Im Hinblick auf die Kennzeichnung der Rauheit zur Beschreibung von funktionsrelevanten Oberflächen für technische Anwendungen ist der tragende Flächenanteil entscheidend. Dafür gewinnt der relative Materialanteil Rmr nach ISO 21920-2:2021 als funktionsorientierte Rauheitskenngröße zunehmend an Bedeutung als praxisnahe Charakterisierung tragender Oberflächenanteile. Für eine belastbare praxisgerechte Anwendung von Rmr ist neben der Wahl einer geeigneten relativen Schnitthöhe dc und eines Bezugsmaterialanteils p ist eine funktionsgerechte Toleranzfestlegung unter Berücksichtigung der Messunsicherheit des eingesetzten Rauheitsmessgeräts entscheidend.
In den vergangenen Jahren hat sich die Herstellung von funktionalen Oberflächen stark verändert. Heute können unterschiedliche Fertigungsverfahren ähnliche Oberflächenstrukturen erzeugen. Dadurch verlagert sich der Fokus zunehmend von der fertigungsbezogenen Beschreibung der Oberflächenrauheit hin zur funktionsbezogenen Charakterisierung von relevanten Mikrostrukturen. Klassische Rauheitskennwerte wie Ra oder Rz stoßen dabei oft an ihre Grenzen, da sie den funktionsrelevanten Traganteil einer Oberfläche nicht erfassen. Gerade bei Funktionsflächen für Dichtungen, Lager, Führungen, Presssitze oder elektrische Kontakte ist nicht die Höhe einzelner Rauheitsspitzen entscheidend, sondern der tragende Flächenanteil, da er Dichtheit, Schmierfähigkeit sowie Reibungs-, Verschleißverhalten und Steckkräfte maßgeblich beeinflusst.
Vor diesem Hintergrund gewinnt der relative Materialanteil Rmr nach ISO 21920-2:2021 an Bedeutung. Er beschreibt die tragenden Anteile der Oberfläche bei definierter Schnitthöhe. Dies hilft, die Funktionssicherheit und Lebensdauer von Bauteilen zu gewährleisten. Die Definition der Schnitthöhe und der Toleranzen für diese Rauheitskenngröße muss unter Berücksichtigung der Messunsicherheit des Rauheitmessgeräts (Abb. 1 und 2) erfolgen, um eine Messmittelfähigkeit zu erreichen. Denn nur messtechnisch abgesicherte Werte ermöglichen eine zuverlässige und vergleichbare Beurteilung funktionaler Oberflächen.
Abb. 1: Messgerät für die taktile Rauheitsmessung von Oberflächen
Abb. 2: Weißlichtinterferometer zur optischen Rauheitsmessung
Diese wichtigen Kennwert zur Erfüllung der Funktion von technischen Oberflächen wurden in einem vorangegangenen Beitrag detailliert beschrieben [1].
1 Funktionen von Oberflächen
Wie in [1] dargelegt, vermittelt die Rauheit sowohl zwischen Bauteil und Umgebung als auch zwischen miteinander in Kontakt stehenden Komponenten und ist damit wesentlich für Funktion, Qualität und Lebensdauer verantwortlich. Klassische Rauheitskennwerte wie Ra oder Rz beschreiben lediglich die mittlere Höhenverteilung von Spitzen und Tälern. Für viele technische Anwendungen sind diese Angaben jedoch zu allgemein, da sie weder den tatsächlichen Lasttraganteil noch die funktionale Wechselwirkung der Oberfläche mit ihrer Umgebung ausreichend erfassen.
2 Messwerte und deren Festlegung
Der relative Materialanteil Rmr quantifiziert, welcher Anteil der Oberfläche bei einer definierten Schnitthöhe tatsächlich Last trägt. Er stellt eine zentrale Kenngröße für die funktionale und praxisnahe Charakterisierung von modernen Oberflächenstrukturen dar und wird aus der sogenannten Materialanteilkurve (MRK) bestimmt (Abb. 3 und 4). Sie beschreibt für eine definierte Schnitthöhe dc den kumulierten Materialanteil in Prozent und findet sich in der Norm ISO 4287:1997 unter der Bezeichnung Materialanteil international standardisiert.
Abb. 3: Materialanteil einer Oberfläche
Abb. 4: Ermittlung relativer Materialanteil Rmr aus Materialanteilkurve (MRK)
Die Schnitthöhe dc ist so zu wählen, dass die resultierenden Rmr-Werte eine aussagekräftige Differenzierung der Oberflächenqualität ermöglichen. Zur Festlegung der geeigneten Schnitthöhe sollten idealerweise Oberflächen von Bauteilen in i. O.-Qualität vermessen werden und daraus wird der relative Materialanteil bei verschiedenen relativen Schnitthöhen berechnet [1]. Auf Basis dieser Auswertung wird anschließend eine Schnitthöhe dc festgelegt, bei der der angestrebte Toleranzbereich T der Rmr-Werte für die i. O.-Bauteile zuverlässig erreicht wird.
Da sich die Berechnung auf die höchste Spitze des Rauheitsprofils bezieht, wird in der Praxis ein sogenanntes Bezugsniveau cp definiert (Abb. 4). Dadurch wird verhindert, dass einzelne Rauheitsspitzen aus der Messung den Rmr-Wert verfälschen. Zur Festlegung des Bezugsniveaus wird üblicherweise ein Bezugsmaterialanteil p von zwei bis fünf Prozent verwendet, der im Oberflächensymbol auf den technischen Zeichnungen anzugeben ist [1].
3 Messung und Kontrolle
Der relative Materialanteil Rmr und die Materialanteilkurve (MRK) werden mithilfe von Rauheitsmessgeräten ermittelt und liefern wertvolle Informationen über die funktionalen Eigenschaften einer Oberfläche. Während klassische Rauheitskennwerte häufig nur die Höhenverteilung von Profilspitzen und Profiltälern beschreiben, ermöglicht die MRK eine deutlich praxisnähere Bewertung, da sie zeigt, wie sich der Materialanteil mit zunehmender relativer Schnitthöhe dc verändert. Auf diese Weise lässt sich beurteilen, ob eine Oberfläche eher spitzkämmig und wenig tragfähig oder eher rundkämmig und damit belastbar ausgeprägt ist.
Ein niedriger relativer Materialanteil weist auf einen hohen Anteil an Hohlräumen und wenigen tragenden Kontaktflächen hin. Solche Oberflächen können Vorteile für die Schmierstoffspeicherung bieten, besitzen jedoch meist eine geringere Tragfähigkeit. Ein hoher Materialanteil hingegen steht für viele tragende Flächen und eine hohe Belastbarkeit, bietet jedoch weniger Raum für Schmierstoffe oder Rückhaltevolumen für Verschleißpartikel. Für tribologische Anwendungen ist dieses Zusammenspiel von besonderer Bedeutung:
- Niedriger Materialanteil = mehr Hohlräume, günstig für Schmierung, jedoch geringere Tragfähigkeit
- Hoher Materialanteil = große tragende Fläche und hohe Belastbarkeit, jedoch geringeres Schmierstoffreservoir
Für die Messpraxis bedeutet dies, dass nur mit einer konsistenten Definition der relativen Schnitthöhe dc und des Bezugsniveaus cp funktionsrelevante und vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können. Bereits geringe Abweichungen in diesen Definitionen können zu Fehlinterpretationen führen, beispielsweise dann, wenn Oberflächen mit deutlich unterschiedlicher Topografie denselben relativen Materialanteil aufweisen, obwohl ihr jeweiliges funktionales Verhalten stark voneinander abweicht.
Moderne mobile Rauheitsmessgeräte sowie stationäre Tastschnittgeräte verfügen heute über spezifische Auswerteprogramme zur normgerechten Bestimmung des Rmr und der MRK. Dadurch lassen sich funktionale Anforderungen, etwa hinsichtlich Tragfähigkeit, Schmierstoffrückhalt oder Verschleißverhalten, gezielt bewerten und absichern.
3.1 Festlegung der Toleranz und Messmittelfähigkeit
Für eine zuverlässige Bewertung des relativen Materialanteils Rmr ist nicht nur die geeignete Wahl der Schnitthöhe entscheidend, sondern auch eine sinnvoll definierte Toleranzbreite T. Idealerweise wird diese so festgelegt, dass eine ausreichende Messmittelfähigkeit gewährleistet ist und Messfehler nicht zu Fehlbewertungen führen. Als bewährter Richtwert gilt hierbei ein Fähigkeitsindex von cg ≥ 1,33, der sicherstellt, dass das eingesetzte Messsystem im Verhältnis zur vorgegebenen Toleranz ausreichend präzise arbeitet. Nur wenn diese Bedingung erfüllt ist, können Messwerte reproduzierbar erfasst und sicher zur Qualitätsbewertung herangezogen werden.
Dieser Zusammenhang soll anhand einer beispielhaften plateauartigen Oberfläche mit einer maximalen Rauheit von Rz = 1,5 µm verdeutlicht werden. Das zugehörige Rauheitsprofil ist in Abbildung 5 dargestellt. Gerade rundkämmige Oberflächen eignen sich besonders gut zur Veranschaulichung, da sie neben tragenden Flächen auch charakteristische Täler aufweisen und damit typische funktionale Oberflächen repräsentieren, wie sie zum Beispiel in tribologisch beanspruchten Anwendungen vorkommen.
Abb. 5: Rauheitsprofil mit maximaler Rauheit Rz = 1,5 µm
Zur Bestimmung eines funktionsgerechten Prüfmerkmals wird zunächst der relative Materialanteil Rmr(p, dc) für verschiedene relative Schnitthöhen dc bei konstantem relativem Bezugsniveau cp berechnet. Dadurch lässt sich analysieren, wie empfindlich der Materialanteil auf Veränderungen der Schnitthöhe reagiert und in welchem Bereich eine gute Differenzierung der Oberflächenqualität möglich ist. Abbildung 6 zeigt hierzu exemplarisch den Zusammenhang zwischen Rmr und der relativen Schnitthöhe dc für die betrachtete Oberfläche. Für eine gewählte Schnitthöhe von beispielsweise dc = −0,3 µm ergibt sich ein relativer Materialanteil von Rmr = 62 %. Dieser Wert stellt nun den funktionalen Sollwert dar, für den ein geeigneter Toleranzbereich definiert werden muss. Die Toleranzbreite T ist dabei so festzulegen, dass einerseits funktional zulässige Streuungen der Oberfläche berücksichtigt werden und andererseits die Messunsicherheit des eingesetzten Rauheitsmesssystems ausreichend klein gegenüber dieser Toleranz bleibt.
Abb. 6: Relativer Materialanteil Rmr in Abhängigkeit der relativen Schnitthöhe dc
Gerade dieser Zusammenhang zwischen der Toleranzbreite und der Messsystemfähigkeit ist entscheidend: Wird die Toleranz zu eng gewählt, kann selbst ein präzises Messsystem den geforderten Fähigkeitsindex möglicherweise nicht erreichen. Wird sie hingegen zu weit gefasst, sinkt die Aussagekraft des Prüfmerkmals hinsichtlich der funktionalen Oberflächenqualität. Ziel ist daher eine ausgewogene Toleranzdefinition, die sowohl funktionsgerecht als auch messtechnisch beherrschbar ist.
Auf Basis des gewählten Rmr-Wertes von 62 % wird anschließend die notwendige Toleranzbreite T so bestimmt, dass die geforderte Messmittelfähigkeit mit cg ≥ 1,33 erreicht wird. Erst durch dieses Zusammenspiel aus geeigneter Schnitthöhe, funktionsorientierter Toleranz und nachgewiesener Messmittelfähigkeit wird der relative Materialanteil Rmr zu einem belastbaren und industriell nutzbaren Qualitätsmerkmal.
3.2 Mindesttoleranzbreite T
Zur Ermittlung der erforderlichen Mindesttoleranzbreite T für einen Fähigkeitsindex von cg ≥ 1,33 in Abhängigkeit von der Messunsicherheit U sowie der gewählten relativen Schnitthöhe dc kann die Formel Gl. <1> herangezogen werden.
Gl. <1>
Sie beschreibt den Zusammenhang zwischen messtechnischer Unsicherheit und der notwendigen Toleranzbreite, um eine ausreichende Messmittelfähigkeit für die Bewertung des relativen Materialanteils sicherzustellen. Damit wird deutlich, welchen Einfluss das eingesetzte Messsystem und die Definition der Schnitthöhe auf eine belastbare Spezifikation des Traganteils haben.
Wird für die Berechnung der Mindesttoleranzbreite T eine für taktile Rauheitsmessgeräte typische Messunsicherheit von U = 0,5 % Rz zugrunde gelegt, ergibt sich der in Abbildung 7 dargestellte funktionale Zusammenhang in Abhängigkeit von der relativen Schnitthöhe dc. Für die in Abbildung 7 gewählte relative Schnitthöhe von dc = −0,3 µm ergibt sich daraus eine erforderliche Mindesttoleranzbreite von 40 %. Daraus folgt, dass die Anforderung an die Oberflächenbeschaffenheit über den relativen Materialanteil Rmr in einem Toleranzbereich von 42 % bis 82 % festgelegt werden muss, um sowohl funktionale Anforderungen als auch die messtechnische Absicherung der Spezifikation zu gewährleisten.
Abb. 7: Mindesttoleranzbreite T für den Rmr-Wert bei Messunsicherheit U = 0,5 % • Rz
4 Oberflächenangabe technische Zeichnung
Die gewählte Schnitthöhe, der Bezugsmaterialanteil und der dazugehörige Materialanteil sind eindeutig im Oberflächensymbol der technischen Zeichnung einzutragen. Nur durch eine vollständige und normgerechte Angabe dieser Parameter kann sichergestellt werden, dass die Ermittlung des relativen Materialanteils Rmr am Bauteil stets mit identischen Berechnungsparametern erfolgt und somit reproduzierbare und vergleichbare Messergebnisse erzielt werden. Gerade bei funktionskritischen Oberflächen ist dies Voraussetzung dafür, dass die spezifizierten Anforderungen eindeutig interpretiert und in Fertigung wie Prüfung konsistent umgesetzt werden können.
Die Definition von Traganteil, Schnitthöhe und Bezugsmaterialanteil in der Zeichnung schafft damit eine direkte Verknüpfung zwischen funktionaler Anforderung und messtechnischer Verifikation. Gleichzeitig werden Fehlinterpretationen bei der Auswertung vermieden, da insbesondere der Kennwert Rmr stark von der gewählten Schnitthöhe und den zugrunde gelegten Bezugsbedingungen abhängt.
Die Oberflächenangabe in Abbildung 8 fordert beispielhaft einen relativen Materialanteil Rmr innerhalb eines zulässigen Toleranzbereichs von 20 % bis 80 %, eine relative Schnitthöhe von dc = -0,45 µm sowie einen Bezugsmaterialanteil von p = 2 %. Mit dieser Spezifikation sind sowohl die funktionalen Anforderungen an die Oberfläche als auch die Bedingungen für eine eindeutige und messtechnisch abgesicherte Prüfung vollständig beschrieben.
Abb. 8: Normkonforme Oberflächenangabe für relativen Materialanteil Rmr
5 Zusammenfassung
Klassische Rauheitskennwerte wie Ra oder Rz reichen zur Beschreibung von funktionsrelevanten Oberflächen oft nicht aus, da sie den tatsächlichen Traganteil nicht erfassen. Für viele technische Anwendungen ist jedoch genau dieser tragende Flächenanteil entscheidend. Vor diesem Hintergrund gewinnt der relative Materialanteil Rmr nach ISO 21920-2:2021 als funktionsorientierte Rauheitskenngröße zunehmend an Bedeutung. Er ermöglicht eine praxisnahe Charakterisierung tragender Oberflächenanteile und ergänzt die klassischen Rauheitsparameter um eine funktionale Bewertung.
Es wird gezeigt, dass für eine belastbare praxisgerechte Anwendung von Rmr nicht nur die Wahl einer geeigneten relativen Schnitthöhe dc und eines Bezugsmaterialanteils p entscheidend ist, sondern auch eine funktionsgerechte Toleranzfestlegung unter Berücksichtigung der Messunsicherheit des eingesetzten Rauheitsmessgeräts. Erst durch den Nachweis ausreichender Messmittelfähigkeit können Spezifikationen für den Traganteil so definiert werden, dass sie funktional sinnvoll und messtechnisch sicher überprüfbar sind.
Die normgerechte Eintragung dieser Parameter in technischen Zeichnungen schafft zudem die Voraussetzung für reproduzierbare Messungen und eine eindeutige Kommunikation zwischen Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung.
Somit wird deutlich, dass die zuverlässige Bewertung funktionaler Oberflächen nicht allein auf Rauheitskennwerten basiert, sondern auf dem Zusammenspiel aus funktionsgerechter Spezifikation, richtiger Definition des Traganteils und messtechnisch abgesicherter Messung.
Literatur
[1] D. Schorr: Mehr als Rauheit: Der Traganteil Rmr als entscheidender Maßstab für Funktionssicherheit und Performance von Oberflächen; WOMag 1-2/2026; https://www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2026/01-02/04_schorr_rmr_01-02j2026/04_schorr_rmr_01-02j2026.php
Kontakt
Steinbeis Transferzentrum Tribologie in Anwendung und Praxis; Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schorr,
- www.steinbeis-analysezentrum.com
