Messtechnik Rauigkeitsmessung an großen und schwer zugänglichen Bauteilen

Eine Methode, die Rauigkeit von immer größer werdenden Bauteilen im Bereich der optischen und metallurgischen Fertigung sicher zu ermitteln, ist die Abdruckmethode. Am Beispiel von Glaslinsen in verschiedenen Fertigungsstadien wurde die Genauigkeitsgrenze der verwendeten Abdruckmasse mit 0,1 µm (rms) bestätigt.

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In der Dentaltechnik ist es bereits etabliert, additionsvernetzende Silikone für Abdrücke zu verwenden. In Untersuchungen [1] wurden diese additionsvernetzenden Silikone mit anderen, gängigen Materialien verglichen. Die Studie ergab, dass sich die genannten Silikone hervorragend für die Abdrücke der Zähne eignen. Nach Angaben des Herstellers sind bei der verwendeten Masse Rauheiten bis 0,1 µm (rms) abformbar. Diese Tatsache kommt der Untersuchung der Rauheit bei hochfrequenten Fehlern sehr entgegen. Als alternatives Verfahren ist in der DIN 54150 die Vorgehensweise für Abdruckverfahren (Replicatechnik) beschrieben [2]. Der Ablauf der dort beschriebenen Untersuchungen ist an die DIN angelehnt.

Die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Silikone wurden von Handschuck [3] untersucht und nachgewiesen. Aufgrund der Erfahrungen aus dieser Arbeit werden Abdrücke als formstabil erachtet. Eine Begutachtung der Verformung der Fläche wurde deshalb nicht durchgeführt. Die genannte Methode wird als eigenständige Messmethode und als Erweiterung der Möglichkeiten vorhandener Messgeräte zur Rauheitsmessung vorgeschlagen. Übliche Rauheitsmessgeräte decken einen großen Bereich zu messender Bauteile ab. Einschränkungen bestehen jedoch bei großen Bauteilen und eingeschränkter Zugänglichkeit.

Rauheitsuntersuchungen an großen Glasflächen

Es sollen Rauheitsuntersuchungen an großen Glasflächen in unterschiedlichen Bearbeitungsstufen durchgeführt werden. Dazu werden vergleichend Rauheiten an kleineren Glasproben mit einem Standard-Weißlichtinterferometer und mit der beschriebenen Abdruckmethode und anschließender Vermessung unter dem gleichen Weißlichtinterferometer durchgeführt. Auf fünf verschiedenen Probeflächen in unterschiedlichen Bearbeitungsstufen (vorgeschliffen, feingeschliffen, 4 min anpoliert, 7 min anpoliert, durchpoliert) wurde dazu mithilfe eines Rahmens je ein kreisrunder Abdruck mit einem Durchmesser von 20 mm genommen. Die Position des Abdrucks war durch eine Zentrierung immer gleich. Nach dem Auftragen der Abdruckmasse wurde der Rahmen zusätzlich mit einem Gewicht beschwert, um einen gleichmäßigen Abdruck zu erhalten (Bild 1).

Die Messung der Rauheit erfolgte durch ein Weißlichtinterferometer

Nach einer Aushärtezeit von 300 s wurden Gewicht und Abdruck entfernt. Die Messung der Rauheit des Abdrucks erfolgte durch ein Weißlichtinterferometer vom Typ Zygo Newview 7200. Ebenso und an gleicher Stelle wurden die Rauheiten direkt vermessen. Die Einstellungen des Interferometers waren:

• Objektiv 20-fach (mit Abzug vom Systemfehler),

• Zoom 1-fach,

• keine Filter,

• 16 Messpunkte mit je 16 Mittlungen,

• Messfleckgröße: 0,35 mm × 0,26 mm = 0,091 mm².

Durch die 16 Messpunkte (Bild 1) auf dem 20-mm-Durchmesser wird eine gute Übersicht der Oberfläche erreicht. Der statistische Anspruch wird durch die 16 Messungen jedes einzelnen Messpunktes sichergestellt.

Aus Tabelle 1 sind die Übereinstimmungen der Messungen der Originalflächen mit denen der durch Abdrücke ermittelten Werte zu ersehen.

Mittels der gaußschen Fehlerfortsetzung lassen sich die Unsicherheiten der Originalmessungen und der Abdrücke miteinander verrechnen. Die Unsicherheit für eine Messung mittels der Abdruckmethode U_ges kann mit folgender Formel [4] berechnet werden:

U_ges = (U₁²+U₂²)^1/2

Somit können die gemessenen Werte des Abdrucks für eine Rauheitsangabe mit Unsicherheit verwendet werden.

Neben der Betrachtung der Messwerte wurde eine subjektive Betrachtung der Oberflächenbilder vorgenommen. Im visuellen Vergleich ist die Übereinstimmung von Fläche und Abdruck deutlich erkennbar. Das Beispiel in Bild 2 zeigt den Vergleich der Messungen im anpolierten Zustand nach 7 min. Es werden die Strukturen der Originalfläche, wie links im Bild 2 sichtbar, auch am Abdruck (rechts im Bild 2) deutlich wiedergegeben.

Vertiefungen in der Fläche erscheinen als Erhöhungen im Abdruck. Der Vergleich der gesamten Versuchsreihe hat eine Übereinstimmung der geschliffenen und anpolierten Flächen gezeigt.

Rauheitsmessung mittels Abdruck an großen Bauteilen ist möglich

Die fertig polierte Fläche mit einem Rms-Wert von 0,01 µm wies typische Strukturen der Polierbearbeitung auf. Diese konnten mit dem Abdruck nicht wiedergegeben werden. Der reine Vergleich der Messwerte offenbarte diese Abweichung nicht.

Mit den vorgestellten Untersuchungen an bearbeiteten Glasflächen wurde gezeigt, dass eine Rauheitsmessung mittels Abdruckverfahren an großen Bauteilen oder an unzugänglichen Stellen vorgenommen und eine Unsicherheit der Ergebnisse im Bezug auf die Originalfläche angegeben werden kann. Der visuelle Vergleich der Flächen bestätigt die Grenze der Auflösung laut den Angaben des Herstellers der Abdruckmasse bei 0,1 µm rms.

Einfache und zuverlässige Methode für schwer zugängliche Stellen

Für den Anwendungsfall Optik sind geschliffene und anpolierte Gläser mit der Methode sicher untersuchbar. Durchpolierte Gläser sind mit der Abdruckmethode nicht messbar. Die Gesamtunsicherheit der Rauheit an Glasoberflächen mittels Abdruckverfahren ist aus Tabelle 2 zu ersehen.

Als Anwendungsbeispiel wird mithilfe der evaluierten Methode die Prozesskette „Schleifen und Polieren“ zur Herstellung von Spiegeln für Astroanwendungen bis zum anpolierten Zustand qualifiziert.

Die vorgeschlagene Methode ersetzt kein Weißlichtinterferometer und ist auch für durchpolierte Flächen allein nicht ausreichend. Sie ist ideal einsetzbar für raue bis anpolierte Flächen und liefert dort insbesondere an schwer zugänglichen Flächen eine einfache und zuverlässige Möglichkeit, die Rauheitsentwicklung mit mehreren Messungen zu verfolgen. Für die Betrachtung an auspolierten Flächen ist eine mobile Weißlichtmikroskopie nötig. MM

Literatur

[1] Buck, Alexander, Gert Baitinger, Werner Haas: Abformen der Oberflächenrauheit, Dicht!, Universität Stuttgart, Institut für Maschinenelemente, 03/2007, S. 19, ISSN 1863-4699.

[2] DIN Norm 54150, Abdruckverfahren für die Oberflächenprüfung (Replica-Technik), August 1977.

[3] Handschuck, Nadine: Werkstoffkundlich-vergleichende Untersuchung an Abformmassen auf der Basis von Polyethern, additionsvernetzenden und kondensationsvernetzenden Silikonen, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Medizinische Fakultät, Dissertation.

[4] Heckenkamp, Christian: Physik für Chemische Technologie, WS 2007/08, FH Darmstadt, 08. 11. 2007, Vortrag.

* Dipl.-Ing. (FH) Christian Schopf ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Hochschule Deggendorf; Prof. Rolf Rascher ist dort in der Fakultät Naturwissenschaften und Wirtschaftsingenieurwesen tätig; Prof. Dr.-Ing. Christine Wünsche ist dort Leiterin der Arbeitsgruppe Produktionstechnik Optik. Weitere Informationen: Christian Schopf, Technologie Campus Teisnach, 94244 Teisnach, Tel. (0 99 23) 80 45-4 18, christian.schopf@hdu-deggendorf.de

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