Lubomír Zeman: Spritzgießen und Oberflächenqualität, 2. Teil

Messung der Oberflächenrauheit

Die Messung der Oberflächenrauheit lässt sich in vier Grundgruppen unterteilen:

• Qualitative Messung – visuell – nutzt die menschlichen Sinne – Tastsinn und Sehvermögen. Die kontrollierte Materialoberfläche wird mit Musterflächen verglichen, die eine definierte Rauheit aufweisen; das Sehvermögen kann durch eine Lupe oder ein Mikroskop unterstützt werden
• Vergleichsmethode – zur Bewertung von Oberflächen werden Vergleichsnormalien mit definierter Rauheit verwendet – Abbildung 15, der Vergleich erfolgt an mehreren Stellen der zu bewertenden Oberfläche

Abbildung 15: Rauheitsvergleichsmuster

• Taktile Messung – bei der Messung wird eine gleichmäßige Bewegung eines Tastkopfes über die Oberfläche der kontrollierten Probe genutzt, die Anpresskraft der diamantbesetzten Tastspitze beträgt 0,00075 N – ČSN EN 3274, Abbildung 16

Abbildung 16: Von oben – taktile Rauheitsmessung auf einer CNC-Bearbeitungsmaschine – links; taktiles Messgerät – rechts/Schema der taktilen Rauheitsmessung/Schema eines induktiven Aufnehmers/Abtastspitze – ihr Radius wird elektronisch korrigiert

• Berührungslose Messung – Beschreibung einer räumlichen Flächenoberfläche und deren Rauheit im Gegensatz zur taktilen Messmethode, die profilbasiert ist – es wird in einem Profil gemessen – hier wird die Fläche aus vielen Profilen zusammengesetzt, aus den Messdaten werden auch Profilparameter wie Ra, Rz, Rmax abgeleitet; Geräte zur berührungslosen Rauheitsmessung nutzen üblicherweise das Lichtschnittverfahren – die Methode verwendet ein Bündel paralleler Strahlen, die durch einen schmalen Spalt in Form einer dünnen Ebene gerichtet werden, die Lichtstrahlen treffen unter einem Winkel von 45° durch ein definiertes optisches Linsensystem auf die gemessene Oberfläche, oder das Laserprofilierungsverfahren – die Methode nutzt das Triangulationsprinzip – ein Laserstrahl wird auf die gemessene Oberfläche projiziert, das Bild des Laserstrahls auf der gemessenen Oberfläche wird unter einem bestimmten Winkel von einer CCD-Kamera erfasst, wobei wir aus dem aufgenommenen Bild das Profil des Objekts im Schnitt durch den Laserstrahl auswerten. Zur genauesten Bewertung der Oberflächenrauheit werden konfokale Mikroskope verwendet – ein Laserscanning-Mikroskop, dessen Lichtquelle ein Laserstrahl ist, oder ein konfokales Mikroskop mit einer rotierenden Scheibe für weißes Licht – Abbildung 17

1 – Beleuchtungskörper, 2 – Farbfilter, 3 – Kondensor, 4 – Spalt, 5 – Beleuchtungsobjektiv, 6 – Beobachtungsobjektiv, 7 – Schiebeplatte mit Markierung, 8 – Linse, 9 – Messfläche

Abbildung 17: Von oben – Schema der Optik für das Lichtschnittverfahren/Messung von Mikrounebenheiten – Rauheit mittels Laserstrahl – Strahldurchmesser 0,04 µm = 0,00004 mm/links – Schema eines Laser-Scanning-Konfokalmikroskops (die bewertete Fläche wird Punkt für Punkt abgetastet), rechts – Schema eines konfokalen Mikroskops mit rotierender Scheibe

• Neben den oben genannten berührungslosen Techniken zur Messung der Oberflächenqualität werden sehr häufig Geräte mit CLA-Sensoren (Chromatic Length Aberration) verwendet – weißes Licht wird zerlegt und durch eine Optik auf die kontrollierte Oberfläche gelenkt. Die Optik zerlegt das Licht nach Wellenlängen und an jedem Punkt der Oberfläche ist nur eine bestimmte Wellenlänge fokussiert. Das von der Oberfläche reflektierte Licht durchläuft eine Öffnung, die nur Licht der fokussierten Wellenlänge durchlässt. Ein Spektrometer lenkt das Licht auf einen Matrixsensor, wo für jeden Punkt eine räumliche Position bestimmt wird, die anschließend computergestützt verarbeitet und ausgewertet wird. Anstelle von CLA-Sensoren können auch Lasersensoren verwendet werden. Diese sind jedoch nicht so präzise wie CLA-Sensoren. Die erfassten räumlichen Positionen werden dann mit speziellen Programmen verarbeitet, die eine 3D-Datenverarbeitung einschließlich 3D-Visualisierung ermöglichen, das Schema eines CLA-Sensors ist in Abbildung 18 dargestellt 

Abbildung 18: Schema eines CLA-Rauheitssensors

Messung von Glanz und Narbung

Glanz – Glanzwahrnehmung – Glanz ist eine visuelle Wahrnehmung, ein Eindruck, der bei der Betrachtung der Oberfläche eines Objekts entsteht und maßgeblich vom Qualitätszustand der Oberfläche des bewerteten Teils, der Art der Beleuchtung und dem Betrachtungswinkel abhängt. Je mehr direktes Licht von der Oberfläche reflektiert wird, desto heller und glänzender erscheint die Oberfläche. Anders ausgedrückt – Glanz ist eine physikalische Größe, welche die Fähigkeit der Oberfläche eines Gegenstandes aus einem gegebenen Material bewertet, unter bestimmten geometrischen Bedingungen mit unterschiedlichen richtungsabhängigen Reflexionseigenschaften Licht zu reflektieren.

Hier betone ich noch einmal – das Konzept von „Glätte“ oder „Rauheit“ ist im Bereich der Glanzbewertung und im Bereich der spanenden Bearbeitung völlig unterschiedlich – Rauheit ist die Fortsetzung kleiner Oberflächenunregelmäßigkeiten in Materialien, die nach der Bearbeitung entstanden sind. 

Ein hoher Glanz entspricht einer hohen Reflexion des auf das Objekt fallenden Lichts, was bedeutet, dass das einfallende Licht in einer Hauptreflexionsrichtung reflektiert wird, wobei der Reflexionswinkel gleich dem Einfallswinkel ist.

Die Wahrnehmung von Seidenglanz und Mattigkeit – diese Wahrnehmung entspricht einer schwächeren Reflexion des auf das Objekt fallenden Lichts, was bedeutet, dass das einfallende Licht diffus reflektiert wird. Die Oberfläche ist durch eine Mikrorauheit gekennzeichnet, die das einfallende Licht diffus in alle Reflexionsrichtungen streut; je stärker das Licht gestreut wird, desto geringer ist die Intensität der Reflexion in der Hauptrichtung und die Oberfläche erscheint matter.

Die beschriebenen Zusammenhänge zwischen Glanz und Mattigkeit zeigt Abbildung 19.

Abbildung 19: Glanzwahrnehmung – Oberfläche 01 – Spiegelglanz bis Hochglanz – Oberfläche 02, technischer Glanz – Oberfläche 03 bis hin zu Oberfläche 04 – matt Blaue Pfeile – einfallender Strahl Rote Pfeile – Spiegelreflexion von der Oberfläche an der gegebenen Stelle

Die Glanzmessung befasst sich mit der Norm ČSN EN ISO 2813:2016 Beschichtungsstoffe – Bestimmung des Glanzwertes bei 20°, 60° und 85°. Die Intensität des reflektierten Lichts wird bei einem kleinen Reflexionswinkel gemessen; die Lichtquelle, die eine CIE-Normlichtart (Internationale Beleuchtungskommission – Commission Internationale de l'Éclairage) C simuliert, ist im Brennpunkt von Kollimatorlinsen platziert (diese Linsen sind so konzipiert, dass sie divergierende oder konvergierende Lichtstrahlen erfassen und in parallele Strahlen umwandeln). Die Messergebnisse werden mit einem Standard verglichen, mit der Menge des reflektierten Lichts eines schwarzen Körpers mit einem definierten Brechungsindex np = 1,567 – der gemessene Glanzwert für den Standard hat einen Wert von 100 Glanzeinheiten – 100 GU (Gloss Unit).

Zur Differenzierung (Unterscheidung) des Glanzes über den gesamten Messbereich – von Hochglanz bis zur matten Oberfläche – sind drei Messgeometrien genormt: 20°, 60°, 85°. Es gibt drei, weil beim Vergleich verschiedener Glanzstufen eine Messgeometrie, zum Beispiel 60°, nicht unbedingt ein Ergebnis liefern muss, das mit der visuellen Beobachtung korreliert (Korrelation = wechselseitige Beziehung zwischen Größen, Vorgängen, Merkmalen). Jede der drei Geometrien verwendet dieselbe Blende für die Lichtquelle, aber eine unterschiedliche Blende für den Sensor.

Die Wahl der Geometrie hängt davon ab, ob wir eine allgemeine Glanzbewertung durchführen, Oberflächen mit Hochglanz vergleichen oder Teile mit niedrigem Glanz bewerten wollen. Die 60°-Geometrie wird für die meisten Glanzmessungen verwendet und um zu bestimmen, ob es besser ist, die 20°- oder 85°-Geometrie zu verwenden. Die 20°-Geometrie wird vorteilhafterweise dann eingesetzt, wenn die 60°-Geometrie Werte von mehr als 70 GU anzeigt – Hochglanz. Im Gegensatz dazu wird die 85°-Geometrie zum Vergleich von Proben mit Glanz nahe der Graustufen verwendet – wenn die 60°-Geometrie Glanzwerte unter 10 GU misst.  

Zur Messung des Reflexionsspektrums werden Reflexionsspektrophotometer verwendet, die zur Bestimmung der Intensität des reflektierten Lichts für einzelne Wellenlängen Beugungsgitter verwenden. Das am Beugungsgitter zerlegte Licht fällt auf eine Reihe von Photodetektoren, die das einfallende Licht in ein elektrisches Signal umwandeln.

Das Spektrophotometer kalibriert sich zunächst selbst auf absolutes Weiß, das kein Licht absorbiert, und setzt dann die Intensität des von dem gemessenen Objekt reflektierten Lichts ins Verhältnis zur Intensität des einfallenden Lichts, und zwar für alle Wellenlängen, wodurch das Reflexionsspektrum des gegebenen Objekts gewonnen wird.   

Bei Handspektrophotometern ist das Beugungsgitter feststehend (in einer Position) und die Geräte verfügen über eine Reihe von Photodetektoren zur Messung mit einem Abstand von 10 nm. Laborgeräte verfügen über einen Detektor und das Beugungsgitter ist drehbar, was es ermöglicht, die Empfindlichkeit des Messintervalls auf nm-Einheiten einzustellen. Als Lichtquelle bei Handspektrophotometern werden Halogenlampen oder LED-Quellen verwendet. Tisch-Labor-Spektrophotometer sind mit Xenonlampen bestückt. Es werden sowohl unstrukturierte, polierte als auch strukturierte, genarbte Oberflächen gemessen.

Mögliche Ursachen für Abweichungen bei der Glanzmessung desselben Spritzgießteils

Allgemein lässt sich sagen, dass im Falle von technologischer Parameter, die in Bezug auf die Qualitätsanforderungen eines bestimmten Spritzgießteils optimiert sind, diese Parameter in der Regel auch für die Herstellung von Spritzgießteilen mit dem gewünschten Glanz und der gewünschten Oberflächenqualität – Narbung – gültig sind. Den größten Einfluss auf die indirekte Beeinflussung der genannten Qualitätsparameter haben die Temperaturparameter:

• Werkzeugtemperatur, deren Erhöhung – ist vorteilhafter für eine bessere Abformung der Oberfläche der Werkzeugkavität – Glanz, Mattigkeit, Narbung – höhere Temperatur = höherer Glanz. Bei teilkristallinen Materialien erhöht dies die Kristallinität und erzeugt eine gleichmäßigere Struktur, verringert die Orientierung von Füllstoffen, insbesondere bei PA verringert es die Wasseraufnahme
• Schmelzetemperatur, deren Erhöhung – verringert Orientierungseffekte, erhöht den Anteil der kristallinen Phase und verringert die Nachkristallisation
• Zykluszeit – mittlerer Einfluss auf den Glanz – eine Verlängerung der Zykluszeit hat einen ähnlichen Effekt wie die Erhöhung der Schmelzetemperatur
• Schneckendrehzahl – geringer Einfluss auf den Glanz
• Einspritzgeschwindigkeit – eine Erhöhung der Einspritzgeschwindigkeit erhöht den Glanz der Oberfläche geringfügig, und zwar auch bei genarbten, strukturierten Oberflächen
• Einfluss des Nachdrucks auf die Oberflächenqualität des Spritzgießteils – Abformung der Narbung – in Abhängigkeit vom Anguss zeigt Abbildung 20

Abbildung 20: Beziehung zwischen Glanz x Mattigkeit der Spritzgießteiloberfläche in Abhängigkeit vom Abstand der Oberfläche vom Anguss in der Nachdruckphase des Spritzgießprozesses

K – Oberfläche des Formteils des Spritzgießwerkzeugs
L – Oberfläche des Spritzgießteils
A – Stellen der Oberfläche in der Nähe des Angusses – hohe Druckreaktion in der Polymerschmelze in der Füllphase und anschließend im abkühlenden Spritzgießteil in der Nachdruckphase – die Oberfläche der Formteile des Werkzeugs wird gut auf die Oberfläche des Spritzgießteils übertragen – die Oberfläche des Spritzgießteils mit Narbung ist matt
B – Stellen der Oberfläche weiter vom Anguss entfernt – geringere Druckreaktion in der Schmelze in der Füllphase bzw. im Spritzgießteil in der Nachdruckphase – schlechtere Abformung der Oberfläche – die Narbung hat einen geringeren Glanz
C – Stellen in größter Entfernung vom Anguss – geringe Druckreaktion in der Polymerschmelze, Füllphase, im Spritzgießteil in der Nachdruckphase – am wenigsten abgeformte Oberfläche – die Oberfläche des Spritzgießteils wird den höchsten Glanzwert aufweisen

Mögliche Ursachen für Abweichungen bei der Messung der Oberflächenqualität – Glanz – desselben Spritzgießteils können in folgenden Gründen gefunden werden:

• Spektrophotometer – bei der Glanzmessung desselben Spritzgießteils durch mehrere Bewerter müssen diese Mitarbeiter immer dieselben Geräte verwenden – gleicher Hersteller, gleicher Gerätetyp, gleiche Messgeometrie
• Messstelle am Spritzgießteil – für die Messung muss unbedingt immer die genaue Messstelle der Oberfläche am Spritzgießteil bestimmt werden – die Begründung für diese Anforderung findet sich in Abbildung 20
• Kundenmessstandard – für die Bewertung des Glanzes bzw. der Narbung muss der Kunde seinen Standard übergeben, d. h. eine Platte aus demselben Material wie das bewertete Spritzgießteil mit dem gewünschten Glanz oder der gewünschten Narbung; beide Seiten müssen über einen identischen Standard verfügen, mit dem ihre Geräte kalibriert werden
• Messmethoden – bei der Messung ist genau nach den Empfehlungen des Herstellers vorzugehen
• Umwelteinflüsse – das Ergebnis der Oberflächenmessung des Spritzgießteils kann durch die Umgebung beeinflusst werden, in der das Spritzgießteil bewertet wird – Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, UV-Strahlung, Art der Beleuchtung usw., sowie
• Feuchtigkeitsaufnahme der Materialien der Spritzgießteile, Alterung der Spritzgießteile, Änderung des Gehalts des kristallinen Anteils bei teilkristallinen Polymeren, Verteilung des Füllstoffs in Spritzgießteilen aus Verbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix. Der Einfluss der Umgebung kann sich insbesondere bei Spritzgießteilen aus teilkristallinen Materialien zeigen, am stärksten bei Polyamiden, die am anfälligsten für den Einfluss von Feuchtigkeitsaufnahme sind. Insbesondere bei PA kommt es in Abhängigkeit von Temperatur, Zeit und relativer Luftfeuchtigkeit der Arbeitsumgebung des Spritzgießteils zu einer Feuchtigkeitsaufnahme vor allem der Oberflächenschicht des Spritzgießteils, was die bewertete Oberfläche ist, wobei es hier wiederum in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit zu einer Änderung des kristallinen Anteils kommen kann. Beide Phänomene – Feuchtigkeitsaufnahme und Änderung des Gehalts des kristallinen Anteils – können Glanz und Narbung beeinflussen. Bei Verbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix kann sich bei der Messung auch die Verteilung des Füllstoffs in den Oberflächenschichten sowie die Orientierung des Füllstoffs zeigen. 

Ende des zweiten Teils.

Den ersten Teil finden Sie hier.
Den dritten Teil finden Sie hier.

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