Die vielfältige Welt der Oberflächenmessung

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Die Oberflächenbeschaffenheit ist nicht nur ein alltäglicher Aspekt von Alltagsgegenständen; Es ist in einer Vielzahl von Anwendungen von enormer Bedeutung. Von der Optimierung von Haushaltspapierprodukten über die Herstellung leistungsstarker Pickleball-Paddel bis hin zur Gewährleistung des Komforts und der Wirksamkeit chirurgischer Implantate ist die Messung der Oberflächengüte von entscheidender Bedeutung. In diesem Artikel werden die einzigartigen Einsatzmöglichkeiten der Oberflächenmessung in verschiedenen Branchen beleuchtet.

Hier sind zunächst einige Gründe, warum die Oberflächenbeschaffenheit von entscheidender Bedeutung ist:

Leistung und Funktionalität: Die Oberflächenstruktur kann die Leistung und Funktionalität einer Komponente oder eines Produkts erheblich beeinflussen. Präzise Oberflächenbeschaffenheiten sind beispielsweise entscheidend für Teile, die mit engen Toleranzen zusammenpassen müssen, wie z. B. Dichtflächen, Passflächen oder bewegliche Teile in Maschinen. Die optimale Oberflächenbeschaffenheit kann Reibung, Verschleiß und Korrosion reduzieren und letztendlich die Leistung und Langlebigkeit des hergestellten Produkts verbessern.

Sicherheit: Die Oberflächenbeschaffenheit ist in bestimmten Anwendungen auch für die Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise können Bauteile mit spezieller Oberflächenveredelung die Griffigkeit in Industrieumgebungen verbessern und so das Risiko von Ausrutschen oder Unfällen verringern. Oberflächenveredelungen können auch zur elektrischen Isolierung oder Wärmeableitung beitragen und so die Sicherheit elektrischer und elektronischer Geräte gewährleisten.

Desinfektion: Bei Anwendungen, bei denen es auf Sauberkeit ankommt, wie etwa bei medizinischen Geräten, Lebensmittelverarbeitungsmaschinen oder pharmazeutischen Geräten, spielt die Oberflächenbeschaffenheit eine Schlüsselrolle. Glatte, porenfreie Oberflächen lassen sich beispielsweise leichter reinigen, desinfizieren und sterilisieren und verhindern so die Ansammlung von Verunreinigungen, Bakterien oder anderen schädlichen Substanzen.

Aussehen: Die Oberflächenbeschaffenheit kann eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der optischen Attraktivität eines Produkts spielen. Eine hochwertige Oberflächenveredelung wertet die Gesamtästhetik des Artikels auf. Je nach gewünschtem Ergebnis kann es einem Produkt ein poliertes, glattes oder strukturiertes Aussehen verleihen.

Mit neuen Verfahren und Materialien sowie einem tieferen Verständnis von Beschichtung, Bindung, Schmierung und Reibung kommt Oberflächen auch eine zunehmend technische Funktion zu. In jedem dieser Fälle müssen technische Oberflächen aus Qualitätsgründen bestimmte Anforderungen erfüllen. Daher ist die Fähigkeit, die Oberflächenbeschaffenheit präzise zu messen, von entscheidender Bedeutung.

Haushaltspapierprodukte: Hinter der Herstellung von Haushaltspapierprodukten wie Toilettenpapier und Papierhandtüchern, die Eigenschaften wie Glätte oder Saugfähigkeit optimieren, steckt überraschend viel Wissenschaft. Dabei spielen Oberflächenbeschaffenheit und Textur eine große Rolle. Eine ordnungsgemäße Messung der Oberflächengüte kann zur Optimierung dieser wichtigen Produkteigenschaften beitragen, indem die ideale Kombination aus Glätte und Porosität ermittelt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass Haushaltspapierprodukte Flüssigkeiten effizient absorbieren und gleichzeitig ein weiches und sanftes Gefühl bewahren.

Darüber hinaus hilft die Messung der Oberflächenbeschaffenheit bei der Bestimmung der Leistungsmerkmale. Beispielsweise beeinflusst die Oberflächenbeschaffenheit die Festigkeit und Reißfestigkeit. Durch die Messung und Steuerung dieser Parameter können Hersteller Haushaltspapierprodukte herstellen, die robust und langlebig sind. Die Messung der Oberflächenbeschaffenheit gewährleistet darüber hinaus eine gleichbleibende Qualität der Papierprodukte. Hersteller können sicherstellen, dass die Endprodukte den gewünschten Spezifikationen entsprechen, indem sie die Rauheit, Glätte oder Textur messen.

Herstellung leistungsstarker, turnierzugelassener Pickleball-Schläger: Pickleball ist derzeit eine der am schnellsten wachsenden Sportarten in Amerika, mit geschätzten 36,5 Millionen Spielern im Jahr 2022. Die Oberflächenbeschaffenheit eines Pickleball-Schlägers ist entscheidend, da sie sich direkt auf die Leistung der Spieler auswirkt. Beispielsweise ermöglicht eine gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit eine bessere Ballkontrolle, Genauigkeit und Spinerzeugung.

Zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften ist die Messung der Oberflächengüte erforderlich. Die Professional Pickleball Association (PPA) schreibt vor, dass Amateur- oder Profischläger, die bei jeder PPA-Veranstaltung verwendet werden, auf der genehmigten Ausrüstungsliste der Organisation stehen müssen. Dazu gehört insbesondere die Messung der Oberflächenrauheit. Die Organisation gibt an, dass ein Rauheitstest an der Paddeloberfläche durchgeführt werden muss, damit die Ausrüstung für Turniere zugelassen ist.

Die Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst auch die Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit des Paddels. Durch die Messung der Oberflächenbeschaffenheit können Hersteller sicherstellen, dass das Paddel wiederholten Stößen standhält, Kratzern widersteht und seine Leistung über einen längeren Zeitraum beibehält.

Spezifikationen des Golfschlägers: Ähnlich wie beim Pickleball müssen sich Golfschläger an Regeln und Vorschriften halten, die von Dachverbänden wie der United States Golf Association (USGA) festgelegt wurden. Die Messung der Oberflächengüte ist erforderlich, um die Einhaltung dieser Vorschriften sicherzustellen, zu denen Grenzwerte für die Rillengeometrie, die Rauheit und andere Oberflächeneigenschaften gehören. Beispielsweise schreibt die USGA vor, dass die Schlagfläche des Schlägers bestimmten Spezifikationen für die Oberflächenrauheit entsprechen muss, während die Breite jeder Rille ein bestimmtes Zollmaß nicht überschreiten darf.

Die Interaktion zwischen dem Golfball und der Schlagfläche ist ebenfalls entscheidend für die Bestimmung von Distanz, Genauigkeit und Gefühl, und die Oberflächenbeschaffenheit spielt bei dieser Interaktion eine Rolle. Durch die Messung der Oberflächenbeschaffenheit wie Rauheit oder Glätte können Hersteller die Schlägerfläche so anpassen, dass sie für bestimmte Schläge das gewünschte Maß an Reibung oder reduzierten Spin bietet, was zu einer verbesserten Kontrolle und Schlagkonsistenz führt. Die Oberflächenbeschaffenheit wirkt sich auch auf die Gesamtleistung des Schlägers aus, da Textur, Politur und mehr Faktoren wie Ballspin, Abflugwinkel und Fehlertoleranz beeinflussen können.

Messung von Fels/Asphalt zur Optimierung der Reifenleistung: Daten zur Oberflächenbeschaffenheit und -rauheit spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Traktion und des Grips von Reifen auf Fels- oder Asphaltoberflächen. Die Analyse der Oberflächenbeschaffenheit ermöglicht es Ingenieuren, wertvolle Einblicke in den Einfluss dieser Faktoren zu gewinnen, um bei der Optimierung des Reifendesigns zu helfen, um ein ideales Gleichgewicht zwischen Grip und Stabilität zu gewährleisten und letztendlich die Leistung des Reifens bei verschiedenen Straßenbedingungen zu verbessern.

Neben Traktion und Grip hat auch der Straßenbelag einen erheblichen Einfluss auf den Reifenverschleiß. Unregelmäßige oder raue Oberflächen können zu einem beschleunigten Reifenverschleiß und einem erhöhten Risiko von Profilschäden führen. Durch ein gründliches Verständnis der Auswirkungen unterschiedlicher Straßenoberflächen können Hersteller Reifendesigns entwickeln, die diese Probleme abmildern, die Lebensdauer verlängern, die Wartungskosten senken und die Haltbarkeit verbessern.

Die Erfassung von Topographiedaten, die durch Oberflächenmesstechnologien bereitgestellt werden, ist für diesen Prozess von entscheidender Bedeutung. Gesteins- und Asphaltoberflächen werden typischerweise auf Teststrecken gemessen, um die Auswirkungen auf die Reifenleistung zu analysieren. Fortschrittliche Computermodellierungs- und Simulationstechniken werden eingesetzt, um das Verhalten von Gummimischungen unter verschiedenen Oberflächenbedingungen zu verstehen. Durch die Korrelation der Ergebnisse mit Oberflächenmessungen können Ingenieure den Einfluss verschiedener Oberflächen auf die Reifenleistung untersuchen und so das Design optimieren. Dieser umfassende Ansatz stellt sicher, dass der Reifen basierend auf den spezifischen Eigenschaften einer typischen Straßenoberfläche eine optimale Leistung erbringt.

Bodenvermessung zur Reduzierung der Rutschgefahr: Durch Ausrutschen und Stürze verursachte Unfälle können zu Verletzungen, rechtlicher Haftung und finanziellen Verlusten führen. Immobilieneigentümer können die Oberflächenbeschaffenheit proaktiv verwalten, Rutschgefahren reduzieren und das Unfallrisiko mindern. Dies sichert nicht nur das Wohlbefinden der Bewohner, sondern führt auch zu potenziellen Kosteneinsparungen im Zusammenhang mit Schadensersatzansprüchen, Rechtsstreitigkeiten und Versicherungsprämien.

Mit Rauheitsmessungen können Ingenieure das Rutschpotenzial einer Bodenoberfläche genauer beurteilen. Diese Informationen sind wichtig, um Hochrisikogebiete zu identifizieren und geeignete Maßnahmen zur Reduzierung potenzieller Gefahren umzusetzen. Darüber hinaus weisen verschiedene Bodenbelagsmaterialien und -oberflächen unterschiedliche Rutschfestigkeitseigenschaften auf. Daher ermöglicht die Messung der Oberflächenbeschaffenheit Gebäudeplanern und Facility Managern, fundiertere Entscheidungen über die Auswahl der am besten geeigneten Materialien für bestimmte Bereiche zu treffen.

In einigen Branchen ist die Messung der Oberflächengüte erforderlich, um Sicherheitsvorschriften und -standards wie OSHA einzuhalten. Regulierungsbehörden wie diese haben spezifische Anforderungen an die Rutschfestigkeit in verschiedenen Umgebungen, beispielsweise am Arbeitsplatz, in öffentlichen Räumen oder in Wohngebäuden. Dadurch können Immobilieneigentümer und Facility Manager die Einhaltung der Vorschriften sicherstellen und Haftungsrisiken reduzieren, indem sie die Oberflächenbeschaffenheit messen und dokumentieren.

Gewährleistung des Komforts und der Wirksamkeit chirurgischer Implantate: In diesem letzten Beispiel werden Implantate für Hüftgelenkersatz verwendet, da sie ein gutes Beispiel dafür sind, das Spektrum der Oberflächengütemessung zu veranschaulichen. Bei dieser Art von chirurgischem Implantat arbeiten zwei Komponenten zusammen, um die Kugelgelenkstruktur des Hüftgelenks nachzubilden. Dazu gehört eine dynamische Oberfläche – ein Femurkopf –, der sich bewegen kann (z. B. während des Betriebs gleiten oder rotieren kann). Diese Art von Implantat hat sehr enge Toleranzen, da sich die Gelenke frei und mit sehr geringer Reibung bewegen müssen. Um dies zu erreichen, verfügen Femurköpfe über hochglanzpolierte Oberflächen mit nahezu spiegelnder Oberfläche.

Die zweite Komponente, der Femurschaft, erfordert äußerst raue und komplexe Merkmale, in die Knochen hineinwachsen und an denen sie haften können. Wie gut der Knochen das kann, hängt von der Rauheit dieser Oberfläche ab und auch davon, wie gewunden sie ist oder wie viel Oberfläche dem Knochen zum Wachsen zur Verfügung steht. Bei dieser Art von orthopädischen Implantaten ist die Oberflächenrauheit des Wurzelbereichs des Implantats von entscheidender Bedeutung, da sie die Gesamtoberfläche vergrößert, was wiederum die Stabilität des Implantats erhöht.

Durch die Messung der Oberflächenbeschaffenheit können Hersteller sicherstellen, dass die Implantate die gewünschten Eigenschaften wie Glätte, angemessene Rauheit und optimale Reibungseigenschaften aufweisen. Diese Faktoren sind entscheidend für die Fähigkeit des Implantats, sich reibungslos mit dem umgebenden Gewebe zu verbinden und langfristige Stabilität und Funktionalität zu gewährleisten.

Die ordnungsgemäße Analyse technischer Oberflächen hängt in hohem Maße von der Wahl des optimalen Messverfahrens ab. Methoden zur Messung der Oberflächengüte können im Allgemeinen in berührende und berührungslose Methoden unterteilt werden. Zu den Kontaktmethoden gehört die lineare Messung (Profilmethode). Dabei wird die Rauheit einer einzelnen Linie der Probenoberfläche gemessen, während die Spitze eines Stifts über die Oberfläche fährt und sich hebt und senkt, um Rauheitsmessungen zu ermitteln. Diese Technik zur Messung der Oberflächenbeschaffenheit kann auf die oben genannten Beispiele angewendet werden, einschließlich Haushaltspapierprodukten, Pickleball-Schlägern, Golfschlägern und chirurgischen Implantaten.

Darüber hinaus gibt es 3D-Messgeräte, die neue Einblicke in Oberflächenstrukturen und -bearbeitung bieten. Angenommen, die Anwendung erfordert ein detaillierteres Verständnis der Oberflächenstruktur und die Informationen aus einem einzelnen Profil reichen nicht aus. In diesem Fall können flächenhafte 3D-Messungen einen größeren Oberflächen-Probenahmebereich abdecken, um detaillierte Informationen über die Struktur/Eigenschaften einer Oberfläche zu liefern.

Die führenden berührungslosen Methoden nutzen Licht oder optische Messungen, um ein 3D-Bild der Oberfläche zu erfassen. Von einem Werkzeug wie einem konfokalen Mikroskop emittiertes Licht wird reflektiert, um die Messung zu erhalten, ohne mit der Probe in Kontakt zu kommen. Dadurch schädigen diese Systeme die Probe nicht und können sogar sehr weiche oder viskose Materialien messen. Die 3D-Oberflächenmessung kann in den oben genannten Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise zur Optimierung von Haushaltspapierprodukten und zur Messung von Fels-/Asphaltoberflächen, Bodenbelägen und chirurgischen Implantaten.

Diese optische Technik erstellt eine Topographiekarte, die äußerst detaillierte Höheninformationen für jeden Punkt im Messbereich enthält und so eine genaue Darstellung komplexer Merkmale ermöglicht. Diese Art der optischen 3D-Messung ist für vielfältigere Oberflächen von Vorteil, wenn es darum geht, sich auf funktionale Strukturen, einschließlich Vorsprüngen oder Vertiefungen, zu konzentrieren und Kernparameter und die Tragfähigkeit der Oberfläche zu bestimmen. Darüber hinaus können heutige 3D-Messsysteme eine Auflösung im Mikro- und Nanometerbereich liefern und detailliertere Informationen über Oberflächenrauheit, Tiefe, Volumen, Ebenheit und mehr erfassen.

Neue konfokale Mikroskoptechnologien ermöglichen die zerstörungsfreie, materialunabhängige Messung von Titan, Edelstahl, kobaltbasierten Legierungen, Kunststoff, Polymer, Keramik und anderen Materialien, einschließlich inhomogener und poröser Oberflächen.

Darüber hinaus können moderne konfokale Messgeräte Proben genau positionieren, sodass flächenhafte Rauheitsmessungen auf einer kleinen Zielfläche an einem präzisen Ort durchgeführt werden können. Es gibt eine Generation von Multisensor-konfigurierbaren Werkzeugen, die über eine berührungslose Fünf-Achsen-Bewegungssteuerungspositionierung in Verbindung mit Automatisierungssoftware verfügen, um beliebig viele Positionen ohne Benutzeranpassung zu messen und die Anpassung des Systems an verschiedene Messaufgaben zu ermöglichen.

Schließlich werden stiftbasierte Messungen schon seit Jahrzehnten verwendet, und mit diesen Messarten sind viele wertvolle historische Daten verbunden. Führende konfokale Mikroskoptechnologie wird Ergebnisse liefern, die direkt mit diesen Kontaktergebnissen korrelieren, was es für Hersteller viel einfacher macht, diese Technologie zu implementieren.

Für die Messung und Beurteilung der Oberflächenrauheit sind viele Parameter etabliert.

ISO 4287 legt beispielsweise die Regeln und Verfahren zur Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit mithilfe von Stiftprofilometern fest und zeichnet typischerweise Profile mit Längen von mehreren Millimetern auf. ASME B46.1 beschreibt die geometrischen Unregelmäßigkeiten von Oberflächen. Es definiert die Oberflächentextur und ihre Komponenten: Rauheit und Welligkeit. Außerdem werden Parameter zur Angabe der Oberflächentextur definiert.

Es gibt auch spezifische ISO-Normen für orthopädische Implantate, wie ISO 7206-2 und ISO 7207-2, die den Herstellern Auskunft über die Oberflächenbeschaffenheit sowie zusätzliche Details zur Geometrie und den Toleranzen für die Herstellung von Prothesen geben. Beispielsweise deckt ISO 7206-2 teilweise und vollständige Hüftgelenkprothesenimplantate für die Chirurgie ab, einschließlich metallischer, keramischer und Kunststoffoberflächen. Es legt die Anforderungen an die Sphärizität und Oberflächenbeschaffenheit von Gelenkflächen von Prothesen fest, die einen Gelenkersatz in Form einer Kugelpfanne ermöglichen. ISO 7207-2 beschreibt Komponenten für Teil- und Totalkniegelenkprothesen und legt Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit der Gelenkflächen aus Metall, Keramik und Kunststoff fest.

Darüber hinaus wird die Grundlage für die weltweite 3D-Rückverfolgbarkeit durch die ISO 25178 definiert, die 3D-Oberflächentexturparameter und die Identifizierungsmethoden detailliert beschreibt. Dies ist der erste internationale Standard, der die Spezifikation und Messung von 3D-Oberflächentexturen berücksichtigt und berührungslose Messtechniken abdeckt. Darüber hinaus wurden mit ISO 25178 neue Flächenparameter geschaffen, um die Ergebnisse von 3D-Messtechniken zu standardisieren. Diese beinhalten:

Da sich die Messung der Oberflächengüte zunehmend auf den Herstellungsort verlagert, trägt die Automatisierung dazu bei, intelligente Qualitätskontrollabläufe in der Produktionslinie zu etablieren, um die Produktivität zu maximieren und die Qualität und Bearbeitungseffizienz zu steigern.

Damit Werkzeuge zur Messung der Oberflächengüte in einem vollautomatischen Messprozess verwendet werden können, müssen die Geräte in der Lage sein, Daten und Steuerungen aus der Ferne zu übertragen und zu empfangen – einschließlich Anweisungen zum Starten einer Messung, zum Ändern von Oberflächengüteparametern für verschiedene Teile, zum Einrichten einer Überprüfung und mehr . Vollautomatische Oberflächenfinish-Systeme, die einen Messablauf ohne Bedienereingriff ermöglichen, sind ideal für Anwendungen, bei denen zahlreiche Merkmale präzise gemessen werden müssen und maximale Flexibilität erforderlich ist.

Die Automatisierung bietet viele Vorteile für die Oberflächengütemessung, darunter:

Die richtige Messung durchführen: Automatisierte Prozesse tragen dazu bei, dass an schwer zugänglichen Stellen die richtigen Bereiche gemessen werden und aus den Messungen zuverlässige Daten generiert werden. Darüber hinaus werden automatisch die richtigen Filter und Probenahmelängen angewendet, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, wodurch das Risiko falscher Filter oder Probenahmelängen, die zu schlechten Ergebnissen führen könnten, verringert wird.

Erhöhte Geschwindigkeit und reduzierte Komplexität:Automatisierte Messwerkzeuge können die sehr schnelle Bearbeitung einer unglaublich großen Menge an Teilen ermöglichen, unabhängig von Form, Größe oder Art des zu prüfenden Materials.

Bedienerproduktivität:Durch automatisierte Messungen der Oberflächengüte kann der Bediener seine Zeit effizienter nutzen, ohne fortlaufende, mühsame oder sich wiederholende Bewegungen von Hand ausführen zu müssen.

Fehlerreduzierung Die Durchführung manueller Aufgaben zur Messung der Oberflächengüte kann sehr eintönig sein und das Risiko menschlicher Fehler erhöhen. Durch die Automatisierung des Prozesses wird dieses Risiko beseitigt.

Die Oberflächenbeschaffenheit spielt in einer Vielzahl von Anwendungen eine wesentliche Rolle, von Gegenständen, die wir täglich verwenden, bis hin zu lebenswichtigen Technologien. Die Fähigkeit, die Oberflächengüte präzise zu messen, ist entscheidend, um sicherzustellen, dass technische Oberflächen bestimmte Qualitätsanforderungen erfüllen.

Oberflächenmesstechnologien, einschließlich kontaktbehafteter und berührungsloser Optionen, haben sich erheblich weiterentwickelt und ermöglichen detailliertere Einblicke in Oberflächenstrukturen und -verarbeitung. Unabhängig davon, ob Oberflächen für Haushaltsprodukte oder chirurgische Implantate gemessen werden, ist die Messung der Oberflächengüte erforderlich, um wichtige Produkteigenschaften zu optimieren, die Sicherheit zu gewährleisten und gesetzliche Standards einzuhalten. Durch die Automatisierung werden Prozesse zur Messung der Oberflächengüte noch intelligenter, effizienter und genauer, sodass Hersteller ihre Produktivität maximieren und die Qualität steigern können.

Nick Russo ist Produktmanager bei Mahr. Für weitere Informationen rufen Sie (401) 784-3392 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.mahr.com.

Pat Nugent ist Vizepräsident Produktmanagement bei Mahr. Für weitere Informationen rufen Sie (401) 784-3392 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.mahr.com.