Rauhigkeitsmessgerät / Rauheitsmessgerät

Die äußere Gestalt einer Fläche oder eines Körpers wird unter anderem durch die Grundform sowie deren Welligkeit und Rauigkeit bestimmt. Welligkeit und Rauheit beschreiben dabei die relativ kleinformatigen Abweichungen der Oberfläche von den vorgegebenen idealen Begrenzungslinien der jeweiligen Form. Die Rauheit beeinflusst nicht nur die Optik von Oberflächen, sondern auch die Gebrauchseignung der Produkte. Raue Oberflächen sind für bestimmte Anwendungen durchaus erwünscht, beispielsweise um Gleiten zu verhindern. Deshalb werden Gehwege bei Eis- und Schneeglätte mit Sand gestreut und in Bereichen in denen mit erhöhter Rutschgefahr zu rechnen ist, werden Fußbodenbeläge mit rauer Oberfläche verwendet. Um vorgegebene Rauigkeiten zu erreichen werden Bauteile oft speziell bearbeitet, z.B. geschliffen, poliert, geätzt oder beschichtet. Dadurch kann die Rauheit gezielt verringert bzw. erhöht werden.

Die zweidimensionale Oberflächenbeschaffenheit technischer Bauteile wird unter anderem in folgenden Normen beschrieben:

Für Aussagen über die dreidimensionale Beschaffenheit der Bauteiloberflächen kann die ISO 25178 (2016) „Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Oberflächenbeschaffenheit: Flächenhaft“. Außerdem gibt es Branchen in denen mit den Normen ANSI B 46.1 bzw. JIS B 0601 gearbeitet wird.

Die Rauheit einer Oberfläche wird meist nicht durch einen einzelnen sondern durch mehrere Kennwerte beschrieben. Welche Kennwerte für Ihre Anwendung relevant sind wird in den meisten Fällen durch die Oberflächenbearbeitung und den Einsatzzweck des geprüften Profils bestimmt.

R_a Mittenrauwert, arithmetische mittlere Rauheit
Der Mittenrauwert ergibt sich als rechnerischer Mittelwert aus den absoluten Einzelwerten einer Messstrecke, die nach oben oder unten von der idealen Profillinie abweichen. Aus diesem Wert allein können keine Rückschlüsse auf die Höchstwerte und die Verteilung der Höhen und Tiefen in der geprüften Oberfläche gezogen werden. Die mittlere Rauheit wird beispielsweise bei sandgestrahlten oder polierten Oberflächen gemessen.

R_q Quadratischer Mittenrauhwert
Der quadratische Mittenrauwert wird ermittelt, indem die Summe der quadrierten Einzelwerte gebildet, durch die Anzahl der Einzelwerte geteilt und aus dem Ergebnis die Quadratwurzel gezogen wird. Dieser Wert wird auch als durchschnittliche quadratische Abweichung (root mean square – RMS) oder Standardabweichung der Einzelmessstrecke bezeichnet.

R_z gemittelte Rauhtiefe (Rautiefe)
Die Rautiefe ist der Abstand zwischen der höchsten Spitze und dem tiefsten Tal einer Einzelmesstrecke. Die gemittelte Rauhtiefe wird aus den Einzelwerten von fünf in einer Linie nacheinander ermittelten Einzelrautiefen ermittelt. Dazu werden die fünf Werte summiert und durch fünf geteilt.

R_z1max maximale Rauhtiefe
Die maximale Rautiefe einer aus fünf Einzelmessstrecken bestehenden Gesamtstrecke ist die größte der einzeln ermittelten Rauhtiefen.

R_t Gesamthöhe des Rauheitsprofils
Als Gesamthöhe des Rauheitsprofils wird der vertikale Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Extremwert der Gesamtmessstrecke angegeben. Dabei können das tiefste Tal und die höchste Spitze in verschiedenen Einzelmessstrecken liegen.

Zur Messung der Rauigkeit können optische oder taktile Verfahren eingesetzt werden. Ein optisches Rauhigkeitsmessgerät tastet die Oberfläche des Bauteils mit Licht ab. Die Oberflächenbeschaffenheit ergibt sich durch Auswertung der reflektierten Lichtstrahlen. Bei taktilen Messungen wird eine kegelförmige Tastspitze entlang einer Linie über die untersuchte Oberfläche geführt. Spitzenradius und Kegelwinkel der Tastspitze haben Einfluss darauf, wann die Tastspitze bei Erhöhungen und Vertiefungen nach oben bzw. unten ausgelenkt wird. Dadurch bestimmt die Art der Tastspitze mit darüber, wie detailliert ein taktiles Rauheitsmessgerät Vertiefungen und Erhöhungen erfassen kann. Sowohl bei den optischen als auch bei den taktilen Messungen übernimmt das Rauhigkeitsmessgerät viele der Berechnungen zur Ermittlung der verschiedenen Rauheitskenngrößen.

Zur einheitlichen Charakterisierung der taktilen Messgeräte wurde die Norm ISO 3274 (1998) „Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren - Nenneigenschaften von Tastschnittgeräten“ erarbeitet. Diese Norm definiert Nennwerte und grundlegende Eigenschaften dieser Geräte und ermöglicht es, den Einfluss bestimmter Gerätespezifikationen auf das Messergebnis zu bewerten.

Messparameter und Messbereiche
Je nachdem, welche Rauhigkeitskennwerte gemessen werden sollen, stehen mehr oder wenige Gerätemodelle zur Auswahl. Die nächste wichtige Spezifikation ist der Messbereich in dem das Rauhigkeitsmessgerät die jeweilige Kenngröße ermitteln kann. Viele Gerätetypen können die Größen Rz, Rt, Ra, Rq bestimmen. Dabei können sich die Messbereiche einzelner Geräte beträchtlich unterscheiden, beispielsweise

Es sind auch Modelle verfügbar, die außerdem die Parameter Rsm, Rsk, Rp, Rv und Rc ausweisen und solche bei denen für die Messungen die Kennwerte:

- Rmax, R3z, R3zmax, Rz1max, Rmr(c), Rdc und Rmr
- Ry(JIS) /Rz(JIS),
- Rp(ASME), Rpm(ASME), Rv(ASME)

oder auch einige andere wie Rku, Mr1 und Mr2 ermittelt werden.

Form der Abtastnadel
Die Form der Abtastnadel bestimmt mit darüber, wie detailliert die Messergebnisse sind. Übliche Abmessungen sind:
Radius der Abtastspitze: 2 μm / 5 μm / 10 μm
Winkel der Kegelspitze: 60 ° / 90 °

Messstrecke, Messfilter beim Rauheitsmessgerät
Bei vielen Geräten kann für die Länge der Einzelmessstrecke 0,25 mm, 0,8 mm oder 2,5 mm gewählt werden. Für die Gesamtmessstrecke kann abweichend von der in der Norm vorgegebenen Anzahl vom Fünffachen der Einzelstrecke auch der Faktor vier, drei, zwei oder eins gewählt werden. Bei einigen Geräten ist die Gesamtabtaststrecke einschließlich Vor- und Nachlauf auf 6 mm begrenzt, so dass mit diesen Geräten eine Messung von fünfmal 2,5 mm nicht möglich ist. Die Filterung der Messwerte die unter anderen zur Differenzierung zwischen Welligkeit und Rauheit dient, kann nach verschiedenen Methoden erfolgen. Bei einem Rauigkeitsmessgerät für anspruchsvolle Messaufgaben sollte der geforderte Filter eingestellt werden können. Einige Geräte bieten verschiedene Filtermethoden zum Beispiel Gaußfilter, RC-Filter, PC-RC Filter und D-P-Filter.

Genauigkeit
Wie bei jedem Messgerät sollte auch bei einem Rauheitsmessgerät auf die Messgenauigkeit geachtet werden. Die Messgenauigkeit liegt bei vielen Geräten bei 10 Prozent bzw. 15 Prozent, die Reproduzierbarkeit bei beispielsweise 6, 10 oder 12 Prozent. Die Genauigkeit kann durch Kalibrierungen, also Messungen an Werkstücken bekannter Rauhigkeit unter definierten Bedingungen geprüft werden.

Display und Bedienfeld
Sowohl beim Display als auch beim Bedienfeld gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den Gerätevarianten. Die Auswahl reicht vom Gerat mit wenigen Tasten und Display auf dem nur ein Kennwert und einige Zusatzinformationen angezeigt werden bis zum Touchscreen, mit grafischer Darstellung des gemessenen Oberflächenprofils. Achten Sie unbedingt auch darauf, dass das Rauigkeitsmessgerät bei den vorgebebenen Bedingungen im Labor oder in der Fertigung gut bedienbar und gut ablesbar ist.

Speicher, Schnittstellen und Software
Für viele Anwendungen ist es hilfreich, wenn die Messdaten im Rauigkeitsmessgerät gespeichert oder direkt auf ein anderes Gerät übertragen werden können. Als Datenschnittstellen werden beispielsweise RS232, Micro-USB und Bluetooth angeboten. Für einige Modelle gibt es spezielle Software, die die Auswertung und Speicherung der Messdaten erheblich vereinfacht.

Ist ein Rauheitsmessgerät mit Bluetooth Schnittstelle ausgestattet, können die ermittelten Messwerte direkt an ein mobiles Endgerät übertragen und auf diesem Gerät bequem mit einer App ausgewertet, gespeichert und bei Bedarf auch weitergeleitet werden. Bei einem taktilen Rauhigkeitsmesser ist es für einige Messungen außerdem vorteilhaft, dass die Parameter über die zugehörige App eingestellt und die Messung sogar über die App gestartet werden kann. Dadurch wird sichergestellt, dass die Abtastnadel nicht vom Startpunkt verschoben oder durch aufgebrachte Schwingungen abgelenkt wird.

In ISO 12179 (2000) „Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren - Kalibrierung von Tastschnittgeräten“ wird beschrieben, wie die Genauigkeit der Geräte zu kontrollieren ist. Viele Geräte können nicht nur kalibriert, sondern wenn die bei der Kalibrierung festgestellten Abweichungen zu groß sind auch justiert, also angepasst werden. Achten Sie darauf, ob das Rauheitsmessgerät, das Sie einsetzen möchten, eine solche Funktion bietet. Bei einigen Modellen wird das Rauhigkeitsmessgerät bereits mit einem Rauheitsstandard und einer geeigneten Kalibrierunterlage geliefert, so dass der Anwender bei Bedarf selbst kalibrieren kann.