Die Oberfläche fest im Griff

M.Sc. Dipl.-Ing. Wolfgang P. Weinhold, Innowep GmbH, Würzburg

Bis jetzt war es notwendig, jeweils ein einzelnes Prüfgerät für die konkrete Eigenschaften wie:

– Oberflächenmikrohärte,

– kontinuierliche Härte,

– Elastizitätsverlauf,

– permanente Verformung,

– Kratzfestigkeit,

– Rillbarkeit,

– Schneidfestigkeit,

– Relaxationsverhalten,

– Prüfung der Schichtdicke,

– Rauheit,

– Abriebsverhalten,

– Haptikeigenschaften

einzusetzen. Dies ist nicht nur kostspielig, sondern auch sehr zeitaufwendig.

Die Bestimmung der Oberflächenmikrohärte, der kontinuierlichen Härte, Elastizitätsverlauf an der Oberfläche, Aussagen über permanente und punktuelle Verformung wie auch die Kratzfestigkeit, Rillbarkeit (auch Schreibfestigkeit genannt), Schneidfestigkeit, das Relaxationsverhalten, die Prüfung der Schichtdicke, Rauheit, das Abriebsverhalten sowie die Haptikeigenschaften der Oberfläche können nunmehr mit einem einzigen Gerät, dem Universal Surface Tester – UST, geprüft bzw. ermittelt werden.

Dieses neue UST (Universal Surface Tester) Prüfgerät bewertet und prüft die Oberflächen- und Werkstoffeigenschaften und gibt alle üblichen Werkstoff- und Funktionseigenschaften der Oberfläche in Kennzahlen wieder.

Der Abrieb und Verschleiß an Oberflächen ist sowohl für homogene Materialien wie auch für beschichtete, lackierte und bedruckte Oberflächen von allergrößter Bedeutung.

Diskrete Werkstoff- und Funktionseigenschaften von Oberflächen sind für die Entwicklung und Forschung als auch die Qualitätssicherung und Wareneingangskontrolle wichtig, denn durch diese Oberflächeneigenschaften wird die Langlebigkeit eines Produktes und damit direkt verbunden die Wertigkeit bestimmt.

Der Universal Surface Tester führt nicht nur für die einzelnen Fragestellungen die Messung bzw.Prüfung durch, sondern gibt auch konkrete Kennzahlen an. Besonders dieser Umstand war bis dato bei vielen Oberflächenprüfungen nicht Bestandteil, vielmehr mußte z. B. nach einem Kratzversuch eine visuelle und somit subjektive Bewertung erfolgen, was wiederum zu Unstimmigkeiten im Zusammenspiel zwischen dem Hersteller und Abnehmer führte. Die Anwendung des Universal Surface Tester ist nicht nur auf Lacke, Beschichtungen und Bedruckungen beschränkt. Vielmehr werden hiermit auch Metalle, Kunststoffe, Textilien, Kautschuk und in der Medizin z. B. Knochenmaterial exakt vermessen und klassifiziert. Bei dem Universal Surface Tester handelt es sich daher um ein Universalprüfgerät, das auf die speziellen Erfordernisse der Oberflächen- und oberflächennahen Materialprüfung und Bewertung ausgelegt ist.

Beim UST(-Verfahren wird eine Material-oberfläche entlang einer Geraden in mehreren Schritten mechanisch abgetastet. Die Tastspitze wird dabei nahezu lastfrei bzw. mit einer definierten Last über die Oberfläche bewegt.

Schritt 1:

Eine Tastspitze fährt entlang einer festgelegten Bahn die Materialoberfläche ab. Dabei wird kontinuierlich die vertikale Auslenkung und somit das Höhenprofil ermittelt. (Abb. 1 links)

Schritt 2:

Die gleiche Bahn wird nun mit derselben Prüfspitze und einer zusätzlichen definierten Last nochmals abgetastet. Das so ermittelte Höhenprofil stellt die lokale Gesamtverformung dar. Abb. 1 Mitte)

Schritt 3:

Im letzten Schritt erfolgt die Abtastung wieder mit der voreingestellten Grundlast. Der elastische Teil der Gesamtverformung ist nun zurückgestellt, das Höhenprofil wird nur noch von der bleibenden Verformung bestimmt. (Abb.1 rechts)

Aus den Differenzen zwischen den gemessenen Oberflächenprofilen wird auf die erfolgten Oberflächenverformungen geschlossen.

Gesamtverformung = Schritt 1 – Schritt 2

elastische Verformung = Schritt 3 – Schritt 2

plastische Verformung = Schritt 1 – Schritt 3

Das UST(-Gerät setzt sich aus Messeinheit und Steuereinheit zusammen.

Messeinheit:

Die Meßeinheit (Abb. 2) besteht aus

– Grundplattel Lineartisch (x-Richtung)l Verfahreinheit ( X-Y-Tisch)l Meßtasterl Stativ

Messtaster:

Der Messtaster ist das Herzstück der Anlage. Mit der hier je nach Anwendung angebrachten Tastspitze wird die Werkstoffoberfläche abgetastet. Diese kann vom Benutzer leicht ausgewechselt werden. So kann immer eine auf Material und Messaufgabe optimierte Spitze verwendet werden.

Die Mechanik im Messtaster ist in der Lage, eine definierte Last auf die Tastspitze zu legen. Die Last wird mit einem Servoantrieb eingestellt. Der Benutzer kann mittels Software die Last einstellen.

Die Vertikalauslenkung der Tastspitze wird im Messtaster erfaßt und als Messsignal an das Steuergerät weitergegeben.

Bedien- und Auswertesoftware:

Die benutzerfreundliche WINDOWS-Oberfläche erleichtert die Bedienung und verkürzt die Einarbeitungszeit.

Das System ist so gestaltet, daß alle Einstell- und Steuereingaben über eine Bildschirmmaske erfolgen. So kann der Bediener ständig den Überblick über das Gerät behalten.

Hier erfolgt die Einstellung aller Messparameter und die Steuerung des Messablaufs.

Im Anschluß an die Messung werden die abgetasteten Oberflächenprofile und die berechneten Verformungen als Grafik und als Kennwert mit statistischer Auswertung angegeben.

Die Software ermöglicht über diverse Zoomfunktionen eine neue Dimension der Oberflächenanalyse.

Während einer UST-Standardmessung wird die Oberfläche entlang derselben Linie dreimal abgetastet (vgl. Abschnitt UST-Verfahren). Die Last während der ersten und der dritten Messung beträgt 0,7mN, die Last während der zweiten Messung kann frei gewählt werden. Für eine Standardmessung müssen die folgenden Parameter eingestellt werden:

Startposition: x-Position des Tisches, an der die Messdatenerfassung beginnen soll.

Endposition: x-Position des Tisches, bis zu der die Datenerfassung laufen soll. In der Regel sollte die Startposition kleiner als die Endposition gewählt werden.

Vor- und Nachspann: Wird ein Wert größer Null gewählt, so wird zusätzlich zur eigentlichen Messstrecke diese Distanz zur Start- und Endposition addiert.

Bsp: Startposition = 0 mm, Endposition = 1 mm, Vor- und Nachspann = 0,5 mm. Der Tisch fährt nun während einer Messung von der Position –0,5 mm bis zur Position 1,5 mm.

Geschwindigkeit: Verfahrgeschwindigkeit des Tisches während der Messung.

Messabstand: Abstand zwischen zwei Mess-punkten. Der kleinste Wert beträgt 0,8 µm.

Last: Die Kraft, die während der zweiten Messung auf die Tastspitze wirkt. Sie ist frei wählbar zwischen 0,7 mN und dem von der Tastspitze abhängenden Maximalwert.

Taster: Zu Dokumentationszwecken wird aus diesem Pulldownmenü die montierte Tastspitze gewählt.

Die Statistik in der linken unteren Ecke zeigt den Mittelwert und die Standardabweichung der permanenten, der elastischen und der gesamten Verformung des aktuellen x-Bereichs des Diagramms an.

Für die punktuelle Oberflächenprüfung wird die Oberfläche ohne Last mit dem Taster angefahren und dabei das Höhensignal kontinuierlich aufgezeichnet. Als nächster Schritt wird eine Zusatzlast, eine Zeit t, die wie die Last frei wählbar ist, aufgebracht und die Verformung kontinuierlich aufgezeichnet. Als weiterer Schritt erfolgt die Entlastung wiederum bei kontinuierlicher Aufzeichnung der Verformungsänderung gegen die Zeit.

Mit der punktweisen Prüfung können Universal- und Mikrohärteprüfungen auch nach DIN ISO bei geeigneter Tasterwahl durchgeführt werden. Recovery und Relaxation kann ebenfalls mit der punktweisen Prüfung dokumentiert und ausgewertet werden. Die Software verfügt auch hierfür über eine einseitige vollständige Dokumentation (Abb. 4).

Der UST-Kratztest läuft genauso ab wie eine Standardmessung.

Die Oberfläche wird ebenfalls dreimal abgetastet, die Last während der ersten und der dritten Messung beträgt wiederum 0,7mN. Während der zweiten Messung dagegen kann die Kraft schrittweise zwischen einer Start- und Endlast erhöht werden.

Für einen Kratz- bzw. Rilltest müssen die folgenden Parameter eingestellt werden:

Startposition: x-Position des Tisches, an der die Messdatenerfassung beginnen soll.

Messstrecke: Länge der Messung, während der die Datenerfassung laufen soll. Der Tisch verfährt bei diesem Messmodus immer von hinten nach vorne.

Vor- und Nachspann: Wird ein Wert größer Null gewählt, so wird zusätzlich zur eigentlichen Messstrecke diese Distanz zur Start- und Endposition addiert.

Geschwindigkeit: Verfahrgeschwindigkeit des Tisches während der Messung.

Messabstand: Abstand zwischen zwei Messpunkten. Der kleinste Wert beträgt 0,8 µm.

Startlast: Die Kraft, die zu Beginn der zweiten Messung auf die Tastspitze wirkt. Sie ist frei wählbar zwischen 0,7 mN und dem von der Tastspitze abhängenden Maximalwert.

Endlast: Die Kraft, die beim Ende der zweiten Messung auf die Tastspitze wirkt.

Schritte: Anzahl der Intervalle, in die die Messstrecke unterteilt wird.

Bsp: Messstrecke = 8 mm, Startlast = 10 mN, Endlast = 40 mN, Schritte = 4; während der ersten 2 mm liegt eine Last von 10 mN an, während der nächsten 2 mm eine Last von 20 mN, dann 2 mm lang eine Last von 30 mN und während der letzten 2 mm eine Last von 40 mN.

Taster: Zu Dokumentationszwecken wird aus diesem Pulldownmenü die montierte Tastspitze gewählt und dadurch auch der jeweilige, dazugehörende Kalibrierdatensatz aktiviert.

Die Statistik in der linken unteren Ecke zeigt den Mittelwert und die Standardabweichung der permanenten, der elastischen und der gesamten Verformung des aktuellen x-Bereichs des Diagramms an Abb. 5).

Auch die Abriebs- und Verschleißmessung erfolgt genauso wie eine Standardmessung. Die Oberfläche wird als erster und als letzter Schritt jeweils mit 0,7 mN abgetastet.

Beim zweiten Messschritt kann die Zahl der Abriebszyklen frei eingegeben werden.

Die Tast- bzw. Abriebskörpergeometrie kann frei gewählt werden und somit auch einen realitätsnahen Abrieb simulieren.

Das Messergebnis ergibt sich aus der Höhendifferenz der ersten und der letzten Messung. Diese Höhendifferenz entspricht dem Materialabtrag in (m bedingt durch den mehrmaligen Abriebs- bzw. Verschleißvorgang.

Die Geschwindigkeit, bei der der Abrieb und Verschleiß erfolgt kann zwischen 0 und 250 mm pro Sekunde je nach Verfahrmodul frei gewählt werden.

Eine weitere Möglichkeit ergibt sich bei der Anwendung des UST-Gerätes z. B. bei der Analyse von mehrfach beschichteten Lack- bzw. Schichtaufbauten.

Hierzu wird in die Oberfläche eine Kalottenbohrung bis zum Trägermaterial eingebracht. Als nächster Schritt wird die Oberfläche nun nach dem MISTAN-Verfahren vermessen.

Als Ergebnis erhält man den Verlauf von Härte, Elastizität und permanente Verformung, nicht nur für die einzelnen Schichten, sondern auch für die Übergangsbereiche und aufgrund der hohen Auflösungsgenauigkeit können auch die echten einzelnen Lack- bzw. Schichtstärken vermessen werden.

Durch eine normgerechte Geometriewahl des Messtasters kann auch die Höhenrauheits- und Strukturmessung nach DIN und ISO durchgeführt werden. Die Abriebskraft kann gemäß Norm z. B. auf 15 mN eingestellt werden. Ein Vorteil dieser Methode ist es jedoch, dass die Oberfläche auch bei wesentlich geringeren Lasten wie z. B. von 0,5 mN mechanisch abgetastet werden kann, so dass man auch bei weichem Material wie z. B. Kunststoffen oder Softlacken das wahre Oberflächenprofil erhält und nicht wie mit üblichen Rauheitsmessgeräten während der Messung bereits eine Oberflächenrillung produziert.

Technische Daten des UST-Gerätes:

Alle Angaben beziehen sich auf die Standard-Version von UST (Sonderversionen oder auf Kundenwunsch geänderte Geräteversionen können andere Daten aufweisen).

– Lastbereich: 1…100mN vorwählbar, andere Bereiche auf Anfrage

– Verfahrbereich: X: ca. 50mm (motorgesteuerte Achse), Auflösung: ca. 1µm – 100µm (vorwählbar)Y: 25mm (manuell einstellbar)

– Messbereich:Z: 250µm, Auflösung: 60nm (ab Werk größerer Messbereich/Auflösung erhältlich – max. 2mm)

– Abmessung Messtisch:ca. 300 x 30 x 450mm (b x h x t)ca. 300 x 100 x 450mm (mit Positioniertisch)ca. 300 x 400 x 450mm (mit Stativ und Dämpfungselementen)

– Gewicht Messtisch: ca. 45kg

– Abmessung Steuereinheit: ca. 180 x 430 x 430mm (b x h x t)

– Stromversorgung: 230V, 50Hzandere Spannung auf Anfrage

– Lagertemperatur: -40°C bis + 50°C

– Betriebstemperatur: +10°C bis + 40°C

Mit dem UST-Gerät ist es nunmehr erstmals möglich schnell Werkstoffdaten, Funktionalverhalten, Rauheiten und Schichtaufbau zu prüfen und gleichzeitig auch die Auswertung in Kennzahlen und Grafiken als komplettes Versuchsprotokoll zu erhalten.

Weitere Informationen A QE 501