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Oberflächenmesstechnik für dauerhaft hohe Schraubenvorspannkraft

Oberflächenmesstechnik
Für dauerhaft hohe Schraubenvorspannkraft

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Die Hochschule Offenburg untersucht das Verhalten von Oberflächen an Verbindungsstellen wie etwa Schraubverbindungen. Dabei geht es darum, welche Vorspannkraftänderungen beziehungsweise Verformungen sich unter bestimmten Bedingungen ergeben. Dafür nutzen die Wissenschaftler Oberflächenmessgeräte von Polytec.

Oberflächeneigenschaften von Beschichtungen und Lackierungen spielen bei vielen Produkten eine wichtige Rolle, da sie das optische Erscheinungsbild, den Korrosionsschutz und die Beständigkeit gegen mechanische Beschädigung maßgeblich beeinflussen. Informationen über die Ebenheit der Oberfläche oder Verformungen unter mechanischer Belastung sind die Basis zur Optimierung. Mit ihrer Hilfe lassen sich zum Beispiel Reibung erhöhen oder verringern, Verschleiß minimieren, die Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen steigern, die Leitfähigkeit verbessern, Qualitätsparameter für zukünftige Lackierungen ermitteln oder Grenzen bestimmter Beschichtungssysteme und -technologien bei Schraubenverbindungen aufspüren. Optische Messverfahren dienen hier als berührungslose und zerstörungsfreie Analyse- und Prüfmethoden auf nahezu allen Materialien – besonders für empfindliche Oberflächen.

Professor Alfred Isele und sein Team an der Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der Hochschule Offenburg untersuchen den Einfluss organischer Korrosionsschutzsysteme und anderweitiger Beschichtungen auf Schraubverbindungen. Motivation ist die Langlebigkeit der untersuchten Bauteile und deren Verbindungen. Diese sollen später in Maschinen und Anlagen, in Kraftfahrzeugen, mobilen Arbeitsmaschinen oder Windrädern über die gesamte Lebensdauer zuverlässig funktionieren, also bis zu 20Jahren oder mehr bei schwierigen Umgebungseinflüssen. Die Schraubverbindung von Bauteilen muss daher dauerhaft fest sein, darf gleichzeitig aber nicht die Oberflächenbeschichtung beziehungsweise Lackierung an Kontaktflächen beeinträchtigen, um den notwendigen Korrosionsschutz zu erhalten.

„Verbindungen zwischen unbeschichteten Bauteilen verhalten sich anders als die zwischen lackierten“, weist Professor Isele auf den grundlegenden Unterschied hin. Ohne Zwischenschicht stehen metallische Oberflächen direkt im Kontakt, und bei lackierten Bauteilen drückt die Verschraubung die Zwischenschicht zusammen. Dabei entstehen mikrometer-kleine Verformungen, welche jedoch die Verbindung essentiell beeinflussen. Das beeinträchtigt die Qualität der Verbindung, also die Haltekraft der Schraube im langjährigen Einsatz und den Korrosionsschutz.

Bei Korrosionsschutzbeschichtungen
reicht ein Schnittbild per taktiler Messung nicht aus

Die Hochschule Offenburg untersucht das Verhalten der Oberfläche an diesen Verbindungsstellen und welche Vorspannkraftänderungen beziehungsweise Verformungen sich unter bestimmten Bedingungen ergeben zur Bestimmung von Grenzwerten wie Temperaturen oder Belastungshöhen.

Das verbreitete Tastschnittverfahren ist eine taktile Oberflächenmessmethode mit Diamanttastelementen. „Für unsere Prüfung hat dieses Verfahren allerdings gleich zwei Nachteile“, sagt Isele. „So ist die punktuelle, taktile Messung recht langsam und wir bekommen pro Messung immer nur ein Schnittbild. Da jedoch eine Korrosionsschutzbeschichtung applikationsbedingten Schichtstärkenschwankungen unterliegt, ist ein einziges Schnittbild zur quantitativen Auswertung zu wenig. Wir benötigen daher ein Messverfahren, mit dem sich Flächen ganzheitlich vermessen lassen. Außerdem hat das Tastschnittverfahren den Nachteil, dass die Geometrie des Messtasters sowie die Probenoberfläche immer einem gewissen Verschleiß unterliegt.“

Optische Verfahren wie die Weißlicht-Interferometrie hingegen prüfen flächenhaft und zudem ohne Verschleiß, was kurze Messzeiten und eine hohe Reproduzierbarkeit nach sich zieht. Topmap-Messsysteme von Polytec bieten zudem eine sehr hohe vertikale Auflösung unabhängig von der Bildfeldgröße, um mehr Details auf einen Blick zu erfassen – auch ohne Stitching, also Zusammenfügen von Messfeldern.

Die Weißlicht-Interferometer der Topmap-Serie verfügen über einen großen vertikalen Verfahrweg und bieten eine Nanometer-Auflösung bei der berührungsfreien Messung von Ebenheit, Stufen und Höhen sowie Parallelität. Die telezentrische Optik misst selbst an steilen Stufen wie in Bohrlöchern. „Auch die einfache Bedienung und die komfortablen Auswertungsmöglichkeiten haben uns überzeugt“, ergänzt Isele. Die offene Software-Architektur ermöglicht zudem das Programmieren von Routineaufgaben oder die Einrichtung einer eigenen Benutzeroberfläche.

Das Messsystem eignet sich aber nicht nur für Laborbereiche, sondern kann auch produktionsnah eingesetzt werden. Integriert in eine staubgeschützte und vibrationsgedämpfte Prüfstation arbeitet diese Messtechnik direkt in Maschinenhallen wie in der Automobilindustrie entlang der Produktionskette der Bleche: Wie hochwertig ein Fahrzeug wirkt, hängt maßgeblich vom Erscheinungsbild der Lackqualität ab (englisch: Appearance). Topmap kann hier Kenngrößen zur Überprüfung der Appearance entlang des gesamten Lackierprozesses und vor der Endkontrolle liefern. Hier dient die großflächig ermittelte Oberflächenrauheit als Qualitätsparameter für die Lackqualität und das spätere Erscheinungsbild. ■

Polytec GmbH
Polytec-Platz 1–7
76337 Waldbronn
Tel. +4972436040
www.polytec.com


Die Autorin

Ellen-Christine Reiff
Redaktionsbüro
Stutensee
im Auftrag von Polytec
www.polytec.com


Webhinweis

In diesem Video zeigt Polytec die Vorteile der Topmap Oberflächenmessgeräte auf:
http://hier.pro/SQdxY



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