Die Oberfläche sensorisch im Griff

Prof. Dr. rer. nat. R. Stengler, Fachhochschule Darmstadt Wolfgang P. Weinhold, Andreas Wortmann, Innowep GmbH, Würzburg

Mit dem Universal Surface Tester (UST) steht ein Gerät zur Verfügung, dessen offenes Gerätekonzept dem Wunsch vieler Anwender Rechnung trägt, durch Nachrüstung funktioneller Erweiterungsmodule ein Gerät maßgeschneidert an die tatsächlichen Prüfanforderungen anpassen zu können.

Das Gerät kann für folgende Messaufgaben ausgerüstet werden:

– Haptik (Berührungsempfinden)

– elasto-mechanische Oberflächen-Beurteilung (elastischer und plastischer Verformungsanteil, Kriechen, Dämpfung, dynamische Härte)

– Verschleißresistenz (zyklischer Abrieb, 2-Körper-Abrasion)

– Kratz-Test (Schädigung bei Lasterhöhung)

– Topographiemessung (Rauhigkeit)

– Tribologie (Mikroreibung)

– Schichtdickenbestimmung

Der Lieferumfang an UST-Zusatzmodulen wird fortgesetzt erweitert, um diversen praktischen Prüfungsanforderungen auf hohem analytischen Niveau zu begegnen.

Die Fragestellung der Haptik (wie fühlt sich die Oberfläche an) erfreut sich als subjektive Wertempfindung von Oberflächen derzeit einer rapide wachsenden Aufmerksamkeit. So erwartet der Kunde beispielsweise bei Taschentüchern oder auch bei der Innenausstattung eines Automobils eine ansprechende Softness und Haptik. Eine exakte Bewertung ermöglichen Kombinations-Messverfahren, bei denen topographische Merkmale und elasto-mechanisches Verhalten ermittelt werden.

Beim patentierten MISTAN (micro-structure analysis)-Verfahren können dynamisch die elastisch/plastischen Verformungsanteile von Oberflächen durch ein Scantriple bestimmt werden (Abbildung 1): Dazu wird eine unter frei definierbarer Last stehende Tastspitze entlang einer Geraden über die Oberfläche gezogen, deren Höhenprofil zuvor unter „Nullast“ ermittelt wurde. Die vertikale Absenkung der Tastgeometrie wird dabei mit einer Auflösung im Submikrometerbereich ermittelt. Nach einem dritten Scan, der wiederum lastfrei erfolgt, können dann reversibel-elastische und remanent-plastische Verformungsanteile entlang der Linie (bei Flächen-Scans die einer Fläche) berechnet und graphisch dargestellt werden. Aufgrund des großen Arbeitsbereichs werden auch Untersuchungen an genarbten (dekorativ strukturierten) Oberflächen möglich [1]. Herkömmliche Prüfmethoden versagen bei derartigen Oberflächen [2]. Abbildung 2 zeigt Untersuchungen, die an einer genarbten Kunststoffoberfläche durchgeführt wurden.

Neben flächenhafter Analyse können zur Bestimmung des Relaxation- und Recovery-Verhaltens und zur Darstellungen des Kriechverhaltens mit dem UST auch Punktmessungen durchgeführt werden. Abbildung 3 gibt exemplarisch das zeitlich aufgelöste Fließ- und Recovery-Verhalten einer mit einem sphärischen Gegenkörper belasteten Lackoberfläche wieder. Sowohl Last als auch Gegenkörper können an spezielle Fragestellungen angepasst werden.

Ebenfalls punktuell bestimmt werden kann das kinetische Adsorptionsvermögen von Oberflächen. Berechnet werden dazu die Dämpfungskonstante, Dämpfungsdekremente und die Schwingungsfrequenz.

Weitere mit dem UST analysierbare mechanische Kennwerte sind die Universal (HU)- und Mikrohärte nach DIN ISO. Die Eindringdynamik des Prüfkörpers wird dabei mit Nanometer-Genauigkeit aufgezeichnet und dargestellt. Das Auswechseln der Prüfkörper erweist sich als besonders anwenderfreundlich.

Beim Kratztest wird ein Gegenkörper unter sukzessiver Lasterhöhung über die Testoberfläche gezogen. Bei Anwendung des MISTAN-Verfahrens können dann exakte Aussagen über die Bindungsverhältnisse des Materials getroffen werden.

Untersucht wird hier der Materialabrieb, den ein Gegenkörper nach jedem Reibzyklus auf einer Oberfläche erzeugt. Neben Last, Reibstrecke und Zyklenzahl kann auch die Verfahrgeschwindigkeit einfach über ein Windowsmenü spezifiziert werden.

Interessante Einsatzbereiche ergeben sich für dieses neu entwickelte Modul, mit dem es möglich wird, reproduzierbar eine Kenngröße für die abrasive Verschleißfestigkeit zu ermitteln. Relevanz besitzt dies beispielsweise für Entwicklungsaufgaben der Lackierindustrie, für Lohnbeschichter im Bereich der Qualitätsprüfung und allgemein für Fragestellungen, in denen die Abriebsneigung tribologisch belasteter Oberflächen untersucht werden soll. Anders als bei anderen Verfahren können hier Kenngrößen extrem kleiner Untersuchungsflächen (kleiner 1 mm2) bei Analysetiefen herunter zu etwa 100 Nanometer ermittelt werden. In einem 2-Körper-Abrasivprozeß werden dazu in die Oberfläche kleine Schädigungen „geschliffen„, deren Volumenzunahme in-situ gemessen wird. Aus den im Submikrometermaßstab vermessenen Schädigungen kann reproduzierbar eine Kenngröße für die abrasive Verschleißfestigkeit ermittelt werden.

Das UST ermöglicht grundsätzlich eine profilometrische Bestimmung von Oberflächenparametern nach DIN ISO 4768, beispielsweise der Rauheitskennzahl Ra, Rq und Rz. Es stehen für die jeweilige Messaufgabe Taster mit unterschiedlichen Spitzenradien zur Verfügung. Durch Anpassung der Auflagelast kann bei profilometrischer Abtastung die schädigende Wechselwirkung mit der Probentopographie minimiert werden.

Darüber hinaus wurde ein optisches Abtastmodul entwickelt, wie es sich beispielsweise für rasche Topographiebestimmung mechanisch empfindlicher Oberflächen als vorteilhaft erweist.

Das Topographiemodul besteht aus dem aktuellsten Triangulations-Sensor und einem neuartigen, hochdynamischen Piezodrive-Proben-Positioniersystem.

Zur Untersuchung von Reibkräften, wie sie beispielsweise als Schnittkräfte oder allgemein in tribologischen Gegenkörperpaarungen auftreten, steht ein Reibmeß-Modul zur Verfügung, mit dem Reibkräfte bis in den Mikro-Newtonbereich ohne Proben-Auslenkungsfehler detektiert werden können. Die freie Wahl der Gegenkörperbeschaffenheit ermöglicht Tests an nahezu allen technisch und tribologisch relevanten Werkstoffpaarungen. Alle Testprozeduren, Ermittlung von Kennzahlen und graphische Visualisierungen erfolgen vollautomatisch. Die Prüfparameter können durch eine intuitive Benutzeroberfläche spezifiziert werden. Die Funktionsmodule der Windows-kompatiblen Software werden den Wünschen des Anwenders entsprechend zusammengestellt. Das Gegenkörpersortiment umfaßt alle technisch relevanten Geometrien (Berkovich-, sphärische , Pyramiden- und Kegel-Geometrie unterschiedlicher Spitzenradien und Flankenwinkel). Damit steht im Bereich Oberflächentechnik für F+E sowie Qualitätssicherung und Wareneingangskontrolle ein flexibel an zahlreiche Prüfaufgaben adaptierbares Messgerät zur Verfügung.

Literatur:

[1] Weinhold, W. P.: Abrieb simulieren und messen; Plastverarbeiter 51. Jahrg. (2000) Nr. 11, 108–109

[2] Auer, K.-L., Bernard, T.: Tasten statt sehen; Qualität und Zuverlässigkeit, QZ Jahrg. 47 (2002) 2, 162–164

Weitere Informationen A QE 401