Rauheit berührungslos messen: gefräste, geschliffene und gestrahlte Flächen ohne Tastschnitt prüfen

In fast jedem Messraum der Metallverarbeitung steht ein Rauheitstaster oder ein Konturmessgerät, und über Jahre hat das gereicht. Der Anlass, die Methode zu hinterfragen, kommt meist von außen: Ein Kunde reklamiert eine Dichtfläche, obwohl die getastete Einzelspur in Ordnung war. Ein poliertes Teil darf keine Tastspur davontragen. Eine Nut oder eine kleine Werkzeugschneide ist für die Tastspitze schlicht nicht erreichbar. In solchen Momenten zeigt sich, dass der Tastschnitt eine Linie prüft, während die Funktion einer Fläche an der ganzen Fläche hängt.

Dieser Beitrag richtet sich an Messraum, Prüflabor und Qualitätssicherung in Zerspanung, Schleiferei, Umformung und Oberflächentechnik. Er beschreibt, wo die taktile Messung an Grenzen stößt, was die flächige optische Messung anders macht, wie schwierige Geometrien und große Bauteile geprüft werden und nach welchen Kriterien sich die Aufgabe zwischen einem 3D Laserscanning-Mikroskop und einem 3D-Profilometer aufteilt.

Wichtige Punkte im Überblick

Der Tastschnitt prüft eine Linie, die Funktion hängt aber an der ganzen Fläche: Flächenkenngrößen wie Sa erfassen auch Rattermarken und Einzelkratzer, die zwischen zwei Tastspuren liegen würden.
Bei der flächigen optischen Messung wird die Position der Auswertung nach der Messung gewählt: Profilschnitte lassen sich frei an den auffälligen Befund legen, und neben dem Zahlenwert entsteht ein Bild für den Prüfbericht.
Ohne aufliegende Kufe und Tasteranlauf werden in der Anwendungspraxis auch Nuten, Nutgründe und stirnseitige Flächen bewertet, und für unzugängliche Innenflächen und große Walzen bleibt das Abdruckverfahren mit Auswertung der Replik im Labor.
Auf polierten, beschichteten und dekorativen Flächen ist die Tastspur selbst der Schaden: Die berührungslose Messung lässt das Teil unverändert und erlaubt Wiederholungsmessungen an derselben Stelle, etwa vor und nach einem Poliergang.
Die Systemwahl folgt einer Faustregel aus der Anwendungspraxis: je feiner die geforderte Rauheit und je kleiner die Funktionsfläche, desto eher das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X, je größer das Feld mit Ebenheit, Kontur und Grat, desto eher ein 3D-Profilometer.

Ra, Rz und Sa: was der Tastschnitt zeigt und was er nicht zeigt

Der Tastschnitt liefert Profilkenngrößen wie Ra und Rz entlang einer einzelnen Messstrecke. Das ist reproduzierbar, solange drei Bedingungen stimmen: Die Spur liegt an der richtigen Stelle, sie verläuft in der richtigen Richtung zur Bearbeitung, und die Fläche ist homogen genug, dass eine Linie für das Ganze steht.

Genau diese Bedingungen sind auf realen Teilen oft nicht erfüllt. Eine gefräste Fläche trägt Vorschubmarken, deren Wirkung von der Messrichtung abhängt. Eine gestrahlte Fläche ist regellos, und zwei Spuren liefern zwei Werte. Ein lokaler Fehler, etwa eine Rattermarke oder ein Einzelkratzer, fällt nur auf, wenn die Spur zufällig hindurchläuft. Flächenbezogene Kenngrößen wie Sa erweitern die Aussage von der Linie auf die Fläche und machen sichtbar, was zwischen den Spuren liegt. Wer eine Kundenreklamation über eine leckende Dichtfläche klären will, braucht diese Flächeninformation, denn die undichte Stelle richtet sich nicht nach der Messstrecke.

Flächige Rauheitsmessung: aus einer Linie wird eine Fläche

Optische Systeme erfassen die Topographie eines Messfelds berührungslos und werten sie flächig aus. Aus demselben Datensatz kommen mehrere Aussagen: die flächigen Rauheitskenngrößen, klassische Profilschnitte an frei wählbaren Positionen, Höhenprofile über Absätze und die Darstellung als 3D-Bild, in der eine auffällige Stelle sofort ins Auge fällt.

Für die Praxis hat das zwei Konsequenzen. Erstens wird die Position der Auswertung nach der Messung gewählt, nicht davor. Liegt der interessante Befund neben der ursprünglich geplanten Linie, wird der Profilschnitt einfach dorthin gelegt, ohne neue Aufspannung. Zweitens entsteht neben dem Zahlenwert ein Bild, das im Prüfbericht mehr erklärt als jede Tabelle. In dokumentierten Anwendungen ist genau das der Grund für den Umstieg: Der Kunde einer Schleiferei will nicht nur lesen, dass die Fläche in Ordnung ist, er will es sehen.

Ein weiterer Unterschied betrifft die Bedienung. Die Ausrichtung von Taster, Kufe und Messstrecke entfällt, die Messung läuft mit gespeicherten Einstellungen ab, und in realen Projekten bedienen auch Mitarbeiter aus der Fertigung das Gerät, nicht nur der Messraum.

Schwierige Geometrien: Nuten, Bohrungen, Passungen und Innenflächen

Die Tastspitze braucht Platz und einen Anlauf. An Nuten, kleinen Bohrungen, Passungen und Innenkanten scheitert die taktile Messung deshalb regelmäßig an der Zugänglichkeit, und kleine Werkzeugschneiden oder Stempel bieten schlicht keine ausreichende Messstrecke.

Optisch entspannt sich ein Teil dieser Fälle, weil das Messfeld von oben erfasst wird und keine Kufe aufliegen muss. In der Anwendungspraxis werden so auch schmale Funktionsflächen, Nutgründe und stirnseitige Flächen bewertet, die für den Taster unerreichbar waren. Eine Garantie ist das nicht: Steile Flanken, stark spiegelnde Wände und tiefe, enge Geometrien setzen auch der Optik Grenzen. Ob eine konkrete Nut oder Bohrung messbar ist, gehört deshalb in den Machbarkeitstest mit dem realen Teil, nicht in eine Annahme.

Wo die Fläche selbst unzugänglich bleibt, hilft der Umweg über den Abdruck: Eine Abdruckmasse nimmt die Topographie ab, und gemessen wird die Replik im Labor. Dokumentierte Anwendungen nutzen das für Innenflächen und für Bauteile, die nicht zerlegt werden dürfen.

Empfindliche und polierte Flächen berührungslos prüfen

Auf polierten, beschichteten und dekorativen Flächen ist die Tastspur selbst der Schaden. Uhren- und Sichtteile, polierte Formeinsätze, feinstbearbeitete Dichtflächen und beschichtete Muster vertragen keine Linie quer über die Funktionsfläche, und ein Prüfling, der durch die Prüfung zum Ausschuss wird, ist keine Stichprobe mehr.

Die berührungslose Messung nimmt dieses Risiko aus dem Ablauf. Das Teil wird aufgelegt, gemessen und unverändert weitergegeben, auch mehrfach an derselben Stelle, etwa vor und nach einem Poliergang. In realen Projekten wird so der Fortschritt einer Politur oder die Wirkung eines Strahlprozesses an ein und demselben Teil verfolgt, was mit einer zerstörenden oder markierenden Prüfung nicht möglich wäre. Für sehr fein bearbeitete Flächen, deren Kennwerte am unteren Ende des Messbereichs liegen, ist das 3D Laserscanning-Mikroskop das Gerät der Wahl; mehr dazu bei der Systemwahl weiter unten.

Große Bauteile und Walzen: Verfahrweg, Stativ und Abdruckverfahren

Nicht jedes Teil passt unter ein Labormikroskop. Bleche und Platten brauchen einen großen Tisch oder ein Stativ mit ausreichender Ausladung, damit die Messstelle erreichbar ist, ohne das Teil zu zerteilen. In dokumentierten Anwendungen werden Blechtafeln und lange Profile auf großen Aufspannungen gemessen oder das Messgerät wird über dem Bauteil positioniert statt umgekehrt.

Bei Walzen kommt der Durchmesser dazu. Kleine Walzen lassen sich auflegen und in Segmenten messen, große Walzen bleiben in der Maschine oder im Lager. Hier hat sich das Abdruckverfahren bewährt: Die Abdruckmasse wird an definierten Positionen der Walze genommen, die Repliken wandern ins Labor, und die Auswertung läuft dort mit denselben gespeicherten Einstellungen wie an jeder anderen Probe. Der Bericht dokumentiert die Positionen am Umfang, sodass sich der Zustand einer Walze über Wartungsintervalle hinweg vergleichen lässt. Wie sich Verschleiß an Walzen und Werkzeugen bildhaft verfolgen lässt, zeigt der Beitrag „Bruchflächen, Risse, Grat und Werkzeugverschleiß: Schadensursachen belegen und Reklamationen abwehren".

Systemwahl: 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X oder 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000

Beide Systeme messen berührungslos und flächig, sie beantworten aber unterschiedliche Aufgaben.

Das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X ist das Feininstrument. Es kommt zum Einsatz, wenn die geforderte Rauheit sehr fein ist, wenn kleine Funktionsflächen, Schneiden oder Stifte bewertet werden oder wenn neben der Rauheit sehr feine Stufen und dünne Schichten an Mustern zu erfassen sind. In dokumentierten Anwendungen fällt die Wahl auf das Laserscanning-Mikroskop, sobald die Werte so fein werden, dass ein flächig messendes 3D-Profilometer sie nicht mehr sicher auflöst.

Das 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 spielt seine Stärken an größeren Feldern aus: flächige Rauheit an gefrästen, gestrahlten und umgeformten Flächen, Ebenheit, Kontur und Grathöhe am selben Teil, mit kurzer Messzeit und einfacher Bedienung. In der Anwendungspraxis ist es das Gerät für den Prüfalltag an Serienteilen, während das Laserscanning-Mikroskop die feinen und kritischen Fälle übernimmt. Wo Rauheit nur eine Aufgabe unter vielen ist und vor allem Bilder und Dokumentation zählen, ergänzt ein Digitalmikroskop der Modellreihe VHX den Platz; die Schliff- und Gefügearbeit dazu beschreibt der Hauptartikel „Querschliff, Gefüge und Randzone: Metallographie im eigenen Labor auswerten und dokumentieren".

Messwerte, die im Prüfbericht bestehen: Messstrecke, Filter und Wiederholbarkeit

Ein Rauheitswert ohne seine Randbedingungen ist im Streitfall wertlos. Zu jedem Wert gehören die Kenngröße, die Lage und Größe des Messfelds oder der Messstrecke und die verwendeten Filtereinstellungen, denn dieselbe Fläche liefert mit anderen Einstellungen andere Zahlen.

Drei Regeln haben sich in realen Projekten bewährt. Erstens werden die Auswerteeinstellungen einmal festgelegt, gespeichert und für jede Wiederholungsmessung identisch geladen. Zweitens wird beim Umstieg vom Taster auf die Optik eine Übergangsphase eingeplant, in der beide Methoden an denselben Teilen laufen: Optische und taktile Werte müssen nicht identisch sein, und die eigene Korrelation ist die Grundlage, auf der Grenzwerte mit dem Kunden neu vereinbart oder bestätigt werden. Drittens gehört zu jedem Bericht das Bild der Fläche, denn es beantwortet die Rückfrage, die auf jede Zahl folgt. Wie Rauheit und Schichtdicke in einer Aufspannung zusammenkommen, zeigt der Beitrag „Schichtdicke und Beschichtungsfehler am Metallteil: Galvanik, Lack und Hartstoffschichten sicher beurteilen".

Häufige Fragen

F Warum weichen optische und taktile Rauheitswerte voneinander ab?

Die Verfahren tasten die Oberfläche unterschiedlich ab: mechanisch mit einer Spitze entlang einer Linie, optisch flächig ohne Berührung. Filterung, Messstrecke und die erfasste Struktur unterscheiden sich, deshalb sind Abweichungen normal und kein Fehler eines der Geräte. Bewährt hat sich eine Korrelationsphase, in der beide Methoden an denselben Teilen gemessen und die Grenzwerte auf dieser Basis abgestimmt werden.

F Kann man Rauheit in Nuten und Bohrungen messen?

Häufig ja, weil die optische Messung keine aufliegende Kufe und keinen Tasteranlauf braucht. Steile Flanken, spiegelnde Wände und sehr tiefe, enge Geometrien setzen allerdings auch der Optik Grenzen. Ob eine konkrete Nut oder Bohrung messbar ist, sollte im Machbarkeitstest am realen Teil geklärt werden; für unzugängliche Innenflächen bleibt das Abdruckverfahren die Alternative.

F Was ist der Unterschied zwischen Ra und Sa?

Ra ist eine Profilkenngröße und beschreibt die mittlere Rauheit entlang einer einzelnen Messstrecke. Sa überträgt dasselbe Prinzip auf eine Fläche und mittelt über alle Punkte des Messfelds. Sa erfasst damit auch Strukturen, die zwischen zwei Tastspuren liegen würden, etwa Einzelkratzer oder richtungslose Strahlstrukturen.

F Wie prüfe ich Walzen und Bauteile, die nicht ins Labor passen?

Kleinere Teile werden auf großen Aufspannungen oder unter einem Stativ mit ausreichender Ausladung gemessen. Für Walzen und fest verbaute Flächen hat sich das Abdruckverfahren etabliert: Eine Abdruckmasse nimmt die Topographie an definierten Positionen ab, und die Replik wird im Labor mit gespeicherten Einstellungen ausgewertet. Die Positionen werden im Bericht dokumentiert, damit Folgemessungen vergleichbar bleiben.

F Wann VK-X, wann VR-6000?

Als Faustregel aus der Anwendungspraxis: je feiner die geforderte Rauheit und je kleiner die Funktionsfläche, desto eher das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X; je größer das Feld und je stärker Ebenheit, Kontur und Grat mitgeprüft werden, desto eher das 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000. Viele Labore betreiben beide Geräte für unterschiedliche Prüfpläne. Die Zuordnung sollte an eigenen Teilen im Test bestätigt werden.

F Ersetzt die optische Messung den Tastschnitt vollständig?

Nicht zwangsläufig. Manche Kundenzeichnungen und Altverträge schreiben taktil ermittelte Kenngrößen vor, und dann bleibt der Taster als Referenz im Haus. In der Praxis übernimmt die optische Messung die Fälle, die der Taster nicht abdeckt: flächige Aussagen, empfindliche Flächen, schwierige Geometrien und die bildhafte Dokumentation für den Prüfbericht.

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