Lubomír Zeman: Spritzgießen und Oberflächenqualität, 1. Teil

EINLEITUNG – Oberflächengüte im Bereich des Thermoplast-Spritzgießens – Rauheit von Formeinsätzen für Spritzgießwerkzeuge vs. Glanz, Matt oder Narbung von Formen und Oberflächen der thermoplastischen Spritzgussteile 

In der Maschinenbau- und Kunststoffpraxis ist eine vollständige Beschreibung der Tolerierung in der technischen Dokumentation ein eindeutiges Instrument zur Erfüllung der Anforderungen des Konstrukteurs des Spritzgussteils, der alle geforderten funktionalen Eigenschaften in dessen Konstruktion eingebracht hat. Dank dessen wird das resultierende Produkt nicht durch persönliche Meinungen einzelner Mitarbeiter beeinflusst, und bei der Qualitätskontrolle werden korrekte Teile klar von Ausschuss unterschieden. Das Ergebnis hängt von der optimalen Festlegung der Toleranzen, deren Einhaltung bei der Fertigung und der anschließenden ordnungsgemäß durchgeführten Produktkontrolle ab.

An die kontrollierten Qualitätsmerkmale, meist funktionale Eigenschaften, müssen sich deren Toleranzen anschließen (eine reproduzierbare Fertigung von Teilen mit Nulltoleranz ist in der Fertigungspraxis nicht realisierbar), die wir in zwei Hauptgruppen unterteilen können – Toleranzen der Materialeigenschaften und geometrische Toleranzen. Geometrische Toleranzen werden in mehrere Untergruppen unterteilt: Maßtoleranzen, Formtoleranzen, Positionstoleranzen und Rauheitstoleranzen.

Rauheit ist eine Eigenschaft, die Teil der Oberfläche ist, und wir schließen sie zusammen mit anderen Parametern in den Begriff Oberflächenintegrität ein. Die Oberflächenintegrität der Formkavität eines Spritzgießwerkzeugs ist ein Konglomerat von Eigenschaften, deren Auflistung in Abbildung 1 dargestellt ist.

Abbildung 1: Oberflächenintegrität der Formkavität eines Spritzgießwerkzeugs

Die Oberflächenintegrität gibt das gegenseitige Verhältnis zwischen geometrischen (insbesondere maßlichen) und physikalischen (insbesondere materiellen) Eigenschaften der Oberfläche an, wobei die einzelnen Eigenschaften die Lebensdauer und die Fähigkeit der Oberfläche zur Erfüllung der geforderten Funktionen prädestinieren.

Materialtoleranzen geben Auskunft über Unsicherheiten der chemischen Zusammensetzung des Materials, den strukturellen Aufbau auf atomarer Ebene und dessen physikalische Eigenschaften. Zu den physikalischen Eigenschaften gehören beispielsweise: Elastizität, Festigkeit, Härte, magnetische Eigenschaften, thermische und elektrische Leitfähigkeit. Diese Eigenschaften des Basismaterials können von den Eigenschaften in der Oberflächenschicht abweichen, die uns im Folgenden aus funktionaler Sicht interessieren wird. 

Als Oberflächenintegrität betrachten wir das Verhältnis zwischen den geforderten funktionalen Eigenschaften der Oberfläche und der Änderung der Eigenschaften der neuen Oberfläche, die durch die Fertigung mit einem bestimmten technologischen Verfahren entstanden sind. Dies wird durch das Verhältnis von Mikro-Unebenheiten (geometrische Eigenschaften) zu physikalischen Eigenschaften (Spannung und Härte) verursacht. Die Oberfläche lässt sich anhand von zwei grundlegenden Oberflächeneigenschaften bewerten, nämlich der räumlichen Anordnung der Oberfläche und den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberflächenschicht.

Einer der wichtigsten Parameter, die die Oberflächenqualität, die Betriebseigenschaften der Oberfläche, die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Produkts – des Formeinsatzes des Werkzeugs – beeinflussen, ist dessen Oberflächengüte.

Die Oberflächengüte ist eine Gesamtheit von Eigenschaften der untersuchten Fläche eines gegebenen Objekts, die wir unterteilen in Eigenschaften der räumlichen Oberflächenanordnung – Rauheit (Textur – Oberflächenstruktur, Morphologie – Lehre von den Formen) und in physikalische und chemische Eigenschaften. Allgemein hängen von der Oberflächengüte Eigenschaften wie beispielsweise ab: Effizienz, Zuverlässigkeit, funktionale Eigenschaften, äußeres Erscheinungsbild und nicht zuletzt auch die Kosten bezogen auf den gesamten Fertigungsprozess. Bei der spanenden Bearbeitung beeinflussen wir die Oberflächengüte durch die Wahl des Werkstückmaterials, des richtigen Schneidwerkzeugs, die Auswahl geeigneter Schnittbedingungen, Kühlschmiermittel usw. Bei dynamisch beanspruchten Bauteilen beschäftigen wir uns mit Ermüdungskoeffizienten, Eigenschaften des gewählten Materials und untersuchen den Ermüdungsbruch, der auf der Oberfläche des Bauteils oder unmittelbar darunter entsteht. Hinsichtlich der statischen Belastung begegnen wir am häufigsten Fällen von Druck-, Zug-, Biege- und Torsionsbelastung, wo die größte Spannung wiederum auf der Oberfläche des Bauteils entsteht. Die Korrosionsbeständigkeit unter funktionaler Spannung müssen wir in Bezug auf die Mikrogeometrie der Oberfläche und die nachfolgende Gefahr eines Ermüdungsbruchs berücksichtigen.

Qualität ist eine Angabe über die Eigenschaft einer Sache und gibt Antwort auf die Frage „welche?“ – lateinisch qualis? – ähnlich wie der Begriff Quantität (Menge) Antwort auf die Frage „wie viel?“ – lateinisch quantum? – gibt. Qualität ist normalerweise direkt unserer sinnlichen Wahrnehmung (Urteil und Fähigkeiten des Beobachters) zugänglich, im Gegensatz zur Menge, die durch Messen (Zählen, Wiegen usw.) ermittelt werden muss. Damit ist jedoch nicht gesagt, dass wir bei der Qualitätsbewertung nicht in der Lage sind, ebenso wie bei der Quantität, diese Indikatoren auf der Grundlage definierter Kriterien objektiv zu überprüfen.    

Die Norm ČSN EN ISO 9000:2015 Qualitätsmanagementsysteme – Grundlagen und Begriffe. Die Norm beschreibt die Grundsätze von Qualitätsmanagementsystemen und spezifiziert die Terminologie von Qualitätsmanagementsystemen. Die Norm definiert Qualität wie folgt:

Qualität – die Fähigkeit einer Gesamtheit inhärenter (wesenseigener, untrennbarer) Merkmale eines Produkts, Systems oder Prozesses, Anforderungen von Kunden und anderen interessierten Parteien zu erfüllen.  

Aus der Definition der Qualität ergibt sich, dass es sich um einen relativen (in Bezug auf etwas bewerteten) Begriff handelt und sie nur dann zum Ausdruck gebracht werden kann, wenn wir sie auf einen konkreten Kunden beziehungsweise ein Marktsegment beziehen. Derselbe Produkttyp kann verschiedenen Zwecken dienen und Kundensegmente können unterschiedliche Anforderungen an ein Produkt haben. 

ČSN EN ISO 8785:2000 Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Oberflächenbeschaffenheit – Begriffe, Definitionen und Kenngrößen. Die Norm definiert Begriffe für Oberflächenunvollkommenheiten zur Verwendung in technischen Dokumenten, technischen Zeichnungen, wissenschaftlichen Publikationen usw. Sie gibt an, in welchem Maße Oberflächenunvollkommenheiten zulässig sind, und hilft bei der Festlegung ihrer Messmethoden.

Ein notwendiger Bestandteil der Spezifikation von Maschinenbauprodukten (beispielsweise Spritzgießwerkzeugen) sowie von Kunststoff-Formteilen sind Anforderungen an die Oberflächentextur. Oberflächentextur – surface texture – wird gemäß der oben genannten Norm ČSN 8785 als die Gesamtheit wiederholter oder zufälliger Abweichungen von der geometrischen Oberfläche definiert, die eine dreidimensionale Topographie (Beschreibung von Oberflächenformen) dieser Oberfläche bilden. 

Am häufigsten wird die Oberflächentextur mittels taktiler Profilgeräte (2D-Messung) bewertet. In letzter Zeit kommen zu den 2D-Messungen Messungen mittels berührungsloser optischer oder Lasergeräte (3D-Messung) hinzu, die in der Lage sind, eine beträchtliche Menge an Parametern zu messen und anschließend auszuwerten, sei es die genannten Profilparameter (2D) oder auch Flächen- und Volumenparameter (3D). Dadurch hat sich das Portfolio der Möglichkeiten zur Bewertung der Oberflächentextur deutlich erweitert. Die Oberflächentextur, d. h. ihre Anordnung und Formen unter dem Aspekt der Makro- und Mikrogeometrie, stellt ein wichtiges Element dar, das bedeutende – siehe oben – Eigenschaften von Bauteilen bestimmt. Die Oberflächentextur umfasst die Rauheit, Welligkeit sowie die Formabweichung der untersuchten Oberfläche. Die Unterschiede zwischen diesen Texturcharakteristika ergeben sich aus dem Verhältnis des Abstands der Unebenheiten zu ihrer Höhe. Bei der Rauheit ist es das Verhältnis 1:50, bei der Welligkeit ist es das Verhältnis 50:1.000, bei der Formabweichung der Oberfläche ist es ein Wert über 1.000. Aus geometrischer Sicht sind Größe, Form und gegenseitige Verteilung der Oberflächenunebenheiten, im Falle der spanenden Bearbeitung, durch die Form der Schneide des Werkzeugs und die Bedingungen bestimmt, welche die Trajektorien der Bewegung der Werkzeugschneide in Bezug auf die bearbeitete Oberfläche bestimmen. Die Oberflächenstruktur, gebildet durch die bereits erwähnte Rauheit, Welligkeit und das Grundprofil der Oberfläche, hat einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften und das Verhalten von Bauteilen im Betrieb (beispielsweise auf den Verschleißverlauf, Ermüdungseigenschaften, Verbindungsfestigkeit, kinematische und dynamische Bindungen von Oberflächen usw.). Die Oberflächenstruktur zusammen mit den Eigenschaften der Oberflächenschicht sind entscheidend für die Lebensdauer und Funktionszuverlässigkeit von Bauteilen.

Aus maschinenbaulich-kunststofftechnischer Sicht ist der Begriff Textur, Oberflächenrauheit, insbesondere an die Oberflächenqualität der bearbeiteten Teile von Spritzgießwerkzeugen gebunden. Im Bereich des Spritzgießens von Kunststoffen arbeiten wir aus der Sicht der Formteile und ihrer Oberflächen üblicherweise mit den Begriffen – Glanz, Narbung. 

Glanz ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit der Oberfläche eines Gegenstands aus einem gegebenen Material bewertet, unter bestimmten geometrischen Bedingungen mit unterschiedlichen gerichteten Reflexionseigenschaften Licht zu reflektieren. Glanz ist ein visueller Eindruck, den wir haben, wenn wir ein Erzeugnis mit den Augen beurteilen. Je mehr Licht von der Oberfläche reflektiert wird, desto glänzender erscheint uns die Oberfläche. Glatte und hochglanzpolierte Oberflächen sind sichtbar glänzender, unebene aufgeraute Oberflächen sind matter. Natürlich ist die Beleuchtung wichtig, bei der wir den Glanz visuell bewerten, sowie der Winkel, unter dem wir die Oberfläche betrachten. Da jeder von uns andere Augen hat und eine Glanzbewertung durch ein Individuum nicht als objektiv angesehen werden kann, ist es notwendig, Geräte zu verwenden, die den Glanz objektiv und präzise messen. Durch die Glanzmessung ermitteln wir nicht nur einen Basisparameter wie den Oberflächenglanz, sondern über den Glanzgrad können wir beispielsweise Abweichungen in der Wirkung technologischer Spritzgießparameter auf die optischen Parameter der Formteile feststellen, die durch die Verwendung eines anderen technologischen Verfahrens oder Materials entstanden sind. Eine so festgestellte Glanzabweichung kann beispielsweise mit dem Verlust anderer Oberflächeneigenschaften des Materials zusammenhängen – mangelhaft übertragene Oberfläche der Formteile – deren Übertragung auf die Oberfläche des Formteils.

Das Konzept „Glätte“ oder „Rauheit“ im Bereich der Glanzbewertung und im Bereich der Bearbeitung ist grundlegend verschieden – Rauheit ist die Fortsetzung kleiner Oberflächenunregelmäßigkeiten in Materialien, die nach der Bearbeitung entstanden sind. Zum Begriff „Oberflächenrauheit“ gehören nicht die Narbung auf der Oberfläche, das Polieren oder gegebenenfalls Oberflächenfehler. 

Für den Begriff „Narbung“, der in der Kunststoffindustrie verwendet wird, habe ich in der Fachliteratur keine brauchbare Definition gefunden. Allgemein lässt sich von einer ästhetischen Oberflächenbehandlung des Formteils, von einer Zeichnung auf der Oberfläche des Teils, von der Erzeugung eines unauslöschlichen räumlichen, volumenbezogenen, 3D-grafischen oder eines anderen Motivs auf der Oberfläche des Formteils sprechen. Die Arten der Erzeugung von Narbungen werden weiter angeführt.

Allgemein gilt, dass wir bei Spritzgussteilen aus Thermoplasten meist zwei Oberflächentypen unterscheiden:
- optische, funktionelle Oberflächen, die poliert sein können; unter diesen Begriff fallen auch „matt“ oder genarbte Oberflächen
- sonstige Oberflächen – nicht funktionelle Konstruktionsoberflächen (üblicherweise mit Bearbeitungsspuren an den Formeinsätzen des Spritzgießwerkzeugs), Oberflächen, die aus Gründen der konstruktiven Fertigungstechnik des jeweiligen Spritzgussteils notwendig sind (zum Beispiel lokale Entlastungen, Rippen usw.), Oberflächen für eine gute Entformung der Spritzgussteile aus der Formkavität (meist schräge Flächen und Formen, üblicherweise technisch poliert)

Oberflächenrauheit

Eine Oberfläche definieren wir als Schnittstelle zwischen zwei verschiedenen Umgebungen – dem Grundmaterial und seiner Umgebung. Diese Schnittstelle bestimmt das resultierende Aussehen des jeweiligen Materials – in unserem Fall die Oberfläche der Formeinsätze von Spritzgießwerkzeugen beziehungsweise der Spritzgussteile. Der Begriff Oberflächenqualität bezeichnet, wie bereits erwähnt, neben der Größe von Oberflächenunebenheiten – Rauheit, Narbungen – und ihrer geometrischen Form auch den chemischen und physikalischen Zustand der Oberflächenschicht des Materials. 

Die Struktur der Oberfläche wird Textur genannt. Textur ist definiert als eine Fläche mit einer Ansammlung von Körnern, die sich zwischen der Umgebung und der Oberfläche des Spritzgussteils befinden. Die Fläche, die Oberfläche des Spritzgussteils, ist ein komplexes System, in dem wiederkehrende oder zufällige Abweichungen von der idealen geometrischen Form der Oberfläche auftreten. 

Die Oberflächenrauheit ist definiert als ein Teil der geometrischen Abweichungen (Mikrogeometrie) der tatsächlichen Oberfläche mit kleinem Abstand benachbarter Unebenheiten und Unregelmäßigkeiten (Abweichungen) – Erhebungen und Vertiefungen – gegenüber einem idealen Oberflächenprofil, das als glatte, glänzende Oberfläche idealisiert ist. Die Rauheit stellt ein quantitatives Maß (numerisch, Messungen sind wiederholbar und Ergebnisse vergleichbar) für die Spuren des Fertigungsprozesses der neuen Oberfläche und anderer Komponenten dar, die die Oberflächentextur bilden, zum Beispiel die Materialstruktur. Das Schneidwerkzeug hinterlässt Spuren auf der Oberfläche. Die Anordnung der Spuren hat einen periodischen oder zufälligen Charakter. Durch das „Abreißen“ von Mikropartikeln des Materials bei der Bearbeitung, Resten von Aufbauschneiden und kleinen Fehlern an der Werkzeugspitze entstehen auch feinere Bestandteile der Oberflächenstruktur. Vertiefungen und Erhebungen entstehen bei jeder Bearbeitung der Materialien der Formeinsätze – Zerspanung mit Schneidwerkzeugen, elektrochemische Bearbeitung, Schleifbearbeitung, Umformung, Gießen usw. – und infolge der Formgebung der Polymerschmelze in den Formkavitäten werden sie als Positiv auf die Oberfläche des Spritzgussteils übertragen.     

Technologisch entsteht die Oberflächenrauheit im Bereich der Herstellung von Spritzgussteilen aus Thermoplasten insbesondere bei der Fertigung von Spritzgießwerkzeugen beziehungsweise deren Formeinsätzen, aus denen die Formkavitäten entstehen. Mit primären Fertigungstechnologien – üblicherweise Warm- oder Kaltumformung – sind wir nicht in der Lage, eine Oberfläche mit der gewünschten Form, geometrischen Genauigkeit, Rauheit und anderen Oberflächeneigenschaften zu erzeugen. Die gewünschte Oberfläche erreichen wir erst durch eine weitere Bearbeitung der Aufmaße der entsprechenden Rohlinge. 

Die wichtigsten Technologien, die bei der Herstellung der Oberflächen von Formeinsätzen für Spritzgießwerkzeuge verwendet werden, sind Zerspanungstechnologien (insbesondere Fräsen, Bohren und Schleifen), bei denen die neu bearbeitete Oberfläche durch die Einwirkung der Schneide des Schneidwerkzeugs auf die zu bearbeitende Oberfläche entsteht. Aufgrund der Werkzeuggeometrie und seiner kinematischen Wirkung entstehen auf dem Werkstück Unebenheiten, die oft durch chemische und physikalische Veränderungen der Materialeigenschaften eine charakteristische Anordnung aufweisen. 

Aus vielen Gründen unterscheiden sich tatsächliche Unebenheiten in Form, Größe und Häufigkeit und überwiegen in eine bestimmte Richtung. Die Unebenheiten werden durch Material- und Technologieeigenschaften beeinflusst. Die Wahl der Schnittbedingungen beeinflusst Materialeinflüsse, da die Bearbeitung durch plastische Verformung infolge mechanischer und thermischer Einwirkungen verursacht wird. Schwingungen des Werkstücks und des Werkzeugs, Verschleiß der Wendeschneidplatten, Unregelmäßigkeit der Werkzeugschneide, Änderung des Schneidmediums durch Zufuhr von Kühlflüssigkeit aus der Düse oder einem Hochdruckwasserstrahl und die Reibung des Werkzeugfreiwinkels auf der bearbeiteten Fläche – all diese Zustände gehören zu den technologischen Einflüssen. Auch Materialfaktoren haben einen wesentlichen Einfluss auf die Verschlechterung der Rauheit. Dieser Fakt ist vor allem durch den Mechanismus der Entstehung der neuen Oberfläche gegeben, der sich je nach Struktur und Eigenschaften des Materials ändert.

Eine weitere bedeutende Technologie, bei deren Anwendung Oberflächen mit Rauheit oder gegebenenfalls mit Narbung entstehen, ist die Elektroerosionsbearbeitung (EDM – Electro Discharge Machining). Aus dem Portfolio der Verfahren der Elektroerosionsbearbeitung werden am häufigsten das funkenerosive Senken, das Drahterodieren und das funkenerosive Narben genutzt. Der physikalische Prozess (Aufschmelzen, Verdampfen) des Materialabtrags von der entsprechenden Oberfläche basiert auf elektrischen Impulsentladungen beziehungsweise Lichtbogenentladungen, die über die gesamte aktive Fläche des Werkzeugs – der Elektrode – verteilt sind. Bei jeder Entladung kommt es zu einer Zerstörung des Oberflächenmaterials und zur Bildung eines kleinen Kraters sowohl am Werkstück als auch am Werkzeug. Die Mikropartikel, die bei dem Prozess sowohl von der Werkzeugelektrode (aus Kupfer oder Graphit) als auch vom Werkstück aufgeschmolzen und verdampft werden, werden durch das strömende Dielektrikum (ein Stoff mit geringer elektrischer Leitfähigkeit – Isolator – mit großem elektrischem Widerstand, der in der Lage ist, Energie im elektrischen Feld zu akkumulieren) von der Stelle der Entladungsstörung weggespült. Bei einigen Verfahren kann die Werkzeugelektrode schwingen, was die Strömung des Dielektrikums und das Abspülen der entstandenen Mikropartikel aus dem Funkenspalt verbessert. Die Temperatur, bei der es zum Verdampfen des Materials kommt, unterscheidet sich danach, ob ein Lichtbogen (Temperatur 3 600 °C bis 4 000 °C über einen Zeitraum von 0,1 ms bis 0,1 s) oder eine Funkenentladung (Temperatur bis 10 000 °C über einen Zeitraum von 0,01 ms bis 0,1 ms) verwendet wird.

Wie ich bereits erwähnte, gehören zum Begriff „Rauheit“ der Oberfläche nicht deren Narbung, Politur sowie mögliche Oberflächendefekte – Oberflächenrisse, Brüche, Druckstellen, Kratzer usw..

Parameter der Oberflächenbeschaffenheit – Oberflächenrauheit

Die Oberflächenbeschaffenheit setzt sich aus zufälligen oder wiederkehrenden Abweichungen im Vergleich zu einer idealen Fläche zusammen. Sie wird charakterisiert durch: Rauheit, Welligkeit – es handelt sich um einen Teil der Textur, auf dem die Rauheit entsteht; Welligkeit kann durch Vibrationen oder Verformung des Werkstücks verursacht werden – meist handelt es sich um den Einfluss der Werkzeugmaschine – geringe Steifigkeit, unwuchtige Schleifscheibe, Ungenauigkeiten in der Führung usw., durch die Richtung der Bearbeitungsspuren sowie durch Oberflächendefekte – siehe Abbildung 2:

Abbildung 2: Oberflächencharakteristiken

Die Bedeutung des Oberflächenzustands in der Maschinenbaupraxis, in unserem Fall bei der Herstellung von Spritzgießwerkzeugen, ist seit vielen Jahren bekannt. Daher wurden allgemein gültige Regeln und Methoden für deren Beschreibung, Erfassung und Bewertung entwickelt, die in entsprechende Normen mit allgemein bekannten Oberflächenrauheitsparametern eingeflossen sind, am häufigsten Ra und Rz. Die Betrachtung der Rauheit erfolgt in den meisten werkzeugbaulichen Fällen nur profilbasiert (2D) – in einer Schnittebene, einer Geraden, was eine objektive Erfassung aller Eigenschaften in alle Richtungen (d. h. flächig, 3D) unmöglich macht. Daher werden auch komplexere Erfassungsmethoden eingesetzt – vorwiegend optische oder gegebenenfalls laserbasierte, in Form von 3D-Scans – flächige Erfassung.

Zur Veranschaulichung führe ich die profilbasierte und flächige Rauheitsmessung an. Die Profilmessung wird an einer Stelle ohne Kerbe (Abbildung 3) durchgeführt, die zweite Messung über einer Stelle mit Kerbe (Abbildung 4). Nicht nur die Messstelle und -richtung der Oberflächenprofilrauheit, der 2D-Messung, sondern letztlich auch der Unterschied in den resultierenden Werten der Rauheitsparameter zeigt die verbesserte Aussagekraft bei flächigen 3D-Rauheitsmessungen – Abbildungen 5 und 6.

Hinweis – bei beiden Messarten hängt das Ergebnis immer von der Wahl der Messstelle ab.

Abbildung 3: Messung der Profilrauheit an einer Stelle „ohne Kerbe“: Ra = 333,62 nm, Rq = 437,42 nm, Rz = 2,8408 µm

Abbildung 4: Messung der Profilrauheit an einer Stelle „mit Kerbe“: Ra = 1,0689 µm, Rq = 2,0907 µm, Rz = 8,2572 µm

Abbildung 5: Flächenrauheit - Referenzoberfläche (3 x 0,5 mm) mit Auswertung der Flächenrauheitsparameter: Svk = 498,81 nm (mittlere Höhe der Spitzen über dem Rauheitskern), Vvv = 0,054312 ml.m-2 (Volumen des Hohlraums unter dem Rauheitskern)

Abbildung 6: Flächenrauheit - geschliffene Oberfläche (3 x 0,5 mm) mit Auswertung der Flächenrauheitsparameter: Svk = 5,44 µm, Vvv = 0,36 ml.m

Die Norm ČSN EN ISO 4287 definiert drei geometrische Parameter der Profilrauheit: siehe Abbildung 7

- Parameter P, berechnet aus dem Primärprofil
- Parameter W, berechnet aus dem Welligkeitsprofil
- Parameter R, berechnet aus dem Rauheitsprofil

Abbildung 7: Grundlegende Profilparameter (nach Filterung der gemessenen Profilwerte der Oberfläche)

Die am häufigsten verwendeten Parameter, die aus dem Rauheitsprofil berechnet werden, sind die Parameter Ra und Rz – siehe ČSN EN ISO 4287, Abbildungen 8 und 9.

Abbildung 8: Definition und Berechnung der Rauheit Ra – arithmetischer Mittenrauwert des Profils im Bereich der gemessenen Referenzstrecke

Ra – arithmetischer Mittenrauwert des Profils innerhalb der gemessenen Referenzstrecke – dies ist der am häufigsten verwendete Parameter zur Bewertung der Oberflächenqualität; sein Nachteil ist die Empfindlichkeit gegenüber Ausreißerwerten (Minima, Maxima). Normalerweise wird er mittels arithmetischem Mittel berechnet – statistische Methode zur Bestimmung von Ra, Abbildung 8, Formel links (rechts integrale Methode zur Bestimmung von Ra) – der Parameter Ra mittelt große Erhebungen und tiefe Vertiefungen nur und gibt keine Information über deren Größe. Über deren Größe gibt der Parameter Rz Auskunft – gemittelte Rautiefe zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt des Profils – maximale Profilhöhe aus zehn Punkten.

Abbildung 9: Definition und Berechnung der Rauheit Rz – Höhe der Unebenheiten zwischen dem höchsten und niedrigsten Punkt des Profils – maximale Profilhöhe

Die Werte Ra und Rz werden in Mikrometern angegeben (1 µm = 0,001 mm = 0,000001 m), üblicherweise in der praktischen Reihe – 0,025 ; 0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,4 ; 0,8 ; 1,6 ; 3,2 ; 6,3 ; 12,5 ; 25 ; 50 µm. Die empfohlenen Referenzstrecken l betragen 0,08 ; 0,25 ; 0,8 ; 2,5 ; 8 ; 25 mm – Tabelle 1.

Tabelle 1: Empfohlene Referenzstrecken in Abhängigkeit von Ra

Die erforderliche Rauheit der funktionalen Oberfläche kann empirisch (bis zu einem gewissen Grad an Genauigkeit) entsprechend der Maßtoleranz gewählt werden. Dabei wird von der Grundannahme ausgegangen, dass die Oberflächenrauheit einen bestimmten Teil der Maßtoleranz nicht überschreitet. Dies lässt sich durch die Gleichung ausdrücken
Rz = K.TD, wobei Rz die maximale Profilhöhe, TD die Maßtoleranz und K ein in den Tabellen 2 und 3 angegebener Koeffizient ist. Der Koeffizient K wird in Abhängigkeit vom Bereich der Nennmaße gewählt, die der jeweiligen Toleranz zugeordnet sind, und hängt zudem von der Art der Passung ab. Empfohlene Oberflächenrauheitswerte, die den Toleranzgraden zugeordnet sind, zeigt Tabelle 4.

Tabelle 2: Koeffizient K in Abhängigkeit von der Passung

Tabelle 3: Koeffizient K nach Nennmaß

Tabelle 4: Empfohlene Oberflächenrauheitswerte zugeordnet zu Toleranzgraden

Die Norm ČSN EN ISO 25178: 2002 Geometrische Produktspezifikationen (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Flächenhaft definiert Rauheitsanalysen für flächige (3D) Messungen.

Beispiel für eine Auswertung einer flächigen Oberflächenrauheitsmessung – ein Teil, hergestellt mit der DMLS-Technologie (Direct Metal Laser Sintering) – oder SLS (Selective Laser Sintering) – mittels Lasersintern, und ein Teil, hergestellt mit der DMLM-Technologie (Direct Metal Laser Melting) – oder SLM (Selective Laser Melting) – mittels Laserschmelzen. Beides sind additive 3D-Drucktechnologien (Schicht für Schicht), das Muster hatte eine Größe von 30 x 31 x 1,5 mm, DMLS – Schichtdicke 0,04 mm, Bewegungsgeschwindigkeit des Lasersinterkopfs 100 mm.s-1.

Abbildung 10: Sintered – Oberfläche des gesinterten Pulvers – DMLS-Technologie / Melted – Oberfläche des teilweise geschmolzenen Pulvers – DMLM-Technologie

Abbildung 11: Detail der erfassten Oberfläche

Abbildung 12: 3D-Aufnahme der bewerteten Oberfläche – Größe der erfassten Fläche 0,36 mm2

Abbildung 13: Auswertung der Messung für die Höhenparameter Ra

Abbildung 14: Auswertung der Messung für die Höhenparameter Rz

Ende des ersten Teils. Den zweiten Teil finden Sie hier.

Titelbild: R & D MOLD MACHINING s. r. o.