Hügel und Berge, Täler und Schluchten – die Oberfläche eines Bauteils offenbart unter dem Mikroskop mikroskopisch kleine „Landschaften“. Diese Oberflächenbeschaffenheit kann einen sehr großen Einfluss auf die Funktionen eines Bauteils haben, beispielsweise hinsichtlich Reibung, Haftung, Verschleiß oder ihrer optischen Eigenschaften. Man schätzt, dass 10 % aller hergestellten Teile aufgrund von Oberflächendefekten ausfallen, was zu erheblichen Kosten führen kann. Deshalb ist eine Prüfung der Oberfläche und die daraus bestimmte Topografie eines Bauteils wichtig – aber messtechnisch auch sehr anspruchsvoll und zeitintensiv. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) präsentiert 2024 auf den Messen Control und Optatec den Entwurf eines Leitfadens für verlässliche mikroskopische Messungen der Oberflächentopografie. Grundlage ist die Prüfung verschiedener optischer Messtechniken mit definiert gekrümmten und geneigten Oberflächenarealen auf sogenannten Chirp-Oberflächennormalen.

Mit Hilfe eines Chirp-Normals

Anwenderkönnen mithilfe des Chirp-Normals und des Leitfadens den Vertrauensbereich ihres Messgerätes für Rauheitsmessungen prüfen und ermitteln, ob eine raue Oberfläche mit seinem Gerät zuverlässig messbar ist. Die PTB sucht hierfür auch noch Kooperationspartner in der Industrie für Tests und eine mögliche Erweiterung der Anwendungen. Denn bisher war die genaue Messung der Oberflächentopografie eine Herausforderung: Zwar können optische Messsysteme sowohl Topografien als auch dimensionale Abmessungen schnell, hochauflösend und berührungslos messen, doch sind sie nicht immer ausreichend zuverlässig: Die Wechselwirkung zwischen Licht und Oberfläche ist komplex und erzeugt fehlerhafte Darstellungen. Dieses Problem ist für eine Vielzahl von Branchen relevant, von der Feinmechanik über die Automobilindustrie bis zur Medizintechnik. Die nun auf der Messe präsentierten Entwicklungen sollen optische Messverfahren vergleichbar und entsprechend verlässlicher machen – und das für ganz unterschiedliche Anforderungen.

Prüfkörper im Einsatz

Im Mittelpunkt der Messepräsentation steht ein Chirp-Prüfkörper mit Sinus-Profilen unterschiedlicher Wellenlängen und Amplituden. Eine simple optische Messung an verschiedenen Messpositionen erlaubt es, neben der individuellen Beurteilung der Steigungs- und Krümmungsmessfähigkeit auch Aussagen über die lateralen Auflösungen der eingesetzten Objektive und darüber hinaus zur Qualität des Zusammensetzens von Einzelmessungen zu Messungen mit größerer Länge (Stitching) zu machen. Eine grundlegende Charakterisierung optischer Mikroskope wird somit ohne allzu großen Messaufwand möglich. Das Chirp-Normal basiert auf Erkenntnissen aus dem TracOptic-Projekt (Traceble industrial 3D roughness and dimensional measurement). Dies wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union gefördert.

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