Rauheit und Form berührungslos messen: Implantate, Instrumente und Pharma-Oberflächen ohne Tastschnitt prüfen

Bei vielen Bauteilen in der Medizintechnik und in der Pharmaproduktion ist die Oberfläche keine Nebensache, sondern die eigentliche Funktion. Die Rauheit einer Implantatoberfläche beeinflusst das Einwachsverhalten. Die Glätte einer Edelstahlmembran in einer Prozessanlage entscheidet darüber, ob sich Rückstände absetzen. Die Textur einer Keramikkalotte bestimmt das Gleitverhalten. Und wenn eine Reklamation kommt, lautet der Vorwurf oft genau so: Die Oberfläche stimmt nicht.

Gemessen wird das traditionell mit einem Tastschnittgerät, das eine Diamantspitze über die Oberfläche zieht. Das Verfahren ist etabliert, gut verstanden und in vielen Prüfvorschriften verankert. An genau den Bauteilen, um die es hier geht, stößt es allerdings an mehrere Grenzen. Dieser Beitrag zeigt, welche das sind, wie eine berührungslose Messung funktioniert, was sie über Rauheit hinaus liefert und wie Sie zwischen einem 3D Laserscanning-Mikroskop und einem 3D-Profilometer wählen.

Wichtige Punkte im Überblick

Der Tastschnitt stößt an Implantaten und empfindlichen Oberflächen an zwei Grenzen: die Tastspitze hinterlässt auf polierten Flächen, weichen Beschichtungen und dünnen Membranen eine sichtbare Riefe, und ein einzelner Schnitt beschreibt eine Linie statt der Fläche.
Eine optische Höhenmessung tastet die Oberfläche nicht an und leitet aus dem Höhenmodell Profilkennwerte wie Ra und Rz, Flächenkennwerte wie Sa, Stufenhöhen bis in den Nanometerbereich und die Form aus derselben Aufnahme ab.
Die wiederkehrenden Aufgaben sind hochglatte Implantat- und Keramikflächen, Edelstahlmembranen in Prozessanlagen, enge Crimp- und Fügebereiche sowie poröse Oberflächen additiv gefertigter Strukturen.
Die Sensorwahl folgt der Messfeldgröße und den aufzulösenden Höhenunterschieden: ein 3D Laserscanning-Mikroskop für kleine Ausschnitte und feinste Rauheiten, ein 3D-Profilometer für größere Flächen samt Kontur, Radien und Ebenheit.
Ein Rauheitswert ist nur mit Angabe von Messstelle, Messfeldgröße und, bei Profilkennwerten, Schnittrichtung vergleichbar, weshalb diese Festlegungen in die Prüfanweisung gehören.

Warum der Tastschnitt an Implantaten und empfindlichen Oberflächen an Grenzen stößt

Vier Einschränkungen tauchen in der Prüfpraxis regelmäßig auf.

Die Messung hinterlässt eine Spur. Eine Tastspitze aus Diamant oder Saphir zieht mit definierter Auflagekraft über das Werkstück. An polierten Implantatoberflächen, an weichen Beschichtungen, an Kunststoffteilen und an dünnen Membranen bleibt eine sichtbare Riefe. Bei einem Serienteil aus der laufenden Fertigung ist das hinnehmbar, bei einem Muster aus einer Reklamation oder einem einzelnen Prototyp häufig nicht. Das geprüfte Teil ist danach kein Verkaufsteil mehr.

Ein Schnitt ist keine Fläche. Der Tastschnitt liefert ein Profil entlang einer Linie. Ob diese Linie repräsentativ liegt, weiß niemand sicher. Bei gerichteten Bearbeitungsspuren hängt das Ergebnis davon ab, ob quer oder längs zur Riefenrichtung gemessen wurde, und lokale Auffälligkeiten neben der Spur bleiben unentdeckt.

Die Geometrie schränkt ein. Kleine Kalotten, enge Nuten, Crimpbereiche, Drähte, Fasern und stark gekrümmte Flächen sind für eine Tastspitze schwer oder gar nicht zugänglich. Häufig muss das Bauteil dafür getrennt werden, was bei einem Beweismittel ausscheidet.

Die Rüstzeit ist hoch. Ausrichten, Einspannen, Taststrecke festlegen, messen, umspannen für die nächste Stelle. Bei mehreren Messstellen je Teil summiert sich das erheblich.

Damit ist der Tastschnitt nicht überholt. Er bleibt das Referenzverfahren für viele Freigaben. Für empfindliche, kleine oder einmalige Proben und für die Frage nach der Fläche statt der Linie braucht es ein zweites Verfahren daneben.

Rauheit (Ra, Rz, Sa), Stufenhöhe und Form berührungslos erfassen

Eine optische Höhenmessung tastet die Oberfläche nicht an, sondern erfasst sie flächig über ein optisches Verfahren wie konfokalen Laser, Fokusvariation, Weißlichtinterferometrie oder Streifenlichtprojektion und setzt daraus ein Höhenmodell zusammen. Aus diesem Modell lassen sich verschiedene Kennwerte ableiten.

Profilkennwerte wie Ra und Rz entstehen aus einem virtuellen Schnitt durch das Höhenmodell. Der Vorteil gegenüber dem Tastschnitt liegt darin, dass die Schnittlage nachträglich gewählt und beliebig oft variiert werden kann, ohne das Bauteil erneut zu messen.
Flächenkennwerte wie Sa beschreiben die gesamte gemessene Fläche statt einer Linie. Diese flächenbezogene Betrachtung nach ISO 25178 ist bei gerichteten Bearbeitungsspuren und bei ungleichmäßigen Oberflächen deutlich aussagekräftiger.
Stufenhöhen an Absätzen, Beschichtungskanten, geätzten Strukturen und Membranprägungen werden direkt aus dem Höhenmodell abgelesen, bis in den Nanometerbereich hinein.
Form und Kontur wie Radien, Ebenheit, Welligkeit und Krümmungsverläufe ergeben sich aus derselben Aufnahme, sodass Rauheit und Form nicht getrennt gemessen werden müssen.

Weil die vollständige Höheninformation gespeichert bleibt, lässt sich Monate später ein anderer Kennwert aus derselben Messung ableiten, ohne das Bauteil erneut zu benötigen.

Funktionsflächen in Medizin und Pharma: Keramik, Edelstahlmembranen, Crimp-Bereiche

Die Aufgaben, die in realen Projekten wiederkehren, lassen sich in wenige Gruppen fassen.

Implantate und Keramikkomponenten. Kugeln, Kalotten und Gleitflächen mit hochglatten Funktionsbereichen, bei denen sowohl die Rauheit als auch die Formabweichung interessiert. Der Tastschnitt scheidet hier häufig aus, weil er die polierte Fläche beschädigt.

Edelstahlmembranen und Prozessoberflächen. Sensor- und Trennmembranen in Pharma- und Lebensmittelanlagen, bei denen eine definierte Glätte gefordert ist, damit sich keine Rückstände festsetzen. Gemessen wird an dünnen, empfindlichen und teils gewölbten Flächen.

Crimp- und Fügebereiche. Übergänge an Kontakten, Kanülen und Verbindungen, an denen die Oberflächenstruktur Rückschlüsse auf den Fügeprozess erlaubt. Die Geometrie ist eng, und eine Tastspitze kommt schlecht heran.

Additiv gefertigte Strukturen. Poröse Oberflächen an gedruckten Scaffolds und Gitterstrukturen, bei denen weniger ein einzelner Rauheitswert als die Topographie insgesamt beurteilt wird.

Beschichtete Flächen und Kleinteile. Stufen an Beschichtungskanten im Bereich weniger Nanometer bis Mikrometer sowie dünne Drähte und Fasern, bei denen schon das Einspannen für eine taktile Messung problematisch ist.

Zerstörungsfrei und ohne Probenvorbereitung: schneller vom Muster zum Kennwert

Der Zeitgewinn der optischen Messung liegt weniger in der reinen Messdauer als im Wegfall der Nebenzeiten. Die Probe wird aufgelegt, der Messbereich am Bildschirm gewählt, die Aufnahme gestartet. Es entfällt das Einspannen, das Ausrichten der Taststrecke und das Umspannen für jede weitere Messstelle.

Ebenso wichtig ist, was nicht passiert. Das Bauteil bleibt unversehrt, kann anschließend weiterverwendet, an den Kunden zurückgegeben oder mit einem zweiten Verfahren nachgemessen werden. Bei Reklamationsmustern ist genau das oft die Bedingung, unter der die Untersuchung überhaupt stattfinden darf.

Ein Punkt gehört ehrlich dazu. Steile Flanken, spiegelnde und transparente Oberflächen stellen unterschiedliche Anforderungen an das gewählte Verfahren. Beim Streifenlichtverfahren müssen transparente Teile vorbereitet werden, etwa über eine Abdruckmasse, während das konfokale Laserverfahren steile Flanken und transparente Schichten in der Regel direkt erfasst. Wer von taktil auf optisch umstellt, sollte Vergleichsmessungen an denselben Stellen durchführen und die Abweichungen dokumentieren, bevor die Prüfvorschrift geändert wird.

Sensorwahl: 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X und 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 im Vergleich

Für die berührungslose Oberflächenmessung stehen zwei unterschiedlich ausgelegte Werkzeuge zur Verfügung.

Ein 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X ist das Instrument für das Feine. Es arbeitet als Labor- und Probeninstrument, erfasst kleine Ausschnitte mit hoher Höhenauflösung und liefert Rauheitskennwerte bis in den Nanometerbereich sowie sehr flache Stufenhöhen. Es ist die richtige Wahl, wenn die zu beurteilende Struktur klein ist, wenn die geforderten Kennwerte sehr niedrig liegen oder wenn eine polierte, hochglatte Funktionsfläche charakterisiert werden soll.

Ein 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 ist das Instrument für die Fläche. Es erfasst größere Bereiche in einer Aufnahme und liefert flächige Rauheitskennwerte nach ISO 25178 zusammen mit Kontur, Ebenheit, Radien und Formabweichungen. Es passt, wenn nicht ein kleiner Ausschnitt, sondern das gesamte Bauteil oder eine größere Funktionsfläche beurteilt wird und wenn Form und Rauheit gemeinsam gefragt sind.

Die Auswahl folgt in der Praxis diesen Fragen:

Wie groß ist die Fläche, über die eine Aussage getroffen werden soll?
Wie klein sind die Höhenunterschiede, die aufgelöst werden müssen?
Geht es primär um einen Rauheitskennwert oder auch um Form, Kontur und Ebenheit?
Wie viele Proben werden geprüft, und in welchem Takt?

Beide Verfahren schließen sich nicht aus. In Laboren mit gemischtem Aufgabenspektrum stehen sie nebeneinander, das Laserscanning-Mikroskop für die feine Charakterisierung, das Profilometer für Form und Fläche. Wo es zusätzlich um Abbildung, Schliffbeurteilung und Materialfrage geht, ergänzt ein Digitalmikroskop die Kette.

Vom Labor-Stichprobentest zur objektiven Qualitätsdokumentation

Die meisten Anwendungen beginnen als Einzelfall. Ein Kunde reklamiert eine Oberfläche, ein Prozess wird umgestellt, ein neuer Lieferant liefert das erste Muster. Damit daraus eine belastbare Qualitätsaussage wird, braucht es einige Festlegungen.

Zunächst die Messstelle. Ein Rauheitswert ohne Angabe, wo und in welcher Ausdehnung gemessen wurde, ist nicht vergleichbar. Legen Sie Position, Messfeldgröße und, bei Profilkennwerten, die Schnittrichtung fest und halten Sie beides in der Prüfanweisung fest.

Dann die Kennwerte. Klären Sie mit dem Kunden oder der Entwicklung, welche Kennzahl die Funktion tatsächlich beschreibt. Ein flächenbezogener Wert ist bei ungleichmäßigen Oberflächen oft aussagekräftiger als ein Profilwert, wird aber seltener spezifiziert.

Schließlich die Dokumentation. Zum Kennwert gehören das Höhenbild oder der Profilschnitt, der Messbereich, die Einstellungen und das Datum. Werden die Einstellungen mitgespeichert und wieder abgerufen, sind Messungen über Chargen und Monate hinweg vergleichbar, und eine Wiederholung im Audit ist möglich. Nehmen Sie für den Machbarkeitstest eigene Teile mit, bewusst auch die glänzenden und gekrümmten.

Häufige Fragen

F Wie misst man Rauheit an einem Implantat, ohne die Oberfläche zu beschädigen?

Berührungslos über eine optische Höhenmessung, die die Oberfläche punktweise erfasst und ein Höhenmodell berechnet, ohne sie anzutasten. Ein 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X liefert daraus Rauheitskennwerte bis in den Nanometerbereich, ohne die polierte Fläche zu verkratzen. Das Bauteil bleibt anschließend verwendbar und kann zurückgegeben oder mit einem zweiten Verfahren nachgemessen werden.

F Was ist der Unterschied zwischen Ra und Sa?

Ra ist ein Profilkennwert und beschreibt die mittlere Rauheit entlang einer Messlinie. Sa ist der entsprechende Flächenkennwert und beschreibt die gesamte gemessene Fläche nach ISO 25178. Bei gerichteten Bearbeitungsspuren oder ungleichmäßigen Oberflächen ist Sa aussagekräftiger, weil das Ergebnis nicht davon abhängt, wo die Messlinie zufällig liegt.

F Kann eine optische Messung das Tastschnittgerät ersetzen?

Für viele Aufgaben ja, insbesondere bei empfindlichen, kleinen oder einmaligen Proben und wenn eine Fläche statt einer Linie beurteilt werden soll. Verfahrensbedingte Abweichungen zwischen taktiler und optischer Messung sind normal und sollten in der Umstellungsphase durch Vergleichsmessungen an denselben Stellen ermittelt und dokumentiert werden. Erst danach sollte die Prüfvorschrift angepasst werden.

F Wann brauche ich ein 3D Laserscanning-Mikroskop und wann ein 3D-Profilometer?

Ein 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X ist die Wahl für kleine Ausschnitte, sehr feine Rauheiten und flache Stufenhöhen an hochglatten Funktionsflächen. Ein 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 erfasst größere Flächen in einer Aufnahme und liefert neben flächiger Rauheit auch Kontur, Radien und Ebenheit. Entscheidend sind Messfeldgröße, die aufzulösenden Höhenunterschiede und die Frage, ob Form mitbeurteilt werden soll.

F Wie misst man eine Stufenhöhe im Nanometerbereich?

Aus dem berührungslos aufgenommenen Höhenmodell wird ein Profilschnitt quer über die Stufe gelegt und die Höhendifferenz zwischen den beiden angrenzenden Ebenen bestimmt. Ein 3D Laserscanning-Mikroskop erreicht dabei eine Höhenauflösung im Nanometerbereich. Wichtig ist, die Bezugsebenen ausreichend groß zu wählen, damit lokale Rauheit das Ergebnis nicht verfälscht.

F Welche Oberflächen sind für die optische Messung schwierig?

Entscheidend ist die Wahl des Verfahrens. Transparente Teile erfordern beim Streifenlichtverfahren eine Vorbereitung, etwa über eine Abdruckmasse, während das konfokale Laserverfahren transparente Schichten und steile Flanken in der Regel direkt erfasst. Sehr große oder schwere Teile lassen sich über einen Abdruck der Messfläche prüfen, und stark strukturierte, poröse Oberflächen können Bereiche enthalten, die optisch verdeckt bleiben. Prüfen Sie diese Fälle im Machbarkeitstest an Ihren eigenen Teilen, statt sie aus einem Datenblatt abzuleiten.

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