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3D-Oberflächen-Messtechnik

Die ISO-Norm 25178 über flächenbezogene 3D-Oberflächenbeschaffenheit
3D-Oberflächen-Messtechnik

Die Veröffentlichung der ISO-Norm 25178 im Jahr 2007 bedeutet einen Wendepunkt für die Oberflächenmesstechnik. Ab jetzt können 3D-Oberflächen mit Standard-Parametern charakterisiert werden, womit ein besseres Verständnis der Phänomene im Bezug auf Mikro- und Nano-Geometrie ermöglicht wird. Neue Parameter und neue Berechnungsmethoden bringen zahlreiche Veränderungen mit sich. François Blateyron, Leiter der R&D-Abteilung bei Digital Surf, hat an der Ausarbeitung der neuen Norm mitgearbeitet. Hier fasst er die wichtigsten Punkte zusammen.

François Blateyron Digital Surf

Herkömmliche Verfahren zum Messen der Oberflächenbeschaffenheit mit 2D-Profilometern weisen Beschränkungen auf. Bei isotropen Oberflächen mit gleichen Eigenschaften in mehrere Messrichtungen werden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Auch bei einigen anisotropen Oberflächen kann gemäß ISO 4288 so verfahren werden (zum Beispiel bei durch Drehbearbeitung hergestellten Oberflächen mit repräsentativen Profilen, die im rechten Winkel zu den Werkzeugbearbeitungsspuren stehen). Es handelt sich hierbei allerdings nicht um eine allgemein einsetzbare Lösung.
Heutzutage werden 3D-Profilometer, Weißlicht-Interferometer und Mikroskope zur Analyse aller Arten von Oberflächen und zur Charakterisierung schwer auffindbarer lokaler Defekte eingesetzt (zum Beispiel Beulen, Krater, Späne), und um funktionale Eigenschaften besser zu verstehen.
Ursprünglich schlugen Hersteller von Messinstrumenten die Benutzung ungenormter 3D-Parameter vor, die aus 2D-Parametern abgeleitet wurden.
Von Birmingham nach Cancún
Erst in den 90er Jahren wurde mit Normungsarbeiten begonnen. Von 1990 bis 1993 lief ein europäisches Programm unter Leitung von Professor Stout, das zur Veröffentlichung eines Blaubuchs mit den „Birmingham 14“-Parametern führte.
Die für Normen zur Oberflächenbeschaffenheit zuständigen ISO-Kommissionen TC57 und TC213 initiierten das Surfstand-Programm, ein zweites europäisches Programm, um die Stabilität der 3D-Parameter und deren Korrelation mit den in der Industrie benutzten funktionalen Charakteristiken zu gewährleisten. Das Surfstand-Programm lief von 1998 bis 2001 und führte zur Veröffentlichung des „Grünbuchs“.
2002 wurde der Surfstand-Bericht an die ISO-Kommission TC213 in Madrid eingereicht. Die Kommission sprach sich für die Gründung einer neuen Arbeitsgemeinschaft WG16 aus, und übertrug dieser die Verantwortung für die neue Norm über flächenbezogene 3D-Oberflächenbeschaffenheit. Die Arbeitsgemeinschaft tagte erstmals im Januar 2003 in Cancún, und arbeitete 3 Jahre lang an der Definition der neuen Norm ISO 25178.
Die neuen ISO 3D-Parameter
Zukünftig werden Oberflächenbeschaffenheits-Parameter zuerst für 3D definiert und danach an 2D als Spezialfall angepasst. Eine schlüssige Reihe von Definitionen mit klaren mathematischen Grundlagen wird die abgeleiteten Konzepte ersetzen.
Die neuen Parameter beginnen mit einem großen S (oder V für einige Funktions-Parameter). Zahlreiche Filter können jetzt vor der Parameter-Berechnung (wie z. B. Sa angewendet werden, und deswegen haben 3D-Parameter (im Gegensatz zu 2D-Parametern) keine Vorsilben, die zwischen ungefilterten, Rauheits- und Welligkeits-Komponenten unterscheidet.
Parameter
Amplituden-Parameter
3D-Amplituden-Parameter beschreiben die Amplituden- oder Höhen-Verteilung.
Materialanteil-Parameter
3D-Materialanteil-Parameter werden zur Berechnung des Materialanteils und des Höhenunterschieds zwischen zwei Materialanteil-Schnittebenen herangezogen.
Spektralanalyse und dazugehörige Parameter
Isotrope Oberflächen können mit Hilfe der Fourier-Transform und der Autokorrelations-Funktion von anisotropen Oberflächen unterschieden werden.
Die Autokorrelations-Funktion liefert ein Bild mit einer zentralen Spitze (und manchmal zusätzlichen Spitzen). Das Verhältnis Rmin/Rmax des größten und kleinsten Radius der zentralen Spitze (die man durch Schnittebenen erhält) ist ein guter Indikator für Isotropie. Daraus kann der Str-Parameter (das Textur-Aussehens-Verhältnis der Oberfläche) in der neuen Norm berechnet werden. Bei einer gänzlich isotropen Oberfläche ist Str = 1.
In der neuen Norm entspricht Rmin dem Parameter Sal (Autokorrelations-Länge), in Mikrometern.
Der Parameter Std (Texturrichtung der Oberfläche), in Grad, entspricht dem Winkel des Maximums des Polarspektrums.
Funktions-Parameter
Die funktionale Charakterisierung der 3D-Oberflächenbeschaffenheit ist von grundlegender Bedeutung für tribologische Studien mechanischer Oberflächen, die in Kontakt mit anderen Oberflächen sind, insbesondere in der Automobil-Industrie.
Die Definition der neuen Funktions-Parameter bezieht sich, genauso wie vorher die Funktions-Größen und die Familie der Sk-Parameter, auf die Abbott-Kurve und zwei Materialanteil-Schnittebenen. Sie werden in Volumeneinheit pro Oberflächeneinheit (ml/m² oder mm3/mm²) ausgedrückt.
Topologische Charakterisierung der Oberflächenmotive
Die grafische Analyse von Motiven in 2D, die in den 70er Jahren von französischen Ingenieuren entwickelt wurde, wurde mit Erfolg dazu benutzt, Beziehungen zwischen der Lage von Spitzen und Tälern und funktionalen Anforderungen herauszufinden. Sie wurde 1996 in die ISO-Norm 12085 aufgenommen. In der zukünftigen ISO-Norm werden zwei Algorithmen – Watershed-Segmentierung und Wolfpruning – eingesetzt, um die Oberfläche in Segmente aufzuteilen und um bedeutsame Spitzen und Täler aufzufinden. Diese Algorithmen werden für die Berechnung der topologischen Parameter Spd und Spc verwendet.
Die neue Norm beinhaltet weitere Parameter zur Quantifizierung von 3D-Motiven, die durch Segmentierung aufgefunden wurden. Diese Parameter lassen neue Horizonte auf dem Gebiet der Charakterisierung von funktionalen Oberflächen erahnen. In Zukunft wird die Segmentierung von Oberflächen wahrscheinlich zu einem der wichtigsten Hilfswerkzeuge für die Charakterisierung von 3D-Oberflächenbeschaffenheit werden.
Zusammenfassung
Die in der ISO-Norm 25178 beschriebenen Funktionalitäten müssen jetzt der Wissenschaft und der Industrie zur Verfügung gestellt werden. Die MountainsMap-Software von Digital Surf verfügt bereits über diese Funktionalitäten.
Digital Surf, Besançon, Frankreich
QE 515
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