Oberflächenbeurteilung Teil 2

Transkript

1 Oberflächenbeurteilung Teil 2-3D-Rauheitsmessung- Spezialisierungsfachversuch und Hauptfachversuch Universität Stuttgart

2 1 Einleitung Die Werkstückoberfläche trennt ein Objekt von seiner Umgebung. Im einfachsten Fall ist das umgebende Medium Luft und die maßgebliche Forderung an die Oberfläche ist, dass diese möglichst kostengünstig ist. In vielen technischen Anwendungen haben Oberflächen jedoch bestimmte Funktionen zu erfüllen (vgl. Tabelle 1.1). In solchen Fällen müssen die Eigenschaften der betreffenden Oberfläche möglichst genau definiert und kontrolliert werden, damit die vorgesehene Funktion optimal erfüllt wird. Tabelle 1.1: Zusammenhang zwischen Funktion und geforderten Eigenschaften 1 Funktion Geforderte Eigenschaften Beispiel Lagerfläche Geringe Reibung Pleuellager Leitfähigkeit Große Kontaktfläche Elektrische Schalter Sichtflächen Gleichmäßige Lichtreflexion Lackierte Bleche Haftfestigkeit Definierte Mindestrauheit, spezielles Profil Karosseriebleche Reibung Scharfe Spitzen, geringe Auflagefläche Antriebswalzen Dichtung Geringer Abrieb, geringe Reibung Kolbenringe Haptik Gefühlte / tastbare Wahrnehmung Smartphone In den Praktikumsversuchen Oberflächenbeurteilung soll ein Einblick in den derzeitigen Stand der Oberflächenmesstechnik gegeben werden. Der Versuch Oberflächenbeurteilung Teil 1 konzentriert sich auf die klassische taktile 2D-Rauheitsmesstechnik und die damit verbundenen Normen und Richtlinien. Im Versuch Oberflächenbeurteilung Teil 2 werden moderne 3D-Messverfahren behandelt. 2 Grundlagen der optischen 3D-Oberflächenmesstechnik 2.1 Allgemeines Die Entwicklung optischer Topographiemessgeräte erfolgte nahezu zeitgleich zur Entwicklung der, bis heute in der Industrie als etabliert anzusehenden taktilen Rauheitsmessgeräte 2. Da die Datenerfassung optischer Messgeräte indirekt unter Ausnutzung der verschiedenen Eigenschaften des Lichtes erfolgt, sind nach der eigentlichen Messung komplexe Berechnungsalgorithmen notwendig, um die gewünschten topographischen Daten zu erzeugen. Wesentliche Fortschritte bei der optischen Messung von Oberflächen wurden daher im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung von Computersystemen seit den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts erzielt. Heute sind optische Messverfahren vielfach schneller und präziser als taktile Mess- 1 Nach Rauheitsmessung Theorie und Praxis, Raimund Volk, 2005 [1] 2 Siehe Oberflächenbeurteilung Teil 1 2D-Rauheitsmesstechnik 1/23

3 verfahren. Sie ermöglichen eine kontakt- und damit zerstörungsfreie, flächenhafte Messung vieler technischer Oberflächen und weisen aufgrund der, verglichen mit taktilen Methoden, hohen Anzahl an Messpunkten in der Regel eine bessere statistische Aussagegüte auf. Neben den bereits genannten Vorteilen ist zu ergänzen, dass dreidimensionale Oberflächenmessdaten in vielen Bereichen unerlässlich sind. Laterale Oberflächeneigenschaften entscheiden in vielen Applikationen maßgeblich über die Funktionalität. So bestimmt beispielsweise die Orientierung von Schleifstrukturen auf Dichtungsgegenlaufflächen für Radial-Wellendichtringe, ob es im Betrieb zu Leckage kommt oder ob ein Dichtsystem über die geforderte Lebensdauer die vorgesehene Funktion erfüllen kann 3. Da es nicht möglich ist, die Geometrie von Oberflächenstrukturen in einzelnen Profilen vollständig zu erfassen, sind die herkömmlichen taktilen Rauheitsmessverfahren für derartige Anwendungen schlicht nicht ausreichend. Ebenso existieren vielerlei Oberflächen mit stochastisch angeordneten singulären Oberflächenstrukturen, bei welchen mehrere einzeln gemessene Oberflächenprofile, mitunter nach dem Zufallsprinzip, um Faktoren unterschiedliche Oberflächenkennwerte ergeben. 3D-Messungen reduzieren in diesem Zusammenhang das Risiko, mangelhafte Messdaten zu generieren, beträchtlich. Den Vorteilen optischer 3D-Messverfahren stehen einige nachteilige Punkte entgegen, welche ihre Akzeptanz in der Industrie erschweren. Während die Normung im Bereich der taktilen Rauheitsmessverfahren bis auf einige Kleinigkeiten alle relevanten Einflussparameter strikt festlegt, lassen die bisher bestehenden Normen für 3D-Messverfahren 4 dem Anwender einen hohen Freiheitsgrad. Dies führt vielfach zur Verunsicherung, bietet aber gleichfalls Potential für individuelle Lösungen. Diese erfordern jedoch ein hohes Maß an Fachwissen. Ein weiterer Nachteil besteht in der Anfälligkeit optischer Messverfahren für Messprinzip-spezifische Messfehler. Optisch erfasste Messdaten ergeben daher ohne eine geeignete Messdatenaufbereitung oftmals keine belastbaren Oberflächenkenngrößen. Genaue Angaben, wie die Messdaten gefiltert werden müssen, sind nicht festgelegt, sondern müssen von Fall zu Fall neu abgewogen und definiert werden. 2.2 Überblick bestehender Normen Die für die 3D-Rauheitsmessung relevanten Normen bestehen im Wesentlichen aus zwei umfassenden Normenserien. In der Normenserie DIN EN ISO sind unter anderem die Zeichnungseintragung, 3D-Oberflächenkenngrößen, Begriffe und Definitionen, 3D-Messverfahren und Inhalte zur Kalibrierung derartiger Verfahren genormt. DIN EN ISO legt hingegen verschiedene Filterverfahren für 2D- und 3D-Messdaten fest. Beide Normen befinden sich derzeit noch in aktiver Bearbeitung und werden sukzessive um weitere geplante Teile ergänzt. Tabelle 5.1 in Kapitel 5 gibt Aufschluss über den derzeitigen Stand. Nachfolgend werden die wichtigsten Inhalte der beiden Normenserien vorgestellt. 2.3 Die skalenbegrenzte Oberfläche In der taktilen Rauheitsmessung (2D-Messtechnik) werden die Messdaten ausgehend vom erfassten Primärprofil (P-Profil) mit Hilfe eines Gauss-Filters in ein Rauheits- (R-Profil) und Welligkeitsprofil (W-Profil) zerlegt, 3 In der Dichtungstechnik werden förderaktive Oberflächenstrukturen auf Dichtungsgegenlaufflächen als Drall bezeichnet. 4 Die Normung der 3D-Topographiemessverfahren und zugehörigen Kenngrößen ist aktuell in Bearbeitung. Zukünftige Änderungen sind daher noch nicht bekannt und nicht ausgeschlossen. 2/23

4 vergl. Teil 1 des Versuchs Oberflächenbeurteilung. Kenngrößen, welche an dem jeweiligen Profil abgeleitet werden, sind jeweils mit den entsprechenden Buchstaben gekennzeichnet (P-, R- und W-Kenngrößen). Ein ähnliches Konzept existiert auch in der 3D-Messtechnik, das Konzept der sogenannten skalenbegrenzten Oberfläche. Hierfür sind in DIN EN ISO [2] verschiedene Begriffe festgelegt. Ausgehend von erfassten Messdaten, welche alle Skalenbereiche, also Oberflächenstrukturen mit Wellenlängen innerhalb des vom jeweiligen Gerät messbaren Bereiches, aufweisen, werden verschiedene Skalenbereiche definiert und abgegrenzt. Diese verschiedenen Skalenbereiche ergeben sich jeweils durch Filterung der Messdaten mittels verschiedener Operatoren oder Filter gemäß der nachfolgenden Darstellung in Bild 2.1. Mit Hilfe des F-Operators werden in der Messung enthaltene Formanteile (Linearitätsabweichungen, Oberflächenkrümmungen oder sonstige der Werkstückform zuzuordnende Anteile) gefiltert. Hieraus resultiert die S - F Oberfläche. Die sogenannte Primäroberfläche ergibt sich nach DIN EN ISO aus einer Filterung der Messdaten mit einem S-Filter. Dieses trennt laterale Anteile kleiner Wellenlänge von den Messdaten. Mittels eines L-Filters werden von der S - F Oberfläche laterale Anteile großer Skala von den Messdaten gefiltert, wodurch sich die S - L Oberfläche ergibt. Bild 2.1: Zusammenhang zwischen S-Filter, L-Filter, F-Operator und S-F und S-L Oberflächen nach DIN EN ISO [2] 3/23

5 Insgesamt sind die Primäroberfläche, die S-F Oberfläche und die S-L Oberfläche somit dem Vorgehen bei der taktilen Rauheitsmessung ähnlich. Im Gegensatz zur taktilen Rauheitsmessung muss jedoch beachtet werden, dass DIN EN ISO bezüglich der Filter und Filtereinstellungen keine Angaben macht. Das beschriebene Ziel der jeweiligen Filter, unterschiedliche Skalenbereiche festzulegen, kann mit verschiedenen Algorithmen 5 erreicht werden. Je nach Art und Anwendung können dabei unterschiedliche Ergebnisse resultieren. Aus diesem Grund ist eine genaue Dokumentation des Vorgehens bei der Messung bzw. die genaue Festlegung einer Messvorschrift bei der Zeichnungseintragung von essentieller Bedeutung. 2.4 Filterung und Messdatenaufbereitung von 3D-Messdaten Die zur Aufbereitung von Messdaten gemäß DIN EN ISO benötigten Filterverfahren sind in DIN EN ISO genormt. Die Norm ist als eine Art Filter-Toolbox zu verstehen die dem Anwender für verschiedene Anwendungen verschiedene Filter anbietet. Eine Übersicht über den gesamten Umfang der Normenserie ist nachfolgend in Bild 2.2 dargestellt. Bild 2.2: Struktur der Teile in der Reihe DIN EN ISO nach DIN EN ISO [3] Grundlegend wird innerhalb der Normenserie in Profil- (FP) und Flächenfilter (FA) unterteilt. Ferner werden in jedem Bereich lineare (bspw. FAL), robuste (bspw. FAR) und morphologische (bspw. FAM) Filterverfahren unterschieden. Die weitere Kennzeichnung der Filter erfolgt darauf aufbauend gemäß der in Bild 2.3 dargestellten Tabelle. 5 Z.B. Gauss-Filter, Robustes Gauss-Filter, Spline-Filter uvm. 4/23

6 Bild 2.3: Struktur der Teile in der Reihe DIN EN ISO nach DIN EN ISO [3] 2.5 3D-Oberflächenkenngrößen Ein umfangreicher Satz an 3D-Oberflächenkenngrößen ist in DIN EN ISO [2]festgelegt. Die Entwicklung dieser Kenngrößen bis hin zur Normung erfolgte im Wesentlichen in zwei großen kooperativen Forschungsprojekten unter der Leitung von STOUT [5] und BLUNT [6]. Grundsätzlich teilt DIN EN ISO alle genormten flächenbasierten Kenngrößen in fünf Hauptgruppen auf. Diese sind schematisch in Bild 2.4 dargestellt. Ein eklatanter Unterschied zur 2D-Rauheitsmessung besteht in der Bezeichnung der Kenngrößen. Bei 3D-Kenngrößen wird nicht länger in Primärprofil, Rauheit und 5/23

7 Welligkeit und entsprechende Kenngrößen unterschieden. Grundsätzlich werden alle 3D-Kenngrößen mit den Buchstaben S für Surface- und V für Volumenkenngrößen bezeichnet und mit entsprechenden Indizes kombiniert. Unabhängig davon, auf Basis welcher skalenbegrenzten Oberfläche die Kenngrößen abgeleitet wurden und mit welchen Messbedingungen wie z.b. Messauflösung oder Messbereich die Vermessung erfolgte, tragen alle Kenngrößen dieselben Bezeichnungen. Aus diesem Grund ist es besonders essentiell, einmal abgeleitete Kenngrößen nie ohne eine Angabe der Filter- und Messbedingungen darzustellen. Bild 2.4: Übersicht über die 3D-Kenngrößen nach DIN EN ISO [4] Ausgewählte Kenngrößen der einzelnen Gruppen werden nachfolgend beschrieben Höhen- oder Amplitudenkenngrößen Als Grundlage für die Höhenkenngrößen nach DIN EN ISO dienen die etablierten 2D-Rauheitskenngrößen nach DIN EN ISO 4287 [7]. Mit einer Ausnahme stellen die 3D-Kenngrößen auf einfache Weise in die dritte Dimension erweiterte Formulierungen der bekannten 2D-Kenngrößen dar. So ist die Kenngröße S a beispielsweise analog zur Kenngröße R a als das arithmetische Mittel aller erfassten Höhenwerte auf der betrachteten Oberflächentopographie definiert. Algorithmisch entspricht dies einer Erweiterung der Formulierung um ein zweites Integral in lateraler Richtung: R a = 1 l z(x) dx l 0 6/23

8 S a = 1 z(x, y) dxdy A A Eine Besonderheit stellt die Kenngröße S z dar. Sie ist definiert als die maximale Höhendifferenz aller innerhalb einer Oberflächentopographie vorkommender Messwerte. Aufgrund der Kenngrößenbezeichnung wäre es naheliegend einen Vergleich zum R z-wert einer Oberfläche zu ziehen. Zwar entsprechen sich die grundlegenden Definitionen von S z und R z (DIN EN ISO und DIN EN ISO 4287), in der Praxis und gemäß der Anwendungsnorm DIN EN ISO 4288 [8] wird der R z-wert aber als arithmetisches Mittel von 5 Einzelmessstrecken ermittelt. Somit kann die Kenngröße S z eher mit der Kenngröße R t verglichen werden. Eine Übersicht aller Höhenkenngrößen nach DIN EN ISO ist nachfolgend in Tabelle 2.1 aufgelistet. Tabelle 2.1: Höhenkenngrößen nach DIN EN ISO Sp Sv Sz Sa Sq Ssk Sku Maximale Spitzenhöhe der Oberfläche Maximale Talhöhe der Oberfläche Maximale Höhe der Oberfläche Arithmetische mittlere Höhe Durchschnittliche quadratische Höhe der Oberfläche Schiefe der Oberfläche Kurtosis der Oberfläche Raum- und Mischkenngrößen Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Höhenkenngrößen erlauben die Raum- und Mischkenngrößen (Tabelle 2.2 ) eine Aussage über laterale Eigenschaften einer Oberflächentopographie. Grundlage für die Berechnung der Kennwerte sind frequenzbasierte Auswertungsmethoden. Tabelle 2.2: Räumliche Kenngrößen und Mischkenngrößen nach DIN EN ISO Sal Str Std Autokorrelationslänge der Oberfläche Textur-Aussehensverhältnis der Oberfläche Texturrichtung der Oberfläche Die Kenngrößen S al und S tr werden beispielsweise mit Hilfe der Autokorrelationsfunktion ACF berechnet. Mit dieser werden Oberflächen quasi mit sich selbst korreliert, wodurch periodische und gerichtete Strukturanteile hervorgehoben werden. Anhand des Ergebnisses der ACF kann eine Einschätzung über die auf einer 7/23

9 Oberflächentopographie vorhanden Wellenlängen getroffen werden. Zudem kann geprüft werden, ob die gemessene Oberflächenstruktur eine Vorzugsrichtung aufweist und wie hoch deren Grad der Isotropie bzw. Anisotropie ist 6. Das Vorgehen zur Berechnung der Kenngrößen ist nachfolgend schematisch dargestellt, Bild 2.5. Bild 2.5: Verfahren zur Berechnung von S al und S tr nach DIN EN ISO [4] Sofern eine Oberflächenstruktur eine ausgeprägte Vorzugsrichtung aufweist, kann anhand der Kenngröße S td deren Vorzugsrichtung abgeleitet werden. Die Kenngröße S td wird mit Hilfe der Fourier Transformation aus dem spektralen Leistungsdichtespektrum einer Oberflächentopographie berechnet. Sie gibt die angulare Position des Maximums des Winkelspektrums an. Das Vorgehen zur Berechnung der Kenngröße ist nachfolgend exemplarisch anhand einer geschliffenen Oberfläche in Bild 2.6 dargestellt. 6 Anisotrope Oberflächen weisen Str-Werte kleiner 0,5; isotrope Oberflächen Str-Werte größer 0,5 auf. 8/23

10 Bild 2.6: Schematische Darstellung des Verfahrens zur Berechnung von Std Hybridkenngrößen Hybridkenngrößen (Tabelle 2.3) kombinieren laterale Informationen mit vertikalen Informationen der Oberflächentopografie. Die Kenngröße S dq berechnet sich als quadratisches Mittel aller, auf einer Oberfläche vorhandenen, lokalen Gradienten. Die Kenngröße wird daher auch RMS-Gradient genannt. Porige Oberflächen weisen zum Beispiel Strukturen mit hohen Flankensteigungen auf. Dies führt zu einem hohen S dq-wert. Oberflächenstrukturen mit geringen Flankensteigungen weisen dementsprechend geringe S dq-werte auf. Das Verhältnis zwischen der wahren (gemessenen) und der projizierten Oberfläche wird mit der Kenngröße S dr ausgedrückt, siehe Bild 2.7. Zur Berechnung der wahren Oberfläche werden alle Flankenflächen der Topografie addiert. Bei rauen Oberflächen ist die wahre Oberfläche deutlich größer als die projizierte Oberfläche. Bei einer ideal glatten Oberfläche, zum Beispiel bei einer polierten Oberfläche, entspricht die wahre Oberfläche der projizierten Oberfläche. 9/23

11 Tabelle 2.3: Hybridkenngrößen nach DIN EN ISO Sdq Sdr RMS-Gradient der Oberfläche Gestrecktes Aussehensverhältnis der Oberfläche Bild 2.7 Beziehung zwischen wahrer und projizierter Oberfläche Funktionskenngrößen Die meisten 3D-Funktionskenngrößen basieren auf der sogenannten Abbott-Kurve, welche den Materialanteil einer Oberfläche über deren Höhe darstellt (Bild 2.8). Diese Kenngrößen sind an die bekannten zweidimensionalen Kenngrößen nach DIN EN ISO [9] angelehnt, mit dem Unterschied, dass die Materialanteilskurve über die gesamte betrachtete Fläche ermittelt wird. Die Kenngröße S mr (c) gibt den flächenbezogenen Materialanteil über der Schnitthöhe c in % an. Mit der Kenngröße S mc (mr) kann in der umgekehrten Vorgehensweise die Schnitthöhe bei einem definierten Materialanteil beschrieben werden. Analog zu DIN EN ISO werden die S k-funktionskenngrößen aus dem S-förmigen Verlauf der Materialanteilskurve ermittelt. Diese Form der Materialanteilskurve ist zum Beispiel typisch für geschliffene Oberflächen. Andere Oberflächen weisen nicht zwangsläufig einen S-förmigen Verlauf der Materialanteilskurve auf. In diesen Fällen können funktionsbedingt nicht alle Kenngrößen berechnet werden. Neben den S-Kenngrößen sind im Bereich der Funktionskenngrößen auch diverse Volumenkenngrößen definiert. Werden die Höhenwerte einer Oberfläche unterhalb einer definierten Schnitttiefe integriert, ergibt sich das unterhalb der Schnitttiefe liegende Strukturvolumen. In einer kontinuierlich dargestellten Kurve über die Schnitttiefe aufgetragen ergibt sich somit eine der Materialanteilskurve ähnliche Kurve für das Strukturvolumen. Die von der Kurve abgeleiteten Kenngrößen können beispielsweise Aufschluss über die auf einer Oberfläche vorhandenen Öl-Kavitäten geben. 10/23

12 Bild 2.8 Flächenhafte Materialanteilskurve (Abbott-Kurve) nach [4] Tabelle 2.4: Funktionskenngrößen nach DIN EN ISO Smr Smr1 Smr2 Smc Sxp Spk Sk Svk Spq Svq Smq Flächenhafter Materialanteil Oberer Materialanteil Unterer Materialanteil Inverser flächenhafter Materialanteil der Oberfläche Extreme Spitzenhöhe der Oberfläche Reduzierte Spitzenhöhe der Oberfläche Kernhöhe der Oberfläche Reduzierte Talhöhe der Oberfläche Durchschnittliche quadratische Rauheit der Spitzen-Region Durchschnittliche quadratische Rauheit der Tal-Region Materialanteil am Übergangsbereich zwischen Spitzen- und Tal-Region 11/23

13 Vm Vmp Vmc Vv Vvc Vvv Materialvolumen der Oberfläche Materialvolumen der Spitzen der begrenzten Oberfläche Materialvolumen des Kerns der begrenzten Oberfläche Leervolumen der Oberfläche Leervolumen des Kerns der begrenzten Oberfläche Leervolumen der Täler der begrenzten Oberfläche Elementkenngrößen Bei den Elementkenngrößen handelt es sich im Gegensatz zu den bisher vorgestellten Kenngrößen um strukturbasierte Kenngrößen. Dies bedeutet, dass Oberflächen, anders als bisher, im Sinne einzelner Strukturelemente betrachtet werden. Mit Hilfe sogenannter Segmentierungsalgorithmen wird die Oberflächentopographie in einzelne Strukturelemente (Hügel oder Täler) zerlegt, welche dann getrennt voneinander auf bspw. geometrische Merkmale hin untersucht werden. Dieses Vorgehen ermöglicht eine statistische Betrachtung über die Strukturzusammensetzung auf einer Oberfläche oder eine Identifikation von wesentlichen (bspw. der größten oder der kleinsten o.ä.) Strukturen. DIN EN ISO legt als Segmentierungsverfahren für die Elementkenngrößen die Wasserscheidentransformation in Kombination mit einem Reduktionsverfahren nach Wolf fest. Die Oberflächentopographie wird zunächst mittels der Wasserscheidentransformation in Flächenelemente unterteilt, vergl. Bild 2.3. Mit Hilfe des nachgeschalteten Wolf-Verfahrens [10] wird der Grad der Segmentierung gesteuert. Bei geringen WP-Werten 7 (Wolf-Pruning) wird die Oberflächentopographie in viele kleine (unwesentliche) Flächenelemente unterteilt. Höhere WP-Werte führen zu größeren Flächenelementen. Je nachdem ob das Verfahren auf die Oberfläche selbst oder auf die invertierte Oberfläche angewandt wird, werden Hügel oder Täler segmentiert. 7 Der WP-Wert wird prozentual in Abhängigkeit des Sz-Wertes der betrachteten Oberfläche angegeben. 12/23

14 Bild 2.9 Verschiedene Segmentierungsergebnisse einer hartgedrehten Wellenoberfläche in Abhängigkeit des Segmentierungsgrades WP [11] Ausgehend vom Segmentierungsergebnis können verschiedene Kenngrößen berechnet werden: Die sogenannte Fünf-Punkt-Spitzenhöhe S 5p ist beispielsweise die durchschnittliche Höhe der fünf höchsten Hügel, die Fünf-Punkt-Talhöhe S 5v ist dementsprechend die durchschnittliche Höhe der fünf tiefsten Täler. Die Spitzendichte S pd gibt die flächenbezogene Anzahl an Hügeln an. Die Spitzenkrümmung S pc ist als der arithmetische Mittelwert der Hauptkrümmungswerte der Hügel definiert. Darüber hinaus kann mit den Kenngrößen S ha und S da die mittlere Fläche der Hügel bzw. der Täler in einer definierten Höhe angegeben werden. Das mittlere Volumen der Hügel bzw. der Täler wird anhand der Kenngrößen S hv und S dv beschrieben. In Tabelle 2.5 sind die Elementkenngrößen nach DIN EN ISO nochmals aufgelistet. Tabelle 2.5: Elementkenngrößen nach DIN EN ISO S5p S5v S10z Spd Spc Sha Sda Shv Sdv Fünf-Punkt-Spitzenhöhe Fünf-Punkt-Talhöhe Zehn-Punkt-Höhe Spitzendichte der Oberfläche Arithmetischer Mittelwert der Spitzenkrümmung Geschlossene Fläche eines Hügels Geschlossene Fläche eines Tals Geschlossenes Volumen eines Hügels Geschlossenes Volumen eines Tals 13/23

15 2.6 Zeichnungseintragung Die Zeichnungseintragung von 3D-Kenngrößen erfolgt gemäß DIN EN ISO Zur technischen Produktdokumentation werden die bisher gebräuchlichen graphischen Symbole um einen Rhombus ergänzt, siehe Bild Bild 2.10 Entfernung der Form Für eindeutige Angaben einer 3D-Kenngröße ist es nötig neben der Kenngröße und deren Zahlenwert auch weitere Anforderungen, wie z.b. Skalenbegrenzung, Filtertyp, Herstellungsprozess, Bearbeitungszugaben, etc. festzulegen. Die Anforderungen sind dabei gemäß den Positionen in Bild 2.11 anzugeben. Die einzelnen Positionen werden im Folgenden näher beschrieben. Bild 2.11 Normgerechte Positionierung der Anforderungen An Position a wird eine einzelne Anforderung an die Oberflächenbeschaffenheit beschrieben. Dazu werden in folgender Reihenfolge die Art der Spezifikation 8, die Art der skalenbegrenzten Oberfläche (S-F- oder S-L- Oberfläche) und ihre Filtergrenzwellenlängen, die Kenngröße mit ihrem Grenzwert und sonstige Angaben aufgeführt. Die Abkürzungen zur Darstellung des verwendeten Filtertyps und Grenzwellenlängen sind im Anhang E der Norm aufgeführt. 8 Hiermit ist gemeint: Obere Grenze, Untere Grenze, oder Bereichsvorgabe 14/23

16 Die Spezifikationsabschnitte werden mit Schrägstrichen voneinander getrennt. An Position b kann eine zweite Anforderung an die Oberflächenbeschaffenheit, wie für Punkt a bereits beschrieben, aufgeführt werden. An Position c kann eine Angabe über die Ausrichtung des betrachteten Messfeldes im Bezug zum zu vermessenden Bauteil erfolgen. Für die Angabe von Herstellungsanforderungen steht Position d zu Verfügung. Zu diesen Angaben zählen die Herstellungs- und Behandlungsverfahren, Beschichtungen oder weitere Anforderungen an den Herstellungsprozess. An den Position e und f können weitere Angaben zum gewünschten Bearbeitungsverfahren, bspw. die Bearbeitungsrichtung, festgelegt werden, vergl. Bild Bild 2.12: Richtung der Oberflächenrillen In Bild 2.13 ist eine exemplarische Zeichnungseintragung dargestellt. Das Beispiel zeigt eine Oberfläche ohne konkrete Angabe eines Herstellungsverfahrens. Die S-L-Oberfläche ist mit einer Filtergrenzwellenlänge des 15/23

17 S-Filters = 0,008 mm und einer Filtergrenzwellenlänge des L-Filters = 2,5 mm zu filtern. Die mittlere quadratische Höhe der skalenbegrenzten Oberfläche darf einen maximalen Grenzwert von 0,7 µm nicht überschreiten. Bild 2.13 Beispiele für die Angabe von Anforderungen an die flächenhafte Oberflächenbeschaffenheit 3 Oberflächenmessgeräte Nachfolgend werden die am Institut zur Verfügung stehenden optischen Oberflächenmessgeräte beschrieben. 3.1 Keyence Das Keyence VK-9710 ist ein konfokales Laserscanningmikroskop (LSM). Das Messgerat befindet sich zur Schwingungsdämpfung auf einem luftgelagerten Sockel, vergl. Bild 3.1. Auf einem Objekttisch lassen sich Proben in x-/y- und z-richtung positionieren und werden mit einem am Objektivrevolver montierten Objektiv vermessen. Die Oberflächentopographien werden mit einem 408 nm-laser vermessen und können mittels eines weiteren Strahlengangs mit Weißlicht auch in Echtfarben dargestellt werden. Bild 3.1: Keyence VK 9710 Zur Erstellung einer 3D-Topographie von Oberflächen wird das Prinzip der Fokusvariation genutzt, vergl. Bild 3.2. Hier wird beim Messvorgang das Objektiv in Richtung der Probenoberfläche bewegt, dabei durchläuft 16/23

18 die Schärfeebene des Objektivs die Oberfläche des Messbereichs. Von jedem Messpunkt lässt sich ein Intensitätsverlauf aufzeichnen, dessen Maximum Aufschluss über die Höhenlage des Punktes gibt. Die Höhendaten sämtlicher Messpunkte werden zu einer 3D-Topographie zusammengefasst. Bild 3.2: Messprinzip Fokusvariation 3.2 Bruker Beim NPFLEX-LA (Bild 3.3) handelt es sich um ein Weißlichtinterferometer (WLI) des Herstellers Bruker, welches ebenfalls in der Lage ist Oberflächen dreidimensional zu vermessen. Auf einem luftgelagerten Granitsockel befindet sich ein in x-/y-richtung steuerbarer Probentisch mit integrierter Rotationseinheit. Das Messgerät lässt sich in z-richtung auf den richtigen Abstand zur Probe positionieren. 17/23

19 Bild 3.3: Bruker NPFLEX-LA Ein Weißlichtinterferometer funktioniert mithilfe von Lichtinterferenzen. Ein Lichtstrahl wird von einem Strahlteiler in zwei Strahlengänge, den Referenzstrahlengang und den Probenstrahlengang, geteilt. Der Referenzstrahl wird von einem Referenzspiegel - der Probenstrahl von der Probe - reflektiert und zurück in den Strahlteiler geleitet (Bild 3.4). Die Strahlengänge werden anschließend im Strahlteiler zusammengeführt und in den Sensor geleitet. Beim Messvorgang wird das Modul aus Strahlteiler, Referenzstrahlengang und Probenstrahlengang in Richtung Probe bewegt. Dabei ändert sich die Länge des Probenstrahlengangs, folglich variiert die Intensität des Strahls, welcher in den Sensor geleitet wird aufgrund von Interferenzen. Von jedem Messpunkt lässt sich ein Intensitätsverlauf aufzeichnen, welches über das Maximum der einhüllenden Kurve Aufschluss über die Höheninformation gibt (Bild 3.5). 18/23

20 Bild 3.4 Funktionsprinzip eines Interferometers Bild 3.5 Intensitätsverlauf 4 Versuchsdurchführung 4.1 Messen von Oberflächenkennwerten In diesem Praktikum werden zwei gedrehte, eine gehonte und eine einstichgeschliffene Wellenhülse untersucht. Die Vermessung der Oberflächen erfolgt mit den Messgeräten des Institutes. Anhand der Messungen sollen Unterschiede der verschiedenen Oberflächen aber auch der verschiedenen Messprinzipien veranschaulicht und diskutiert werden. Darüber hinaus wird anhand der Auswertung verdeutlicht, welchen Einfluss die Wahl einer Oberflächenkenngröße und das Vorgehen zur Messdatenfilterung auf die Messergebnisse verschieden gefertigter Oberflächen haben. Im Gegensatz zu der Bestimmung von zweidimensionalen Rauheitskenngrößen ist das Vorgehen zur Filterung von dreidimensionalen Messdaten und damit indirekt der Bestimmung von 3D-Rauheitsparametern nicht festgelegt. Daher erfolgt die Erfassung der Messdaten zwar automatisiert, die Filtereinstellungen müssen allerdings manuell vorgenommen werden. Neben den Filtereinstellungen sind einige Dinge bei der Durchführung der Messung zu beachten. Im Folgenden werden diese am Beispiel des Weißlichtinterferometers und der Auswertesoftware MountainsMap erläutert. 1. Oberfläche säubern 19/23

21 Es muss darauf geachtet werden, dass die Oberfläche frei von Schmutz, Partikeln, Ölen und Fetten ist. Gegebenenfalls ist sie mit einem Lösungsmittel zu reinigen. 2. Messeinstellungen vornehmen 3. Optional: Stitchen der Messoberfläche Unter Stitchen wird das Zusammenfügen einzelner Bilder zu einem größeren Bildausschnitt bezeichnet. Das Stitchen der Messoberfläche erfolgt um einen ausreichend großen Oberflächenausschnitt in den Messdaten zu erfassen. Die Größe des für eine Messung benötigten Bildausschnitts hängt von den Wellenlängen der Oberflächengestalt ab. Generell gilt: Je größer die Wellenlängen der Oberflächengestalt, desto größer muss der Bildausschnitt gewählt werden. Für technisch gebräuchliche Oberflächen wird eine Bildgröße von 1,5 x 1,5 mm empfohlen. 4. Messung durchführen Nachdem alle Messeinstellungen vorgenommen sind und der Messbereich definiert wurde, wird die Messung durchgeführt. 5. Auswertung der Messdaten Die Vorstellung der Auswertung erfolgt exemplarisch an Hand der Messdaten einer Messung. 6. Besprechen der Oberflächenanalyse Um Unterschiede der verschieden bearbeiteten Wellen mit Hilfe der 3D-Rauheitskenngrößen zu erörtern, wird auf bereits ausgewertete Messdaten und Kenngrößen zurückgegriffen. Außerdem werden unter anderem die nachfolgend aufgeführten Fragen besprochen. 4.2 Auswertung Welche Unterschiede gibt es bei der Filterung von 2D- und 3D-Oberflächendaten? Sind taktile und optische Oberflächenmessungen direkt miteinander vergleichbar? Worin ist der Vorteil der 3D Oberflächenmesstechnik zu sehen? Was muss bei der Datenaufbereitung beachtet werden? Welche Möglichkeiten gibt es zur Datenaufbereitung? Was versteht man unter Spikes? Welche Nachteile hat die 3D-Oberflächenmesstechnik gegenüber der herkömmlichen taktilen Messtechnik? 20/23

22 5 Normen zur 3D-Oberflächenmesstechnik Tabelle 5.1: Übersicht Normen für die 3D-Rauheitsmessung Bezeichnung Norm Status Indication of surface texture DIN EN ISO Veröffentlicht Terms, definitions and surface texture parameters DIN EN ISO Veröffentlicht Specification operators DIN EN ISO Veröffentlicht Comparison rules DIN EN ISO Geplant Verification operators DIN EN ISO Geplant Classification of methods for measuring surface texture DIN EN ISO Veröffentlicht Physical measurement standards DIN EN ISO Veröffentlicht Software measurement standards DIN EN ISO Veröffentlicht XML file format x3p DIN EN ISO Veröffentlicht Metrological characteristics for areal-topography measuring method Nominal characteristics of contact (stylus) instruments Nominal characteristics of non-contact (confocal chromatic probe) instruments Nominal characteristics of non-contact (phase shifting interferometric microscopy) instruments Nominal characteristics of non-contact (coherence scanning interferometry) instruments Nominal characteristics of non-contact (point autofocus probe) instruments Nominal characteristics of non-contact (focus variation) instruments Nominal characteristics of non-contact (confocal microscopy) instruments Calibration and verification of metrological characteristics of areal-topography measuring instruments Calibration and measurement standards for contact (stylus) instruments DIN EN ISO DIN EN ISO DIN EN ISO DIN EN ISO DIN EN ISO DIN EN ISO DIN EN ISO DIN EN ISO DIN EN ISO DIN EN ISO Geplant Veröffentlicht Veröffentlicht Veröffentlicht Veröffentlicht Veröffentlicht Veröffentlicht Geplant Geplant Veröffentlicht 21/23

23 Overview and basic concepts DIN EN ISO Veröffentlicht Linear profile Filters DIN EN ISO bis 29 Veröffentlicht Robust profile filters DIN EN ISO bis 32 Veröffentlicht Morphological profile filters DIN EN ISO bis 49 Veröffentlicht Linear areal filters DIN EN ISO bis 61 Veröffentlicht Robust areal filters DIN EN ISO Veröffentlicht Morphological areal filters DIN EN ISO Veröffentlicht 6 Literaturverzeichnis: [1] Volk, R.: Rauheitsmessung. Theorie und Praxis, 1. Auflage, Berlin, Wien, Zürich: Beuth, 2005, - ISBN [2] DIN EN ISO : Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Oberflächenbeschaffenheit: Flächenhaft; Teil 2: Begriffe und Oberflächen-Kenngrößen: Beuth, September [3] DIN EN ISO : Geometrische Produnktspezifikation (GPS) - Filterung; Teil 1: Überblick und grundlegende Konzepte: Beuth. November [4] DIN EN ISO : Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Oberflächenbeschaffenheit: Flächenhaft; Teil 2: Begriffe und Oberflächen-Kenngrößen: Beuth, September [5] Stout, K.: The Development of Methods for the Characterisation of Roughness in Three Dimensions. European Report EUR 15178N, Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 1993, - ISBN [6] Blunt, L.; Jiang, X.: Advanced Techniques for Assessment Surface Topography. Development of a Basis for 3D Surface Texture Standards "Surfstand", London: Kogan Page Science, 2003, - ISBN [7] DIN EN ISO 4287: Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren; Bennenung, Definition und Kenngrößen der Oberflächenbeschaffenheit: Beuth. Juli [8] DIN EN ISO 4288: Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren; Regeln und Verfahren für die Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit: Beuth. April [9] DIN EN ISO : Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren; Oberflächen mit plateuartigen funktionsrelevanten Eigenschaften; Teil 2: Beschreibung der Höhe mittels linearer Darstellung der Materialanteilkurve: Beuth. April [10] Wolf, G.: A Fortran Subroutine for Cartographic Generalization. Computers & Geoscience. 1991, 17 (10), S /23

24 [11] Baumann, M.: Abdichtung drallbehafteter Dichtungsgegenlaufflächen - Messung, Analyse, Bewertung und Grenzen. Dissertation 2017, Universität Stuttgart. 23/23

25 Institut für Maschinenelemente Dichtungs- Schienenfahrzeug- Antriebs- Zuverlässigkeitstechnik Wichtige Hinweise zum Aufenthalt in Laboren Selbstschutz: Zum APMB/SF muss diese Einverständniserklärung unterzeichnet mitgebracht werden. Andernfalls ist keine Teilnahme am APMB/SF möglich! Die Labore dürfen nur unter Aufsicht, keinesfalls alleine, betreten werden Im Labor dürfen keine langen, offenen Haare getragen werden Beim Umgang mit Versuchsteile bzw. Prüfständen ist stabile, eng anliegende Kleidung zu tragen die schmutzig werden darf Im Umgang mit Ölen und Lösungsmitteln sind stets Schutzhandschuhe zu tragen Ohne ausdrückliche Erlaubnis dürfen Prüfstände und Messgeräte nicht berührt werden Gefahren: Gefahr durch heiße Oberflächen Oberflächen von Prüfständen, Antrieben und Messgeräten können mitunter mehr als 100 C aufweisen. Da dies nicht ersichtlich ist, ist das Berühren von Aufbauten und Bauteilen im Labor strengstens untersagt! Gefahr durch Quetschen An Riemen, hydraulischen Antrieben, Pressen sowie vielen weiteren Einrichtungen im Labor besteht die Gefahr Extremitäten wie Finger einzuklemmen. Daher gilt: Prüfstände dürfen nicht berührt werden! Gefahr durch heiße Flüssigkeiten und Gase Bei den im Prüffeld durchgeführten Versuchen kann es in seltenen Fällen dazu kommen, dass heiße Gase oder Öle aus den Prüfständen austreten. Daher ist Abstand von allen laufenden Versuchseinrichtungen zu halten! Gefahr durch automatischen Anlauf Prüfläufe werden computergesteuert durchgeführt. Daher sind stehende Prüfstände nicht zwingend abgeschaltet. Daher gilt: Ohne Einwilligung der Aufsichtsperson ist das Berühren der Prüfstände untersagt! Allgemeine Gefahren Die Arbeit sowie der Aufenthalt im Labor ist grundsätzlich als gefährlich einzustufen. Daher ist während der Versuche die volle Aufmerksamkeit gefordert. Hinweise: Sollte der Betreuer während des APMB/SF der Meinung sein, dass die allgemeinen Hinweise zur Sicherheit nicht berücksichtigt oder mutwillig missachtet werden, so kann er der betroffenen Person jederzeit die weitere Teilnahme verweigern. In diesem Fall kann der APMB/SF nicht abgeschlossen werden und das Labor ist unverzüglich zu verlassen. Mit meiner Unterschrift bestätige ich, dass ich die Hinweise gelesen und verstanden habe. Daher werde ich mich an die Sicherheitsvorschriften halten und den Anweisungen der Betreuer Folge leisten. Stuttgart, den Unterschrift: