Oberflächenanalyse
Die Oberflächenanalyse dient dazu die Eigenschaften von Oberflächen und in der der oberflächennahen Randzone eines Bauteils zu bestimmen.
Analysen
- Rauheit 2D/3D
- Welligkeit 2D/3D
- Ebenheit
- Parallelität
- Farbe
- Glanzgrad
- Oberflächenspannung
- Oberflächenenergie
- Reibwert
- Verschleiß
- Oberflächenleitfähigkeit
- Oberflächenwiderstand
- Oberflächenadhäsion
- Elastizitätsmodul
- Geometrie
- Form- und Lage
Zur Analyse von Oberflächen stehen im Steinbeis-Transferzentrum die nachstehenden Verfahren zur Verfügung.
LICHTMIKROSKOPIE
Die lichtoptischen Analysen von Oberflächen von Bauteilen erfolgen einem Stereomikroskop, einem Auflichtmikroskop oder einem Digitalmikroskop. Alle diese Mikroskope ermöglichen hochwertige Bildaufnahmen der Objektoberfläche und die Bestimmung von geometrischen Merkmalen wie Länge, Winkel, Radien und Flächen.
OBERFLÄCHEN- UND RAUHEITSMESSUNG 2D/3D
Die Messung von Oberflächen zur Bestimmung von Rauheit, Welligkeit, Ebenheit und Parallelität erfolgt idealerweise durch optische Messgeräte. Bei diesen tastet ein feiner Lichtstrahl die Objektoberfläche ab, wodurch die flächenhaft vermessen und die Strukturen dreidimensional erfasst werden. Muss die Oberflächentopographie besonders hochauflösend erfasst werden, dann erfolgt die Oberflächenmessung mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM), welches mit einer sehr feinen Messnadel (Cantilever) die Oberfläche zeilenweise abrastert.
FARB- UND GLANZMESSUNG
Bei der Farbmessung geht es daher um den Vergleich zwischen der gemessenen und der durch das menschliche Auge wahrgenommenen Farbe. Der L*a*b*-Farbraum beschreibt alle wahrnehmbaren Farben und nutzt einen 3D-Farbraum bei dem der Helligkeitswert L* senkrecht auf der Farbebene (a*, b*) steht. Der L*C*h-Farbraum beschreibt Farbe über ein zylindrisches Koordinatensystem mit der Helligkeit L*, der relativen Farbsättigung C* und dem Farbtonwinkel h°. Die Farbsättigung und der Farbtonwinkel werden aus den a* und b* Koordinaten des L*a*b* Farbraums berechnet.
Die Glanzmessung wird zur Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit von Überzügen und anderen Oberflächen herangezogen. Dazu wird mit einem Reflektometer das reflektierende Licht unter einem bestimmten Winkel gemessen. Beim reflektierten Licht ist auch ein Anteil an diffus zerstreutem Licht dabei. Für eine exakte Glanzmessungen ist deswegen eine zweite Messung notwendig, die auch das zerstreute Licht mitbestimmt. Der Anteil an zerstreutem Licht kann anschließend herausgerechnet werden. Das absolute Maß für den Glanz ist das Verhältnis des von der OF reflektiertem Lichts zum ausfallenden Licht. Angegeben wird der Glanzgrad in Glanzeinheiten (GE) oder Gloss Units (GU).
OBERFLÄCHENSPANNUNG MESSEN
Um die Oberflächenspannung bzw. Oberflächenenergie von Festkörpern zu messen, wird ein Tropfen auf eine Oberfläche gebracht und anschließend der sich ergebende Kontaktwinkel gemessen. Deshalb wird diese Methode als Kontaktwinkelmessung bezeichnet. Um Informationen über die Ursächlichkeit für die Oberflächenspannung zu erhalten, werden die Kontaktwinkel von auf die Oberfläche aufgebrachter Tropfen mit drei Testflüssigkeiten bestimmt. Hieraus werden die unpolaren dispersen (physikalische) und dispersen (chemische) Anteile berechnet.
Die Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten erfolgt überwiegend nach der Wilhelmy-Plättchen-Methode mit einem Tensiometer. Dazu wird ein angerautes Platin-Iridium-Plättchen als Probenkörper in die Flüssigkeit abgesenkt und anschließend mit konstanter Geschwindigkeit hochgezogen. Währenddessen erfasst ein sehr empfindlicher Sensor die Kraft und aus dem Maximalwert bei der die Flüssigkeit noch nicht abreißt (Abreißmethode) wird schließlich die Oberflächenspannung der Flüssigkeit berechnet.
RASTER-ELEKTRONEN-MIKROSKOPIE (REM, EDX)
Mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) werden hochauflösende Bildaufnahmen der Oberflächentopographie mit großer Vergrößerung angefertigt. Dabei rastert ein fein gebündelter Elektronenstrahl die Oberfläche präzise Zeile für Zeile ab. Die hierbei stattfindende Wechselwirkung mit dem Objekt wird zur Erzeugung von Aufnahmen der Oberflächentopographie (SE) sowie für Materialkontrastbilder (BSE) genutzt.
Mit der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) am REM werden Materialanalysen durchgeführt indem die chemischen Elemente bestimmt werden. Diese Methode beruht darauf, dass jedes chemische Element eine charakteristische Röntgenstrahlung aussendet, wenn es durch den Elektronenstrahl des REMs angeregt wird.
REIBWERTMESSUNG
Der Reibwert bzw. Reibungskoeffizient eines Tribosystems wird mit einem Tribometer bestimmt. Hierbei wird ein Prüfkörper geeigneter Geometrie mit einer definierten Normalkraft über einen Grundkörper bewegt und dabei die Reibkraft gemessen. Aus dem Verhältnis der Reibkraft zur Normalkraft wird der Reibwert µ berechnet.
RASTERKRAFTMIKROSKOPIE (AFM)
Durch die Rasterkraftmikroskopie (AFM) wird die Topographie einer Bauteiloberfläche mit der höchsten Auflösung aller mikroskopischen Techniken vermessen. Hierzu tastet eine an einer Blattfeder (Cantilever) befindliche Messnadel die Oberfläche Zeile für Zeile ab.
Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) können durch die sehr hohen Ortsauflösung selbst geringste lokale Unterschiede bzgl. der Oberflächenleitfähigkeit bzw. Oberflächenwiderstand bestimmt werden. Mit der leitfähigen Rasterkraftmikroskopie (C-AFM: Conductive AFM) wird die Topographie eines Materials und der elektrische Stromfluss am Kontaktpunkt der Spitze (Cantilever) gemessen.
Die Messung der Oberflächenadhäsion wird mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) durchgeführt indem sogenannte Kraft-Abstandskurven (Force-Distance-Curve) aufgenommen werden (Kraftspektroskopie). Damit können durch die sehr hohen Ortsauflösung lokale Unterschiede bestimmt werden. Durch die Kraftspektroskopie wird gleichzeitig der lokale Elastizitätsmodul des Materials sehr präzise bestimmt.
KONTUR-, FORM-, LAGEMESSUNG
Die Bestimmung von geometrischen Eigenschaften von Bauteile, wie z.B. Längen, Winkel, Konturen sowie Form- und Lageabweichungen, führen wir mit taktilen und optischen Messgeräten durch.
Mit der Lichtmikroskopie wird Oberfläche bildgebend lichtoptisch untersucht. Hierzu gibt es vielfältige Anwendungsfälle, wie z.B. Verschleißanalyse, Schadensanalyse, Partikelanalyse, Phasenanalyse, metallographische Untersuchungen.
Die Oberflächenmessung 2D/3D dient dazu Oberflächen hinsichtlich Rauheit, Welligkeit, Ebenheit und Parallelität zu vermessen. Aus diesen Messungen werden die linienhaften und flächenhaften Kennwerte gemäß den internationalen ISO-Normen bestimmt und so Oberflächenmerkmale quantitativ beschrieben.
Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Festkörpern spielen eine wichtige Rolle beim Beschichten, Kleben, Lackieren und für die Schmierung in Lagern.
Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) dient zur hochauflösende Mikrostrukturanalyse an Oberflächen und Bruchflächen mit großer Vergrößerung. Dabei wird mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) am REM auch die chemische Zusammensetzung eines Werkstoffs bestimmt.
Die Reibwertmessung und die Verschleißprüfung dienen dazu das Reibungs- und Verschleißverhalten von Bauteilen zu bestimmen. Dies kann nur anhand von Messungen und Versuchen erfolgen, weil Reibung und Verschleiß von vielen Faktoren abhängen und keine reinen Werkstoffeigenschaften sind. Wir bestimmen auch Reibwerte von Folien und Bahnen sowie der Abriebfestigkeit von Materialien.
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) dient dazu die Mikrostruktur einer Oberfläche und mechanische Materialunterschiede auf der Nanometerskala zu bestimmen. Das Rasterkraftmikroskop (AFM) hat die höchste Auflösung aller mikroskopischen Techniken.
Mit der Kontur-, Form- und Lagemessung werden Bauteile bzgl. Form, Kontur und Geometrie vermessen.