Rauheit

Die Rauheit (oder veraltet und nicht mehr normgerecht Rauigkeit oder Rauhigkeit) ist ein Begriff aus der Oberflächenphysik, der die Unebenheit der Oberflächenhöhe bezeichnet. Zur quantitativen Charakterisierung der Rauheit gibt es unterschiedliche Berechnungsverfahren, die jeweils auf verschiedene Eigenheiten der Oberfläche Rücksicht nehmen. Die Oberflächenrauheit kann unter anderem durch Polieren, Schleifen, Läppen, Honen, Beizen, Sandstrahlen, Ätzen, Bedampfen oder Korrosion beeinflusst werden.

Der Begriff Rauheit bezeichnet weiterhin eine Gestaltabweichung dritter bis fünfter Ordnung bei technischen Oberflächen nach DIN 4760. Die Rauheit einer technischen Oberfläche wird in den Oberflächenangaben der technischen Zeichnung spezifiziert.

Vor allem in der Technik ist die Rauheit sehr wichtig, zum Beispiel bei technischen Gleit- oder Sichtflächen. Die verfügbaren Messgeräte können in drei Kategorien eingeteilt werden:

• manuelle Methoden. Hierzu zählt der Rugotest. Dieses ist aber nicht von der GPS-Normenkette abgedeckt.
• Profilbasierte Methoden. Hierzu zählen Tastschnittverfahren
• Flächenbasierte Methoden. Hierzu zählen unter anderem optisch flächenhaft messende Verfahren.

Bei optischen profil- und flächenbasierenden Methoden kann unter zahlreichen Messmethoden gewählt werden. Das sind unter anderem Konfokalmikroskopie, Konoskopische Holografie, Fokusvariation oder Weißlichtinterferometrie.

Rauheitskennwerte am Profil

Es werden im Alltag grundsätzlich drei Rauheitsangaben verwendet, die in der Einheit μm angegeben werden.

• Die mittlere Rauheit, dargestellt durch das Symbol R_a, gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes -auf der Oberfläche- zur Mittellinie an. Die Mittellinie schneidet innerhalb der Bezugsstrecke das wirkliche Profil so, dass die Summe der Profilabweichungen (bezogen auf die Mittellinie) minimal wird.

Die mittlere Rauheit R_a entspricht also dem arithmetischen Mittel der Abweichung von der Mittellinie. In zwei Dimensionen berechnet sie sich aus:

$R_a = \frac{1}{M \, N}\, \sum_{m=1}^{M} \sum_{n=1}^{N} \left\vert z \left( x_m,y_n \right) - \left\langle z \right\rangle \right\vert$

wobei der Mittelwert durch

$\left\langle z \right\rangle= \frac{1}{M \, N} \sum_{m=1}^{M} \sum_{n=1}^{N} z \left( x_m,y_n \right)$

berechnet wird.

Etwas leichter vorstellbar ist die mittlere Rauheit (in einer Dimension) als die Höhe des Rechtecks, das die gleiche Länge wie die zu untersuchende Strecke und den gleichen Flächeninhalt wie jene Fläche zwischen Bezugshöhe und Profil hat.

• Die sogenannte quadratische Rauheit (englisch rms-roughness = root-mean-squared roughness: Wurzel des Mittelquadrates) wird aus dem Mittel der Abweichungsquadrate berechnet und entspricht dem „quadratischen Mittel“

$R_{q} = \sqrt{ \frac{1}{M \, N}\, \sum_{m=1}^{M} \sum_{n=1}^{N} \left( z \left( x_m,y_n \right) - \left\langle z \right\rangle \right)^2}$

• Die so genannte gemittelte Rautiefe (auch Zehnpunkthöhe), dargestellt durch das Symbol R_z, wird folgendermaßen ermittelt.
  • Eine definierte Messstrecke auf der Oberfläche des Werkstücks wird in sieben gleich große Einzelmessstrecken eingeteilt. Die Auswertung erfolgt aber nur über 5 dieser Strecken, da der anzuwendene Gauß-Filter eine halbe Einzelmessstrecke Vor- bzw. Nachlauf benötigt, respektive eine Faltung ein nicht zu unterschätzendes Ein- und Auslaufverhalten aufweist.
  • Von jeder dieser Einzelmessstrecken wird die Differenz aus maximalem und minimalem Wert des Profils ermittelt.
  • Aus den somit erhaltenen fünf Werten wird der Mittelwert gebildet.

Dieser Kennwert ist nicht zu verwechseln mit R_z. R_z ist definiert als R_p − R_v bezogen auf die Gesamtmessstrecke, im Normalfall also 5 Einzelmessstrecken. Die GPS-Normenkette sieht allerdings auch andere Messkonstellationen vor.

Rauheitskennwerte auf der Fläche

Die Rauheit auf der Fläche ist mit ISO 25178 genormt. Mittlerweile (Stand 2009) gibt es optische Messgeräte, die Rauheitskenngrößen flächig messen.

Diskussion der Rauheitsparameter

Rauheit von verschiedenen Oberflächen
siehe Text

Wie in Bild 1 vereinfacht für eine Dimension zu sehen ist, sind die mittlere Rauheit und die quadratische Rauheit nur von der absoluten Abweichung der Höhe vom Mittelwert abhängig, aber nicht von der Verteilung der Höhenwerte über die Fläche. So ergibt sich beispielsweise für die mittleren Rauheiten in den Bildern A und C R_a = 2 und R_q = 2, während die Werte für Bild B sich zu R_a = 1 und R_q = 1 berechnen

Im Maschinenbau existieren für das oben genannte Problem Lösungen in der GPS-Normenkette. Hier sind anzuführen die Kennwerte aus der Abbott-Kurve und die Amplituden-Dichte-Kurve, sowie der Unterschied zwischen Welligkeit und Rauheit. So sagt die Rauheit eines Werkstückes zum Beispiel etwas über die Qualität des Werkzeuges, die Welligkeit jedoch etwas über die Qualität der Maschine aus. Es tritt also gehäuft auf, dass bei Qualitätsproblemen die Rauheitsanforderungen extrem gesteigert werden, die das Problem verursachende Welligkeit aber bei der Rauheitsmessung „weggefiltert“ wird. Die GPS-Normenkette definiert alle Raukennwerte auch als Welligkeitskennwerte. Unterschied ist nur die jeweilige „Cut off“-Frequenz. Welligkeitskennwerte werden mit dem Präfix „W“ gekennzeichnet.

R_a und R_q sind also ungeeignet, um Aussagen über die Ortsfrequenz der Unebenheiten zu treffen. Es gilt also zu erst die Wellenlänge der kritischen Strukturen zu ermitteln. Hieraus ergibt sich, ob „P“, „R“ oder „W“-Kennwerte zu spezifizieren sind. Hiernach ist zu entscheiden, ob die kritischen Eckpunkte eher aus dem Profil, der Abbott-Kurve oder der Amplituden-Dichte-Kurve zu ersehen sind. Erst hiernach ist eine Festlegung auf einen Messwert zur Qualitätssicherung sinnvoll.

Verfahren für Papier

Um die Rauheit bzw. Glätte von Papier zu ermitteln, gibt es drei gängige Luftstromprüfverfahren und 2 gängige optische Prüfverfahren: Luftstromverfahren:

• die Glätte nach Bekk,
• die Glätte nach Parker Print Surf
• die Glätte nach Bendtsen.

Optische Prüfverfahren:

• Fokusvariation
• Strukturierte Beleuchtung

Die Mehrzahl der heute eingesetzten Prüfverfahren versucht die Druckglätte unter einem definierten Anpressdruck zu charakterisieren. Hierzu wird oft Luft als Hilfsmittel benutzt, die zwischen einer Referenzfläche und der Papieroberfläche unter definierten Bedingungen strömt. Bei Bekk ist die Referenzfläche eine geschliffene Glasplatte, bei Bendtsen und Parker Print Surf eine plane Metallringstirnfläche.

Neuere Messverfahren arbeiten mit optischen Methoden, dazu gehören die Fokusvariation bzw die strukturierte Beleuchtung. Die Vorteile dieser Verfahren sind:

• zerstörungsfreie Messung
• Auswertung komplexerer Parameter der Oberfläche (siehe dazu ISO 25178 und Volumensparameter)
• Nur Einfluss der Oberfläche (Bei Luftstromverfahren wird auch Luft durch das Papier geleitet und verfälscht so den Rauheitswert)

Die Nachteile der optischen Messung sind:

• längere Messzeit

Glätte nach Bekk

• Einsatzbereich: zirka 2–5 s
• Messfläche: 10 cm²
• Druck auf Probe: 100 kPa

Es sind drei unterschiedliche Messbereiche möglich:

• A: 10 bis 600 s mit großem Vakuumbehälter, Druckabfall von 507 auf 480 mbar, gemessene Zeit = GL (Bekk)s
• B: >300 s (nach A) mit kleinem Vakuumbehälter, Druckabfall von 507 auf 480 mbar, gemessene Zeit x 10 = GL (Bekk)s
• C: <20 s (nach A) mit großem Vakuumbehälter, Druckabfall von 507 auf 293 mbar, gemessene Zeit:10 = GL (Bekk)s

Rauheit/Glätte nach Bendtsen

Die Rauheit nach Bendtsen ist der Luftstromdurchfluss, der zwischen dem Messring des Messkopfes des Bendtsen–Gerätes und der Probeoberfläche hindurch geht, und der bei einem festgelegten Überdruck entsteht.

• Messbereich: 10 bis 3000 ml/min
• Messfläche: 100 × 0,15 mm ringförmig
• Druck auf Probe: 10 N/cm²
• Differenzdruck: (15 ± 0,2) mbar

Rauheit/Glätte nach Parker Print Surf (PPS)

Die PPS–Rauheit gehört auch zu den Luftstrommessverfahren und ist in der Druckpapierindustrie sehr weit verbreitet.

• Messfläche: 98 mm × 51 µm (ringförmig)
• Druck auf Probe: (6,2 ± 0,1) kPa
• Probenunterlage: harte Gummiplatte

Die Geräte werden durch entsprechende akkreditierte Sachverständige kalibriert. Es werden innerhalb der Papierindustrie Ringversuche durchgeführt, um die Geräte miteinander vergleichen zu können und geeignete Kalibrierintervalle festzulegen.

Siehe auch

• Formabweichung
• Welligkeit
• Gitteraufbau
• Rauhigkeit (Akustik)
• Mittenrauwert
• Oberflächengüte

Literatur

• ISO/TR 14638 – Geometrical product specification (GPS) – Masterplan
• DIN EN ISO 4287 – Geometrical Product Specifications (GPS) – Surface texture: Profile method – Terms, definitions and surface texture parameters

Weblinks

• Homepage des TC213 der ISO
• Arbeitsgruppe 5.14 Rauheitsmessverfahren der PTB
• Referenz-Software für die Rauheitsmesstechnik der PTB
• Faltblatt Oberflächenrauheitsmessung, Praktische Hinweise für Labor und Werkstatt (PDF-Datei; 771 kB)