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Taktil versus optisch

4. Mai 2022, 8:50 Uhr | Ellen-Christine Reiff, Dr. Özgür Tan und Jan Zepp
Taktil versus optisch
Darstellung der ableitbaren Kenngrößen aus der Materialanteilkurve (rechts).
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Informationen über die Ebenheit oder Rauheit einer Oberfläche sind eine wichtige Grundlage für Optimierungen. Ermitteln lassen sie sich über taktile 2D- oder optische 3D-Messung – ein Überblick.

Oberflächeneigenschaften können nicht nur Haptik und Ästhetik, sondern auch das mechanische, elektrische oder chemische Verhalten von Produkten beeinflussen. Daher bilden Informationen über Ebenheit oder Rauheit eine wichtige Grundlage für Optimierungen. Mit ihrer Hilfe lassen sich zum Beispiel die Reibung erhöhen oder vermindern, der Verschleiß minimieren, die Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen steigern oder die Übertragungsfähigkeit verbessern. Da die Oberfläche Ergebnis eines oft mehrstufigen Herstellungsprozesses ist, kann nur ein sorgsam abgestimmter und qualitätsüberwachter Fertigungsprozess zum gewünschten Ergebnis führen. Optische Messverfahren als berührungslose und zerstörungsfreie Analyse- und Prüfmethode erschließen hier interessante Möglichkeiten, da sie für nahezu alle Materialien einsetzbar sind und sich auch für empfindliche Oberflächen eignen.

Taktil versus optisch
Eine taktile Höhenmessung hat 70 nm tiefe Kratzer in der Oberfläche hinterlassen, die in derselben Größenordnung liegen wie die zu messende Stufe.
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Traditionell werden für Oberflächenmessungen meist noch taktile Messgeräte eingesetzt. Besonders verbreitet ist das Tastschnittverfahren, bei dem eine feine Diamant-Tastspitze über die Oberfläche geführt und durch die Oberflächentextur vertikal ausgelenkt wird. Die Information über die Oberfläche wird so zweidimensional entlang eines Profils gewonnen. Das Verfahren wird in DIN EN ISO 3274 ausführlich beschrieben und hat sich in der Praxis durchaus bewährt. Inwieweit die Reduzierung der Oberfläche auf einen Profilschnitt ausreichende Ergebnisse liefert, hängt aber von den Anforderungen ab, da das Ergebnis für den Rauheitskennwert stark von der gewählten Messposition beeinflusst wird. In der Regel genügt deshalb die Beschreibung der Oberflächenbeschaffenheit als Profilschnitt nicht für Aussagen über die Funktionalität der gesamten Oberfläche oder für eine Optimierung der Fertigung. Anders ist dies bei der dreidimensionalen optischen Messung, da sie über die gesamte Oberfläche detektieren kann. Bei diesem berührungslosen Verfahren sind zudem Beschädigungen der Oberfläche ausgeschlossen.

Die Wahl der Grenzwellenlänge

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Bei Oberflächen mit zufällig verteilten Strukturen ist der Messwert bei profilhafter Rauheitsmessung abhängig von der Messposition. Flächenhafte Rauheitskennwerte liefern stabilere und zuverlässigere Ergebnisse.
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Rauheit, Form und Welligkeit sind bei der Oberflächenmessung keine scharf voneinander abgegrenzten Merkmale, die separiert nebeneinander vorliegen. Stattdessen lässt sich eine Oberfläche als Überlagerung zahlreicher Wellenlängen beschreiben, wobei der Übergang von den besonders langwelligen Formanteilen über die Welligkeitsanteile bis hin zu den kurzwelligen Rauheitsanteilen fließend ist. Für die Separierung sind Frequenzfilter zuständig. Durch Anwendung dieser Tief- beziehungsweise Hochpassfilter mit Gauß- Charakteristik liegt dann der weiteren Auswertung ein bandbreitenbegrenztes Profil beziehungsweise eine bandweitenbegrenzte Oberfläche vor. Der Wahl der jeweiligen Grenzwellenlängen kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu, denn je nach Einstellung können sich unterschiedliche Messwerte für die gesuchte Messgröße ergeben.

Die Messketten für die flächen- beziehungsweise profilhafte Auswertung, die sich auf die optische Messtechnik anwenden lassen, sind in den Normenreihen ISO 25178 respektive ISO 4287 beschrieben. Bei der profilhaften Messung werden die Grenzwellenlänge, die Einzelmessstrecke und die Auswerte-länge in Abhängigkeit von den Oberflächeneigenschaften auf Grundlage einer Tabelle ermittelt. Hierzu werden die zu erwartenden Texturparameter zunächst geschätzt und dann Testmessungen durchgeführt (diese Vorgehensweise wird in Kürze durch die neue Norm DIN EN ISO 21920 modifiziert). Für die flächenhafte Messung gibt es keine vergleichbare Tabelle, es ist jedoch empfehlenswert, dieselben oder ähnliche Werte als Basis für Testmessungen zu wählen. Die häufig in der Praxis angewendeten Amplituden und Höhenparameter wurden weitgehend in der neueren Norm auf die flächenhafte Auswertung erweitert. Dabei hat die flächige Messung und Auswertung der Topografie den Vorteil, dass sie nicht von der Wahl der Messposition abhängt und somit – vor allem bei inhomogenen oder fehlerhaften Oberflächen – zuverlässigere Ergebnisse liefert.

Kenngrößen in der Oberflächenmesstechnik

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Charakterisierung der unterschiedlich bearbeiteten Oberflächen mit den Kenngrößen aus der Materialanteilkurve (links),
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Darstellung der ableitbaren Kenngrößen aus der Materialanteilkurve (rechts).
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Für die Vielzahl der Kenngrößen aus den Profilnormen ISO 4287 und ISO 13565 findet sich ein Äquivalent in der neueren Flächennorm ISO 25178. Darüber hinaus bietet die flächenhafte Auswertung der Topografie jedoch aufgrund der hinzukommenden Dimension zusätzliche Möglichkeiten, die eine funktionsorientierte Bewertung der Oberfläche erlauben. Materialanteilkurven, die auf flächenhaft ermittelten Daten beruhen, machen es beispielsweise möglich, das funktionale Verhalten einer Oberfläche zu beschreiben. Hinzukommen können noch weitere Auswertungen, die auf Materialvolumen- oder Topografieparametern basieren und zusätzliche Erkenntnisse liefern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die profilhafte 2D-Oberflächenmesstechnik mittelfristig wohl nur dort weiter sinnvoll sein wird, wo ihre Aussagekraft ausreicht. Die flächenhafte Charakterisierung der Oberfläche mit Hilfe der optischen 3D-Messtechnik bietet wesentlich mehr Möglichkeiten. Messeinrichtungen sollten deshalb spätestens dann ergänzt oder ersetzt werden, wenn 2D-Kennwerte die Charakteristik oder Funktion einer Oberfläche nicht mehr ausreichend genau oder nur unzuverlässig beschreiben können. Dann liefert die dreidimensionale optische Messtechnik nicht nur eine funktions- und strukturorientierte Auswertung, sondern auch ein für die menschliche Auffassungsgabe leichter verständliches Abbild der Oberfläche. 

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