OBERFLÄCHENPROFIL EIN VERGLEICH VON MESSMETHODEN

Welche Art von Messgeräten für Oberflächenprofile/ Rauheitsprüfung gibt es?

1. Replik-Band Test auch Testex-Test genannt

Replikabänder werden seit den 1960er Jahren zur Messung des Oberflächenprofils von gestrahltem Stahl verwendet. Das in der Beschichtungsindustrie weit verbreitete Replikaband besteht aus einer Schicht aus zerdrückbarem Kunststoffschaum, die auf einem nicht komprimierbaren Polyesterträger mit einer sehr gleichmäßigen Dicke von 2 mils ± 0,2 mils (50,8 Mikron ± 5 Mikron) angebracht ist. Die Schaumstoffdicke ist abhängig von der Klebebandqualität. Replikabänder gibt es in zwei Ausführungen, normal und optisch, sowie in zwei Qualitäten, Grob und X-Grob. Für die meisten Anwendungen ist normales Replikaband ausreichend. Optisches Replikaband wird verwendet, um 3D-Bilder der Bandoberfläche zu erzeugen. Die beiden Bandqualitäten sind Coarse, die Profile von 0,8 bis 2,5 mils (20 bis 64 µm) messen, und X-Coarse, die Profile von 1,5 bis 4,5 mils (38 bis 115 µm) messen.

Wenn der Schaum gegen eine aufgeraute Stahloberfläche gedrückt wird, bildet er einen Abdruck oder ein umgekehrtes Abbild der Oberfläche. Der Schaumstoff kann auf etwa 25 % seiner Dicke vor dem Zusammenfallen zusammenfallen. Wenn also die höchsten Erhebungen der ursprünglichen Oberfläche auf den Polyesterträger drücken, wird der vollständig komprimierte Schaumstoff seitlich verschoben. Ebenso erzeugen die tiefsten Täler auf dem Original die höchsten Spitzen in der Nachbildung.

Wenn man das komprimierte Band zwischen die Ambosse eines Federmikrometers wie dem PosiTector RTR H legt und den Beitrag des inkompressiblen Polyestersubstrats (2 mils / 50 µm) abzieht, erhält man ein Maß für das durchschnittliche maximale Rauheitsprofil von Spitze zu Tal (Abb.1).

OBERFLÄCHENPROFIL EIN VERGLEICH VON MESSMETHODEN
Abbildung 1: Prinzip der Replika-Bandmessung

 Diese Methode zur Oberflächenmessung ist robust, relativ einfach und kostengünstig und ermöglicht es dem Anwender, ein physisches Abbild der zu bewertenden Oberfläche zu erhalten. Sie ist eine der gängigsten Methoden zur Bestimmung der Rautiefe von gestrahlten Oberflächen in der Beschichtungsindustrie.  

Das Replika-Band bietet zusätzliche Vorteile gegenüber anderen Messmethoden, da es das Oberflächenprofil über einen zweidimensionalen Bereich misst und nicht nur einen Punkt oder eine gerade Linie. Die spitze Tastspitze eines Tiefenmikrometers misst einen einzelnen Punkt mit einem Radius von etwa 0,05 mm (50 Mikrometer), was einer Probenfläche von 0,007 mm2 entspricht.

Die typische Messlinie eines Taststift-Rauheitsmessgeräts ist 12,5 mm lang und 4 Mikrometer breit, was einer Gesamtmessfläche von 0,05 mm2 entspricht. Die Messfläche des Replikationsbandes beträgt 31 mm2. Dies entspricht einer Messfläche, die etwa 258 Mal größer ist als die Messfläche eines Taststift-Rauheitsmessgeräts und etwa 4.400 Mal größer als die eines Tiefenmikrometers. Darüber hinaus kann bei Verwendung eines Instruments wie dem PosiTector RTR 3D kann die digitale Bildgebung von polierten Replikaten 3D-Bilder von Oberflächenprofilen erzeugen, die es dem Benutzer ermöglichen, die Oberfläche vor dem Auftragen der Beschichtung visuell zu betrachten.

Abbildung 2: Messprinzip des Tiefenmikrometers
Abbildung 3: Messprinzip des Taststift-Rauheitsmessgeräts

2. Oberflächenprofil-Tiefenmikroskope

Ein Tiefenmikrometer, wie das PosiTector SPG verwendet eine flache Basis, die auf den Spitzen des Oberflächenprofils ruht, und eine federbelastete Sondenspitze, die im Inneren der Basis montiert ist und in die Täler des Profils eintaucht. Die flache Basis ruht auf den höchsten Erhebungen, und jede Messung ist daher der Abstand zwischen den höchsten lokalen Erhebungen und dem jeweiligen Tal, in das die Spitze hineinragt, wie in Abbildung 2 dargestellt. Tiefenmikrometer haben den Vorteil, dass sie in der Lage sind, Profilhöhen zu messen, die den Bereich vieler anderer Instrumente übersteigen.

3. Taststift-Rauheitsmessgeräte

Ein tragbares Taststift-Rauheitsmessgerät verwendet einen Taststift, der mit konstanter Geschwindigkeit über eine Oberfläche gezogen wird und die Auf- und Abwärtsbewegungen aufzeichnet, um den Rt oder den vertikalen Abstand zwischen der höchsten Spitze und dem tiefsten Tal innerhalb einer bestimmten Bewertungslänge zu bestimmen. Das Gerät misst und zeichnet den vertikalen Abstand auf, den der Taststift beim Überfahren der Oberfläche zurücklegt, wie in Abbildung 3 dargestellt.

In der Regel wird eine vorgegebene Auswertungslänge in 7 Abtastlängen unterteilt, und das Gerät misst die Höhe von Spitze zu Tal innerhalb jeder Abtastlänge, Ry, jedes Abschnitts, wobei der erste und der letzte Abschnitt außer Acht gelassen werden. Der Durchschnitt der verbleibenden Ry’s wird zur Berechnung von Rz verwendet. Für diese Studie entspricht Rz dem RzDIN, der dem Durchschnitt der Abstände zwischen dem höchsten Gipfel und dem tiefsten Tal in jeder Probe gemäß ASME Y14.36M7 entspricht.

 

4. Neue weitere Methode 3D-OBERFLÄCHENKARTIERUNG mit Replik-Band 

Zusätzliche Parameter zur Oberflächencharakterisierung können extrahiert werden, sobald die Beziehung zwischen Dicke und Transparenz auf die Interpretation des Intensitätsbildes mit Hilfe einer dreidimensionalen (3D) Rendering-Software angewendet wurde. Das Ergebnis sind 3D-Karten der gestrahlten Stahloberfläche zu einem Preis, der weit unter dem von interferometrischen oder konfokalen Profilierungsgeräten liegt. Ein Beispiel für die Funktionsweise des Verfahrens ist in den Abbildungen 10 bis 12 dargestellt.

Abbildung 10: Über eine Münze geprägte Replik eines Bandes
Abbildung 11: Digitales Oberflächenbild (links), erstellt mit einem preisgünstigen Feldinstrument, dem PosiTector RTR-P (rechts)

Abbildung 12: 3D-Bilder von gestrahlten Oberflächen, die mit einem kostengünstigen Feldinstrument von einem nachgebildeten Band abgeleitet wurden.

Anhand von 3D-Bildern kann ein letzter, verwandter Parameter gemessen werden, von dem angenommen wird, dass er sowohl die chemische als auch die mechanische Bindung fördert, nämlich die Vergrößerung der Oberfläche infolge eines Strahlvorgangs. Sdr ist das Verhältnis der entwickelten Grenzfläche16 , ausgedrückt als der Prozentsatz der zusätzlichen Oberfläche, die durch die Textur im Vergleich zu einer idealen Ebene in der Größe des Messbereichs entsteht. Beschichtungsexperten sind der Meinung, dass dieser Profilparameter eine funktionale Korrelation zur Anwendungstechnik herstellt, indem er ihnen einen Rauheitswert liefert – die durch das Strahlen geschaffene zusätzliche Oberfläche als prozentuale Zunahme (reale Fläche / x-y-Fläche).

KORRELATION VON REPLIKA-BANDMESSUNGEN MIT ETABLIERTEN MESSVERFAHREN

Zur Untermauerung der 3D-Replikatbandmessungen wurden die beiden neuen, vom Band gewonnenen Parameter, die Spitzendichte Pd und die entwickelte Oberfläche Sdr, mit zwei etablierten Methoden zur Messung der Oberflächenrauheit verglichen: konfokale Mikroskopie und Taststiftprofilometrie. 

3D-Rendering der Oberfläche eines Bürstenreinigers Bristle-Blaster
3D-Rendering der Oberfläche mit einer rotierenden Bürste
Oberflächenbild erzeugt mit einem Druckluft/ Pneumatischen Nadelentroster

WEITERE INFORMATIONEN ZU DIESEN MESSGERÄTEN – Rauheits- & Oberflächenprofilmessung – CS Messtechnik (cs-messtechnik.de)

WEITERE INFORMATIONEN BEIM HERSTELLER – Oberflächenprofilmessgeräte – Tiefenmikrometer und digitale Federmikrometer | DeFelsko