Rauheit, Ebenheit und Kontur an Kunststoff und Elastomer berührungslos messen

Ein Rauheitstaster fährt über eine Dichtlippe aus EPDM und liefert einen Wert. Nur welchen? Die Spitze drückt das Material ein, rutscht auf der glatten Stelle ab und zeichnet auf der strukturierten Stelle eher ihre eigene Geometrie als die Oberfläche. Auf einem Sichtteil bleibt die Spur außerdem sichtbar, und damit ist das Teil Ausschuss.

Dieser Beitrag richtet sich an Messraum, Prüflabor und Qualitätssicherung in der Kunststoff- und Gummiverarbeitung. Er beschreibt, wie Rauheit, Ebenheit, Verzug und Kontur an Polymerbauteilen berührungslos erfasst werden, worin sich flächige und spurweise Messung unterscheiden und wie sich die Aufgabe zwischen einem 3D-Profilometer und einem 3D Laserscanning-Mikroskop aufteilt.

Wichtige Punkte im Überblick

An weichen, schwarzen und strukturierten Polymeroberflächen wird der Tastschnitt unsicher: Die Spitze drückt das Material ein, hinterlässt auf Sichtflächen eine sichtbare Spur und erfasst nur eine einzelne Linie statt der Fläche.
Berührungslose Verfahren erfassen die Oberfläche als Höhenbild: Daraus kommen weiterhin Profilkennwerte wie Ra und Rz an definierten Schnitten und zusätzlich Flächenkennwerte wie Sa, die die gesamte betrachtete Fläche beschreiben.
Ein 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 ist die Wahl, wenn Form im Vordergrund steht: Ebenheit, Verzug, Kontur, Profilschnitt und gröbere Rauheit kommen aus einer Aufnahme, und weitere Schnitte lassen sich nachträglich aus dem Datensatz entnehmen.
Wird der Kennwert fein, etwa an polierten oder beschichteten Funktionsflächen, feinen Werkzeugstrukturen oder sehr flachen Kratzern, übernimmt ein 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X.
Dichtlippen und Elastomere werden am unbelasteten Bauteil beurteilt, weil die optische Messung die funktionsbestimmende Kontur nicht verformt und das Teil anschließend verwendbar bleibt.

Warum der Tastschnitt an weichen, schwarzen und strukturierten Oberflächen unsicher wird

Der Tastschnitt ist ein bewährtes Verfahren, das an Metall solide arbeitet. An Polymeren stößt er in der Anwendungspraxis auf vier Punkte.

Eindrücken. Elastomere und weiche Thermoplaste geben unter der Tastspitze nach. Gemessen wird dann eine Mischung aus Oberfläche und Nachgeben des Materials, und der Wert hängt von der Auflagekraft ab.
Spurbildung. Auf lackierten, hochglänzenden oder narbig strukturierten Sichtflächen hinterlässt die Spitze eine sichtbare Bahn. An einem Bauteil, das anschließend ausgeliefert werden soll, ist die Messung damit zerstörend.
Einzelspur statt Fläche. Ein Tastschnitt liefert ein Profil entlang einer Linie. Ob diese Linie repräsentativ liegt, entscheidet die Person, die das Teil einspannt. Bei einer Narbung, einer Fließlinie oder einer Werkzeugstruktur ist die Streuung über die Fläche oft größer als die Streuung entlang einer Spur.
Zugänglichkeit. Dichtlippen in Nuten, kleine Radien und hinterschnittene Geometrien lassen sich mit einer Tastspitze schlecht anfahren.

Ein Konturograph arbeitet ebenfalls spurweise und mit Kontakt. In dokumentierten Anwendungen ist der Auslöser für einen Wechsel meist nicht der Messwert, sondern die Kalibrier- und Wartungssituation eines alten Geräts.

Ra, Rz und Sa an Kunststoff: von der Einzelspur zur Flächenmessung

Berührungslose Verfahren erfassen die Oberfläche als Höhenbild und rechnen daraus die Kennwerte. Das verändert die Aussage in zwei Richtungen.

Die erste ist die Vergleichbarkeit mit dem Bisherigen. Aus dem Höhenbild lassen sich Profilschnitte an definierten Positionen entnehmen und daraus die klassischen Profilkennwerte wie Ra und Rz berechnen. Die Anbindung an vorhandene Zeichnungsangaben und Lieferantenvereinbarungen bleibt damit erhalten.

Die zweite ist der Gewinn. Flächenkennwerte wie Sa beschreiben die gesamte betrachtete Fläche statt einer Linie. Bei einer Werkzeugnarbung, einer Fließlinie oder einer Dichtfläche sagt das mehr aus als eine Spur, weil die räumliche Struktur mit erfasst wird. Anstelle einer einzelnen Zahl entsteht eine Karte, in der sichtbar wird, wo die Oberfläche abweicht.

Ein Flächenkennwert ist kein Ersatz für einen Profilkennwert, sondern eine andere Größe. In realen Projekten hat es sich bewährt, beide eine Übergangszeit lang parallel auszugeben und die Umstellung erst nach einem dokumentierten Vergleich mit dem Kunden festzuschreiben.

Ebenheit, Verzug und Profilschnitt am ganzen Bauteil erfassen

Bei Spritzgussteilen ist die Formabweichung häufig die eigentliche Frage. Ein Deckel, der nicht plan aufliegt, ein Rahmen, der sich beim Abkühlen zieht, ein Profilausschnitt mit abweichender Kontur, das sind flächige Themen und keine Punktmessungen.

Ein 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 nimmt die Oberfläche eines kleinen bis mittelgroßen Bauteils in einem Durchgang als Höhenbild auf. Aus diesem Datensatz kommen anschließend ohne neue Aufnahme:

Ebenheit und Planität einer Auflage- oder Dichtfläche
Verzug und Welligkeit über das ganze Teil, dargestellt als Falschfarbenkarte
Profilschnitte und Konturen an beliebigen Positionen, auch nachträglich
Stufenhöhen, Winkel und Radien an Kanten, Rippen und Grathöhen
flächige Rauheitskennwerte auf den betrachteten Bereichen

Der Unterschied liegt in der Reihenfolge. Beim taktilen Messen wird zuerst entschieden, wo gemessen wird. Beim flächigen Erfassen wird zuerst gemessen und dann entschieden, welcher Schnitt interessiert. Kommt eine Woche später die Frage nach einer anderen Stelle, liegt die Antwort im vorhandenen Datensatz.

Geht es um die Form des vollständigen Bauteils inklusive Rückseite und um einen Abgleich mit dem CAD-Modell, ist ein 3D-Scanner der Modellreihe VL-800 die passende Ergänzung. Hochglänzende und transparente Oberflächen brauchen dabei eine Vorbehandlung, etwa mit einem Mattierungsspray, oder eine angepasste Aufnahmestrategie.

Dichtlippen, Dichtringe und Elastomere messen, ohne die Oberfläche zu verformen

Dichtgeometrien sind der Fall, in dem die berührungslose Messung den größten Unterschied macht. Eine Dichtlippe, ein O-Ring oder ein Dichtring aus Elastomer hat eine funktionsbestimmende Kontur im Zehntel- und Hundertstelbereich, und genau diese Kontur verändert sich unter jeder Auflagekraft.

Optisch bleibt die Geometrie unverändert. Damit lassen sich Lippenradius, Kontaktbreite, Kontur und Oberflächenzustand am unbelasteten Bauteil beurteilen, und das Teil bleibt anschließend verwendbar. Bei Vulkanisationsfehlern, Fließmarken und Formtrennrückständen an der Lippe ist der optische Eindruck ohnehin Teil des Befunds.

Zwei Randbedingungen gehören dazu. Tiefschwarze Elastomere reflektieren wenig, stark strukturierte Oberflächen streuen das Licht. Beides ist handhabbar, hängt aber vom Material ab, weshalb in dokumentierten Anwendungen jede Auslegung an einem Test mit echten Musterteilen hängt. Nehmen Sie dafür bewusst die schwierigen Teile mit.

Der zweite Punkt ist die Ablage. Weiche Teile verformen sich schon durch ihr Eigengewicht. Eine definierte, wiederholbare Auflage ist bei Elastomeren wichtiger als bei starren Bauteilen und gehört in den Prüfplan.

Gerätewahl: 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 und 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X

Beide Geräte messen berührungslos und beide liefern Höhendaten, sie beantworten aber unterschiedliche Fragen. Die Arbeitsteilung lässt sich qualitativ beschreiben.

Ein 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 ist die Wahl, wenn Form im Vordergrund steht: Ebenheit, Verzug, Kontur, Profilschnitt, Stufenhöhe und Grathöhe über einen größeren Bereich, dazu Rauheit im gröberen Bereich. Es arbeitet schnell, nimmt ganze kleine Bauteile in einem Durchgang auf und ist in der Bedienung so aufgebaut, dass Prüfpersonal ohne Messtechnikausbildung damit arbeiten kann.

Ein 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X übernimmt, wenn der Kennwert fein wird. In dokumentierten Anwendungen ist das der wiederkehrende Befund, dass eine Rauheit oder eine Stufe für die makroskopische Messung zu fein werden kann. Typische Fälle sind polierte oder beschichtete Funktionsflächen, feine Werkzeugstrukturen, sehr flache Kratzer und die Tiefe eines feinen Risses; Stufenhöhen lassen sich dabei bis in den Nanometerbereich erfassen. Der Preis dafür ist ein kleinerer Bereich und mehr Messzeit.

Nützlich ist der Einstieg über die Toleranz. Geht es um Form über eine Fläche im Hundertstelbereich, ist das 3D-Profilometer die passende Antwort. Geht es um feinste Oberflächenstruktur, gehört die Aufgabe an das Laserscanning-Mikroskop. In Grenzfällen klärt der Vergleich am realen Bauteil die Frage schneller als jede Tabelle.

Beide Geräte sind hier Labor- und Musterinstrumente. Sie messen ein entnommenes Teil im Messraum, nicht die laufende Bahn und nicht die Rolle in der Maschine. Die Prüfung im Takt gehört zu den Systemen in der Linie, wie im Hauptartikel „Fehleranalyse an Spritzgussteilen: Einfallstellen, Grate, Bindenähte und Risse beurteilen und belegen" abgegrenzt.

Vom Einzelwert zur Serienmessung: Prüfmodus, Messzeit und Bedienbarkeit in der QS

Ein einzelner Messwert beweist wenig. Aussagekraft entsteht über mehrere Teile, Kavitäten und Schichten, und genau daran scheiterte das taktile Verfahren in vielen Betrieben, weil eine Messung zu lange dauerte.

Drei Punkte machen aus der Einzelmessung eine Serienbetrachtung. Erstens eine gespeicherte Messvorlage, die Ausrichtung, Auswertebereiche und Kennwerte festlegt, sodass jedes weitere Teil identisch bewertet wird. Zweitens ein geführter Prüfablauf, in dem das Personal das Teil auflegt, startet und ein Ergebnis erhält, ohne Parameter zu suchen. Drittens eine weiterverarbeitbare Ausgabe, damit Streuungen über Kavitäten und über die Zeit auffallen.

Rechnen Sie bei der Beschaffung die Mehrfachnutzung ein. Dieselbe Plattform beantwortet Form-, Rauheits- und Konturfragen, und ergänzt um ein Digitalmikroskop der Modellreihe VHX kommen Fehlerbilder, Bruchflächen und Schliffe hinzu. Weiter führen die Beiträge „Bruchflächen und Risse an Kunststoffteilen: Schadensursache finden und Reklamationen belegen", „Partikel, Füllstoff und Kunststoffsorten unter dem Mikroskop: Granulat, Mahlgut und Sichtscheiben prüfen" und „Schliffbilder an Kunststoffbauteilen: Wandstärke, Schichtaufbau und Verbundfolien im Querschnitt vermessen", den industriellen Rahmen spannt die Übersichtsseite „Automatisierung und Qualitätssicherung in der Kunststoff- und Gummiverarbeitung".

Häufige Fragen

F Warum ist eine Rauheitsmessung mit Tastschnitt an Kunststoff und Gummi problematisch?

Weiche Thermoplaste und Elastomere geben unter der Tastspitze nach, sodass der Messwert von der Auflagekraft abhängt. Auf glänzenden oder narbig strukturierten Sichtflächen hinterlässt die Spitze zusätzlich eine sichtbare Spur, womit die Messung am auszuliefernden Teil zerstörend wird. Ein optisches Verfahren erfasst die Oberfläche ohne Kontakt und verändert sie nicht.

F Was ist der Unterschied zwischen Ra und Sa?

Ra ist ein Profilkennwert und beschreibt die Rauheit entlang einer Linie. Sa ist ein Flächenkennwert und beschreibt den betrachteten Flächenbereich als Ganzes. Bei strukturierten Oberflächen wie einer Werkzeugnarbung ist der Flächenwert aussagekräftiger, weil die Streuung über die Fläche größer sein kann als entlang einer einzelnen Spur. Beide Größen sind nicht direkt ineinander umrechenbar, weshalb ein Verfahrenswechsel mit dem Kunden abzustimmen ist.

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

Für Form über eine Fläche, also Ebenheit, Verzug, Kontur, Profilschnitt und Stufenhöhe, sowie für Rauheit im gröberen Bereich ist ein 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 die schnellere und einfachere Lösung. Wird der Kennwert fein, etwa bei polierten oder beschichteten Funktionsflächen, feinen Werkzeugstrukturen oder sehr flachen Kratzern, übernimmt ein 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X. In Grenzfällen klärt ein Vergleich am realen Bauteil die Zuordnung.

F Lässt sich der Verzug eines Spritzgussteils berührungslos messen?

Ja. Das Bauteil wird flächig als Höhenbild erfasst, und aus diesem Datensatz kommen Ebenheit, Welligkeit und Verzug als Falschfarbendarstellung sowie Profilschnitte an beliebigen Positionen. Weil die gesamte Fläche vorliegt, lassen sich weitere Schnitte später ohne neue Messung entnehmen. Bei weichen Teilen gehört eine definierte, wiederholbare Ablage zum Prüfplan, weil das Eigengewicht die Form beeinflusst.

F Funktioniert die optische Messung an schwarzen und glänzenden Kunststoffoberflächen?

In vielen Fällen ja, allerdings hängt es vom Material ab. Tiefschwarze gefüllte Oberflächen reflektieren wenig, hochglänzende Flächen spiegeln, und stark strukturierte Oberflächen streuen das Licht. Diese Randbedingungen sind handhabbar, sollten aber an echten Musterteilen geprüft werden statt an einem sauberen Referenzmuster.

F Kann eine optische Messung einen Konturographen ersetzen?

Für Kontur- und Profilaufgaben an Kunststoff- und Gummibauteilen ist das in der Anwendungspraxis der häufigste Grund für den Wechsel. Aus dem flächigen Höhenbild werden Profilschnitte an definierten Positionen entnommen und daraus Kontur, Winkel, Radien und Profilkennwerte berechnet. Für die Umstellung sollten beide Verfahren eine Zeit lang parallel laufen und der Vergleich dokumentiert werden.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Automatisierung und Qualitätssicherung in der Kunststoff- und Gummiverarbeitung: Der Überblick für Verarbeiter

Hauptartikel zum Thema: Fehleranalyse an Spritzgussteilen: Einfallstellen, Grate, Bindenähte und Risse beurteilen und belegen

Weiterer Artikel im Thema: Partikel, Füllstoff und Kunststoffsorten unter dem Mikroskop: Granulat, Mahlgut und Sichtscheiben prüfen

Weiterer Artikel im Thema: Bruchflächen und Risse an Kunststoffteilen: Schadensursache finden und Reklamationen belegen

Weiterer Artikel im Thema: Schliffbilder an Kunststoffbauteilen: Wandstärke, Schichtaufbau und Verbundfolien im Querschnitt vermessen