigkeiten der Struktur einer Oberfläche, die durch linienhafte Messungen ermittelt werden. Anders als die Rauheit, die sich auf zufällige Unregelmäßigkeiten konzentriert, bezieht sich die Welligkeit auf systematische Schwankungen im Profil einer Oberfläche. Zur Bestimmung wird eine taktile oder optische Messung durchgeführt und anschließend die langwelligen Anteile in Form des Welligkeitsprofils herausgefiltert. Aus diesem werden die normkonformen Kenngrößen für die Welligkeit nach der neuen ISO 21920 berechnet.
Bedeutung der Willigkeit:
Die Charakterisierung der Welligkeit ist wichtig, da sie die Leistung und Qualität von Bauteilen in verschiedenen Anwendungen beeinflussen kann. Zum Beispiel ist die Welligkeit einer Oberfläche entscheidend für die Höhe der lokalen Kontaktpressung und die Dichtigkeit. Somit hat die Welligkeit einen großen Einfluss auf die Tragfähigkeit, die Reibung und den Verschleiß sowie auf die Dichtfunktion.
Der relative Materialanteil Rmr (ISO 21920-2:2021) charakterisiert den Traganteil einer Oberfläche und zeigt, welcher Anteil einer Oberfläche bei einer definierten Schnitthöhe tatsächlich aus Material besteht. Gerade bei Dichtungen, Gleitlagern oder Führungen ist die klassische Rauheitsangabe nicht aussagekräftig genug. Entscheidend ist nicht nur die Höhe der Rauheitsspitzen, sondern auch die tragende Fläche. Der Kennwert Rmr ermöglicht eine deutlich präzisere Beurteilung von Oberflächen und ist von zentraler Bedeutung für die Dichtheit, Schmierfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Lebensdauer von Bauteilen.
Der relative Materialanteil der Rauheit Rmr (p, dc) ist nach der neuen ISO 21920-2:2021 der summierte Anteil der im Material verlaufenden Strecke relativ zur Auswertelänge le. Dieser verläuft in einer Schnitthöhe dc zum Bezugsniveau cp , also wird dieser wie folgt berechnet.
Relativer Materialanteil Rmr nach ISO 21920-2:2021
Die nachstehende Zeichnungsangabe fordert für die Oberflächenbeschaffenheit einen relativen Materialanteil im Bereich von 50–80% in einer Schnitthöhe von dc = -0,5 µm mit einem Bezugsmaterialanteil von p = 5%. Für die Schnitthöhe ist ein fester Wert zu wählen. In der Praxis findet man oftmals die Angabe der Schnitthöhe relativ zur maximalen Rauheitshöhe Rz, d. h. eine relative Schnitthöhe von dc = Rz/4. Diese Angabe beruht jedoch auf einer weit verbreiteten Fehlinterpretation und führt zu kuriosen Ergebnissen. Wir erläutern dies gerne in unserem Seminar „Rauheit und Rauheitsmessung”.
Oberflächensymbol für relativen Materialanteil
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