Funktionelle Oberflächenparameter im Fokus

Oberflächen 07. 09. 2015
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Von Annette Schlemm, Confovis GmbH

Bei der Technologie der strukturierten Beleuchtung wird ein Gitter mittels getakteter LEDs phasenverschoben auf die Bauteiloberfläche abgebildet, aufgenommen und der Kontrast ausgewertet. Durch Bewegung in der Fokuslage wird eine nanometergenaue Wiedergabe der tatsächlichen Oberflächenstruktur und über eine optimierte Auswertung Profil-, Oberflächen- und weitere quantitativen Messparameter entsprechend den Normvorgaben erzeugt. Die Auflösung liegt lateral bei etwa 300 nm und axial bei 3 nm, wobei die Messgeschwindigkeit acht optischen Schnitten pro Sekunde beträgt. Die Rauheitsmessungen mit den Rauheitsparametern Ra, Rq und Rz nach DIN EN ISO 4287/4288 sowie den Rauheitsparametern für Oberflächen mit plateauartigen funktionsrelevanten Eigenschaften nach DIN EN ISO 13565 können auf von der PTB zertifizierten Raunormalen rückführbar erfolgen

Focus on Functional Surfaces

The technique of structured illumination involves forming the image of a mesh on the component surface being monitored, using sequentially activated LEDs with phase-shifting and evaluating the image contrast. By moving the focal plane, the surface can be characterised with nanometre precision in terms of its structure, surface profile and other surface characteristics as laid down in various Standards. Lateral resolution is around 300 nm, axial resolution is 3 nm with measurement rate of eight frames per second. Surface roughness measurements can be expressed as Ra, Rq, Rz as laid down in DIN EN ISO 4287/4288 as well as roughness parameters for surfaces with planar type functional properties as given in DIN EN ISO 13565 with these being traceable to roughness standards certified by the PTB.

1 Oberflächendarstellung – Erwei­terung durch dritte Dimension

Jedes Werkzeug, Bauteil oder fertige Produkt wirkt zuerst durch seine Oberfläche. Häufig ist deren Beschaffenheit maßgeblich für das Design oder die Funktion bezüglich Reib- und Gleiteigenschaften. Die Charakterisierung solcher Oberflächen ist deshalb eine wichtige Aufgabe in der Entwicklung, Fertigung und Qualitätssicherung. In der Industrie werden dazu seit Jahrzehnten einzelne Profile mit Tastschnittgeräten ermittelt und ausgewertet. Das reicht inzwischen für viele Anforderungen nicht mehr aus. Deshalb halten optische Messgeräte für technische Oberflächen Einzug in die Messtechnik-Labore (Abb. 1). Hier werden nicht nur die Informationen entlang einer Profillinie (also 2D in einer horizontalen und einer vertikalen Dimension) ermittelt, sondern es wird gleich die gesamte Topographie der Fläche gemessen. Das Mess­ergebnis stellt sich als 3D-Punktewolke mit umfangreichen Flächen- und Höheninformation dar.

Abb 1: Oberflächenanalyse von Werkzeugen und Werkstücken: Speziell für die Werkzeugbaubranche bietet Confovis das Standard-Messsystem CLV150 oder das flexible Portal-System CGF-LV/-SD an

Die 3D-Darstellung ist dann von Vorteil,­ wenn nicht nur eindeutig gerichtete Strukturen — wie sie beim Drehen, Fräsen oder Schleifen entstehen — gemessen werden sollen, sondern ebenso wenn andere unregelmäßige Oberflächenstrukturen wie gehonte Flächen mit Honriefen (Abb. 2a) sowie zufällig auf der Fläche verteilte Elemente wie Lunker gemessen werden sol­len. Dort zeigt sich, dass Profillinien zu wenig Aussagekraft haben (Abb. 2b). Diese unbefriedigende Situation kann durch flächenhafte Messungen deutlich verbessert werden: Aus diesen können quantitative Aussagen über Ölrückhaltevolumen getroffen werden, Kuppenwerte in Bezug auf die Tragflächenanteilskurve bestimmt, sowie Texturrichtungen abgeleitet und weitere Analysen wie Kornverteilungsanalysen vorgenommen werden.

Abb. 2: 3D-Darstellung eines gehonten Zylinders (a); bei gehonten Oberflächen zeigt sich deutlich, dass Profillinien zu wenig Aussagekraft besitzen, sondern dass flächige Oberflächentopographien ausgewertet werden müssen (b)

2 Innovative Technologie mit Mehrwert

Das von Confovis patentierte Messverfahren der strukturierten Beleuchtung mit LED arbeitet grundsätzlich nach dem Konfokal-Messprinzip. Bei der strukturierten Beleuchtung wird ein Gitter mittels getakteter LEDs phasenverschoben auf die Bauteiloberfläche abgebildet und aufgenommen. Anschließend wird der Kontrast ausgewertet, der genau dann maximal ist, wenn die Oberfläche in der Fokuslage ist. Um die gesamte Topographie des Werkstücks zu bestimmen, wird dieses in Fokusrichtung verfahren. Es werden dabei optische Schnitte erzeugt, die anschließend verwendet werden, um eine 3D-Punktewolke zusammenzusetzen. Auf diese Weise­ kann eine nanometergenaue Wiedergabe der tatsächlichen Oberflächenstruktur erzeugt werden. Jeder Messpunkt wird qualitativ bewertet. Die Messsoftware ConfoVIZ® gibt das Ergebnis ohne weitere Filterung oder Post-Processing-Operationen aus. Eine anschließende Auswertung mittels der Standardsoftware MountainsMap® liefert alle aktuellen Profil-, Oberflächen- und weitere quantitativen Messparameter entsprechend den ISO- oder anderen Normen.

Die Confovis-Technologie zeichnet sich zum einen durch seine hohe Auflösung aus. Diese liegt lateral bei etwa 300 nm und axial bei 3 nm (letzteres gemessen entsprechend VDI 2655 auf einem Planspiegel). Zum anderen erreicht das Scanmodul eine hohe Messgeschwindigkeit mit acht optischen Schnitten pro Sekunde. Die einfach zu bedienende, sehr intuitiv und übersichtlich gestaltete Software bietet unter anderem Funktionen wie Stitchung zum Aufnehmen beliebiger Messbereiche.

3 Artefaktfreie und rückführbare Messergebnisse

Im Gegensatz zu anderen Messsystemen verwendet Confovis keinen Laser. Dadurch treten nur sehr geringe Speckle- und Kohärenzeffekte auf und Messartefakte werden auf ein Minimum reduziert. Die Oberfläche kann dadurch rückführbar und hochgenau erfasst werden. Im Scanmodul ConfoCam® sind keine beweglichen Teile wie Pinhole-Disc verbaut. Dadurch können im fertigungsnahen Umfeld hochgenau, zuverlässig und technologiebedingt fast alle Oberflächen und Materialien gemessen werden — dies gilt auch für stark spiegelnde Oberflächen.

Die Rauheitsmessungen mit den traditionellen Rauheitsparametern Ra, Rq und Rz nach DIN EN ISO 4287/4288 sowie den Rauheitsparametern für Oberflächen mit ­plateauartigen funktionsrelevanten Eigenschaften nach DIN EN ISO 13565 können auf von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zertifizierten Raunormalen rückführbar erfolgen (Abb. 3). Die Messgeräte erzielen dabei eine hohe Genauigkeit und erlauben dem Anwender eine gute Vergleichbarkeit zu konventionellen Systemen. Die Messfläche der Raunormale besteht aus geschliffenen oder präzisionsgedrehten unregelmäßigen Profilen. Die Normale verfügen somit über ein breites Spektrum der in der Praxis vorkommenden Oberflächenabweichungen. Aus den Rpk-, Rvk- und Rk-Werten lässt sich die Basis für die Flächen-Rauheitswerte herleiten und eine Überleitung zur DIN EN ISO 25178 schaffen.

Abb. 3: Vergleich des Profils und der ermittelten Parameter einer Messung eines handelsüblichen Raunormals (unten) mit der Messkurve auf dem Kalibriernormal (oben) 

Am Geometrienormal RNDH2 kann die Feinstruktur auf der Sinuswelle – ohne Filterung oder andere Nachbearbeitung – ­exakt aufgelöst werden, sogar die durch die Fertigung entstandene Inhomogenität der Feinstruktur auf beiden Flanken der Grundsinuswelle. Nach dem Drehen des Normals um 180° zeigt sich auch, dass die Inhomogenität (geneigte Sinuswellen auf je einer Seite der größeren Sinuswelle) sich ebenfalls gedreht hat. Damit ist belegt, dass sie sich auf dem Normal selbst befindet und kein Messartefakt ist (Abb. 4).

Abb. 4: Messung des Geometrienormals RNDH2 mit Darstellung von Inhomogenitäten in der Struktur des Normals, die nach dem Drehen des Normals um 180° gedreht sind 

Neben den Parametern Rk, Rpk und Rvk, welche die 2D-Beurteilung von Kernbereich, Spitzenbereich und Riefenbereich ermöglichen, stehen dem Anwender bereits die Flächenwerte Sk, Spk und Svk entsprechend der ISO 25178 zur Verfügung. Bei vielen tribologischen Funktionsoberflächen werden niedrige Rpk-Werte und größere Rvk-Werte angestrebt. Dies beschreibt eine plateauartige Oberfläche mit tiefen Riefen, wie sie etwa der Motorenbau verlangt. Aus dem Svk-Wert kann das Ölrückhaltevolumen bestimmt werden.

4 Kombiniertes Messverfahren für präzise Werkzeuganalyse

Für die Ermittlung von Oberflächenstrukturen mit großen Neigungswinkeln und größeren Rauheitswerten kann mit den Messgeräten der Confovis GmbH auch das Verfahren der Fokusvariation verwendet werden. Beide Anwendungen lassen sich mit einem­ Gerät vornehmen, was zu einem weiten Anwendungsspektrum führt. Für jeden Anwendungsfall kann schnell zwischen den Verfahren gewechselt und entsprechend der notwendigen Datendichte und Oberflächenstruktur das jeweils schnellste Verfahren ausgewählt werden.

5 Optische Messtechnik in der Anwendung

Bei der Vermessung von Werkzeugen, wie Fräsern, Bohrern oder Wendeschneidplatten, kommt es häufig auf Dimensions­angaben beziehungsweise das Messen von Konturen an, was mit der Fokusvariation erfolgen kann. Beispielsweise können so Maße an Schneidkanten ermittelt werden. Zusätzlich können am selben Gerät auch mittels strukturierter Beleuchtung bestimmte Flächen besonders genau gemessen werden, sodass dort die Rauheits­werte exakt und rückführbar bestimmbar sind (Abb. 5).

Abb. 5: Konturanalyse der Kantenverrundung nach einer Messung mit dem Prinzip der Fokusvariation (links) und Rauheitsmessung an einer Messung mit Strukturierter Beleuchtung (rechts) 

Auch bei der Untersuchung von medizintechnischen Objekten können beide Verfahren kombiniert zum Einsatz kommen. Bei einem Zahnimplantatgewinde lassen sich die Konturen mittels Fokusvariation und die Rauheit beziehungsweise andere Parameter mit der strukturierten Beleuchtung messen (Abb. 6).

Abb.6: Kombiniertes Messverfahren zur umfangreichen und präzisen Analyse von medizinischen Komponenten, hier: Gewinde eines Zahnimplantats

Ein neuer Anwendungsbereich, in dem die Funktionalität der Messgeräte voll ausgenutzt werden kann, ist die Additive Fertigung, wie sie zunehmend in der Medizintechnik, im Werkzeug- und Maschinenbau oder in der Automobil- und Luftfahrtindustrie zum Einsatz kommt. Der Konstruktion stehen durch die additiven Fertigungsverfahren Möglichkeiten zur Verfügung, die mit klassischen Methoden nicht realisierbar waren. So lassen sich beliebige räumliche Geometrien und Hohlräume, aufwendige innenliegende Kanalgeometrien oder Hinterschneidungen ohne großen Aufwand erstellen.

Abb. 7: Messung eines sphärischen Pulvers für das selektive Laserschmelzen (SLM) (links) mit Auswertung des Profils und der Motivanalyse (für weitere das Pulver kennzeichnende Parameter) 

Abb. 8: Ermittlung von Oberflächenunterschieden an einem additiv gefertigten Bauteil mit unterschiedlichen Hinterschnitten; je stärker die Fläche hinterschnitten ist (z. B. bei der Fläche D), desto höher ist der Rauheitswert (SLM-Pulver und Bauteile aus der additiven Fertigung des Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH)

Ein Hauptnachteil der additiven Fertigung ist jedoch die inhomogene und gestalt­abhängige Oberflächengüte. Zu ihrer Prüfung kommt die 3D-Messtechnik über die gesamte Prozesskette hinweg zum Einsatz: von der Vermessung der eingesetzten Pulver (Abb. 7) beim Selektiven Laserschmelzen (SLM) über die Aufnahme der Schmelzspuren mit Restpulver in der Fertigung bis hin zur Bewertung der Finishing-Prozesse (Abb. 8). Vor allem für die Untersuchung der Nachbearbeitung der gefertigten Oberflächen sind Messsysteme, wie sie Confovis anbietet, aufgrund des möglichen Wechsels der Verfahren bei besonders hoher ­lateraler Auflösung bei der Verwendung der strukturierten Beleuchtung vorteilhaft.

 

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