Oberflächenrauhigkeit in der Fertigung

Einführung

Die Oberflächenrauheit ist ein wichtiger Faktor bei der Herstellung, der die mikroskopischen Abweichungen auf einer Oberfläche beschreibt. Solche Unvollkommenheiten, die in der Regel in Mikrometern (µm) oder Mikrozoll (µin) gemessen werden, können durch Bearbeitung, Gießen, additive Fertigung, Verschleiß oder chemische Reaktionen entstehen. Geringe Abweichungen können dramatische Auswirkungen auf die Leistung, das Aussehen und die Lebensdauer eines einzelnen Bauteils haben. Daher sind die Kontrolle und Messung der Oberflächenrauheit in einer Reihe von Branchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie, der Medizintechnik und der Elektronik von entscheidender Bedeutung.

Was ist Oberflächenrauhigkeit?

Bei derOberflächenrauheit handelt es sich um eine feine Oberflächentextur, z. B. Spitzen, Täler und Wellen. Oberflächenrauheit ist nicht zu verwechseln mit Oberflächenwelligkeit, dem Zustand längerer Unregelmäßigkeiten, oder Formfehlern, Abweichungen von der geplanten Geometrie.

Die Ursachen für die Oberflächenrauheit sind im Wesentlichen auf den Herstellungsprozess zurückzuführen:

- Die spanende Bearbeitung: Mikrorillen entstehen durch den Einsatz von Schneidwerkzeugen; die Rauheit ist abhängig von der Werkzeugschärfe und der Vorschubgeschwindigkeit. Bei einem CNC-gefrästen Aluminiumteil für die Luft- und Raumfahrt ist bei guter Werkzeugqualität ein Ra von 0,2 µm erreichbar, bei gröberen Schnitten mehr als 1,6 µm Ra.

- Gießen: Die Oberflächentextur hängt von der Erstarrungsrate und dem Formmaterial ab; Aluminiumdruckgussteile haben im Allgemeinen eine Ra von 1-3 µm.

- Additive Fertigung: Stufenförmige Strukturen werden durch Schichtdruck erzeugt; beim nachbearbeitungsfreien selektiven Laserschmelzen (SLM) von Edelstahl können Ra-Werte bis zu 10 µm erreicht werden.

Für die Messung der Oberflächenrauheit stehen berührende und berührungslose Verfahren zur Verfügung, deren Informationen sowohl für die Qualitätskontrolle als auch für die Validierung der Leistung entscheidend sind.

Warum ist die Oberflächenrauhigkeit wichtig?

Die Oberflächenrauhigkeit hat einen direkten Einfluss auf:

- Funktionelle Leistung: Die unebene Oberfläche erzeugt Reibung und Verschleiß. So kann beispielsweise bei Kolbenringen in Autos ein Ra-Wert von mehr als 0,8 µm die Reibung erhöhen, was den Wirkungsgrad des Motors um bis zu 2-3 % verringert. Umgekehrt verbessert eine gute Oberflächengüte (Ra ~0,2-0,4 µm) die Schmierfähigkeit und erhöht die Lebensdauer der Bauteile.

- Ästhetische Qualität: Hochpreisige Produkte der Unterhaltungselektronik erfordern Oberflächen mit einem Ra von weniger als 0,1 µm für ein glattes, hochwertiges Aussehen.

- Festigkeit: Oberflächenrauhigkeit kann als Spannungskonzentrator dienen und Ermüdungsrisse verursachen. Bei Turbinenschaufeln für die Luft- und Raumfahrt hat sich gezeigt, dass die Aufrechterhaltung einer Oberflächenrauheit von Ra ≤ 0,5 µm die Ermüdungslebensdauer unter zyklischen Belastungsbedingungen um mehr als 15 % erhöht.

Methoden zur Messung der Oberflächenrauhigkeit

Kontakt-Methoden

1. Profilometer: Ein Taststift mit einer Diamantspitze tastet die Oberfläche ab und zeichnet Abweichungen auf. Sehr genaue Profilometer können Ra-Werte von nur 0,01 µm messen und eignen sich für Präzisions-Halbleiter- und Metallteile.

2. Taktile Messgeräte: Berührungsmessgeräte liefern schnelle Messwerte für routinemäßige Qualitätskontrollprüfungen, z. B. um zu überprüfen, ob ein geformtes Kunststoffteil die Spezifikation von Ra < 1 µm erfüllt.

Berührungslose Methoden

1. Optische Profilometrie: Verwenden Sie Interferometrie oder konfokale Mikroskopie, um Oberflächen berührungslos zu messen, optimal für weiche oder empfindliche Materialien wie Dünnfilmbeschichtungen oder medizinische Implantate.

2. Laser-Scanning: Schnelle Laser scannen die Topographie großer Oberflächen, optimal für Luft- und Raumfahrtplatten, bei denen die Gleichmäßigkeit von Ra auf gekrümmten Oberflächen wichtig ist.

Einflüsse auf die Messung der Oberflächenrauhigkeit

Die Genauigkeit der Messung hängt von mehreren Faktoren ab:

- Oberflächenmaterial: Duktile Metalle verformen sich bei Berührung und verfälschen die Ergebnisse; Aluminium, Titan und Edelstahl erfordern unterschiedliche Tastereinsatzkräfte.

- Messumgebung: Temperaturschwankungen, Vibrationen und Beleuchtungsstärken können die Messwerte verfälschen. In Präzisionslabors werden die Messungen bei 20 ± 1 °C durchgeführt, um Wärmeausdehnungseffekte auszuschließen.

- Gerätekalibrierung: Profilometer und optische Abtaster müssen anhand von akkreditierten Rauheitsnormalen kalibriert werden, meist pro Messvorgang, um Wiederholbarkeit zu gewährleisten.

Anwendungen der Oberflächenrauhigkeitsmessung

Weitere Informationen finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Standardmaßeinheit für die Oberflächenrauhigkeit?

Mikrometer (µm) oder Mikrozoll (µin).

Warum ist die Oberflächenrauhigkeit in der Fertigung so wichtig?

Sie wirkt sich auf Leistung, Haltbarkeit und Aussehen aus und stellt sicher, dass die Komponenten den Design- und Funktionsspezifikationen entsprechen.

Kann die Oberflächenrauhigkeit nach der Produktion verbessert werden?

Ja - durch Schleifen, Polieren, Läppen oder Beschichten, um die Oberfläche je nach Bedarf zu veredeln.

Was ist der Unterschied zwischen Ra und Rz?

Ra ist ein Mittelwert der Rauheitsmessung, während Rz die durchschnittliche Höhe von Spitze zu Tal entlang einer Abtastlänge ist und ergänzende Daten darstellt.

Wann sollten die Geräte kalibriert werden?

Die Kalibrierung erfolgt vor dem Einsatz oder bei Bedarf unter Verwendung zertifizierter Rauheitsnormale, um die Genauigkeit zu gewährleisten.