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EFB-Forschungsbericht Nr. 120

3-D Oberflächenanalyse zur Beurteilung des Glanzgrades an Blechen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Manfred Geiger, Dr.-Ing. habil. Ulf Engel, Dipl.-Ing. Hans-Joachim Krauß, Dipl.-Ing. Thomas Neudecker, Lehrstuhl für Fertigungstechnik der Friedrich-Alexander-Universität Erlagen-Nürnberg, Dr. rer.nat. Klaus Holland-Letz, Dr.-Ing. habil. Jürgen Leopold, Dipl.-Ing. Holger Günther, Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung e.V., Schmalkalden

124 Seiten (Sw 68 Abb., 13 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-251-9

Preis (Digital) EUR 54,00

Preis (Print) EUR 61,00

Schlagworte: tribologisch, 3D-Erfassung, optisch

Zusammenfassung

Ziel des Forschungsvorhabens war die Beurteilung des Glanzgrades von Aluminium- und Stahlblechen mit Hilfe von 3D-Oberflächenkenngrößen und die Entwicklung eines objektiven und reproduzierbaren Messverfahrens. Hierzu wurden im Rahmen dieses Projekts unterschiedliche 3D-Kenngrößen und Meßmethoden untersucht und miteinander verglichen. Auf ihre Eignung zur Glanzbeurteilung hin wurden neben funktionalen Kenngrößen zur Beurteilung der tribologischen Eigenschaften technischer Oberflächen und 3D-Rauheitskenngrößen die Flanken- und Randverteilungen der Oberflächentopographien beurteilt. Die Profilerfassung erfolgte mit dem optisch tastenden Rosenstock-Sensor. Für die Filterung der aufgenommenen Oberfläche sowie die Berechnung der Kenngrößen wurde am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie die Auswertesoftware SAM entwickelt.

Die Untersuchungen an Aluminium- und Stahlblechen haben gezeigt, dass neben dem arithmetischen Mittenrauhwert und der Kernrauhtiefe insbesondere die Standardabweichungen der Randverteilungen der Flankenwinkel sehr gut mit dem subjektivempfundenen Glanz korrelieren. Einschränkend ist jedoch anzumerken, dass vor allem bei sehr matten und stark strukturierten Blechen, die unterschiedliche Texturierungen aufweisen, eine eindeutige Zuordnung zwischen Kenngröße und Glanz nicht immer möglich ist. Daher ist bei einer Anwendung der Kenngrößen in der prozeßintegrierten Qualitätssicherung für jede zu prüfende Teileklasse eine entsprechende Korrelationsbeziehung aufzustellen und die zugehörigen Grenzwerte sind festzulegen. Die Messzeiten des für die Korrelationsuntersuchungen benutzten Rodenstockmessgerätes sind für eine effektive Qualitätskontrolle mit einer anzustrebenden 100%-Bauteilbewertung nicht akzeptabel. Daher wurden unterschiedliche optische Feldmessverfahren auf ihre Eignung zur Erfassung von Mikrotopographie und Makrogeometrie getestet.

Am Erfolgversprechendsten für einen Einsatz in der industriellen Fertigung hat sich dabei die Streifenprojektionsmethode herausgestellt. So erfüllt sie die industriellen Anforderungen wie Profilerfassungs- und Auswertegeschwindigkeit, Langzeitstabilität, Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen sowie Automatisierbarkeit sehr gut. Um den Einsatz der Streifenprojektion in der industriellen Qualitätssicherung letztendlich zu ermöglichen, ist ihre Weiterentwicklung vor allem hinsichtlich der Messgenauigkeit unbedingte Voraussetzung. Die mit dieser Meßmethode erreichte vertikale und laterale Auflösung ist derzeit noch zu gering um hochglänzende Oberflächen messtechnisch erfassen zu können.

Abschließend kann festgestellt werden, dass die meisten der untersuchten Kenngrößen, allen voran die Randverteilungen der Flankenwinkel, zumindest innerhalb einer Klasse von Oberflächen mit gleichartiger Textuierung eindeutig mit dem Glanz korrelieren und daher geeignet erscheinen, in Verbindung mit einem noch weiterzuentwickelnden Streifenprojektionsverfahren die Messung des Glanzgrades auf der Basis der Reflexionsmethode zu ergänzen.

Das Forschungsvorhaben „3-D Oberflächenanalyse zur Beurteilung des Glanzgrades an Blechen“ wurde unter der Fördernummer AiF 10879B von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 120 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Verwendete Formelzeichen
1 Thema
2 Ausgangssituation
3 Forschungsziel
4 Forschungsergebnisse
4.1 Definition der betrachteten 3D-Oberflächenkenngrößen
4.1.1 Tribelogische Kenngrößen
4.1.2 3D-Rauheitskenngrößen
4.1.3 Bezogene wahre Oberfläche (Oberflächenfaktor)
4.1.4 Flankenverteilung
4.1.5 Flankenverteilung an realen Oberflächen
4.1 .6 Randverteilung der Flankenwinkel
4.2 Methoden der Mikroprofilerfassung
4.2.1 Optisch tastende Profilerfassung mittels Rodenstocksensor
4.2.1.1 Meßverfahren
4.2.1.2 Verfahrensbedingte Meßfehler
4.2.2 Mechanisch tastende Profilerfassung mittels AFM
4.2.3 Streifenprojektion
4.2.3.1 Verfahrensprinzip
4.2.3.2 Versuchsaufbau
4.2.4 Projektion-Moireverfahren
4.2.5 Elektronische Speckle-lnterferometrie (ESPI)
4.2.5.1 Verfahrensprinzip
4.2.5.2 Fraktale Dimension von Specklemustern
4.3 Software zur Berechnung der 3D-Oberflächenkenngrößen
4.3.1 3D-Wellenfilter
4.3.2 Berechnung der Kenngrößen
4.4 Untersuchte Oberflächen- Beschreibung der Topographie und des subjektiven Glanzeindrucks
4.4.1 Aluminiumbleche
4.4.2 Stahlbleche
4.5 Ergebnisse der Profilerfassung
4.5.1 Mikrotopographieerfassung
4.5.1.1 Mechanisch tastende Profilerfassung mittels AFM
4.5.1.2 Streifenprojektion
4.5.1.3 Projektions-Moireverfahren
4.5.1.4 Elektronische Speckle-lnterferometrie (ESPI)
4.5.2 Makroskopische Geometrieerfassung
4.5.3 Kopplung der makroskopischen Geometriebestimmung mit der Mikrotopographieerfassung
4.6 Korrelation zwischen 30-0berflächenkenngrößen und dem subjektiven Glanzeindruck
4.6.1 Tribologische Kenngrößen
4.6.2 30-Rauheitkenngrößen
4.6.3 Oberflächenfaktor
4.6.4 Flanken- und Randverteilung
4.7 Korrelation zwischen Reflexionsmessung mit kohärentem Licht und subjektivem Glanzeindruck
4.7.1 Quantitative Erfassung von Specklemuster
4.7.1.1 Versuchsaufbau und Specklemuster
4.7.1.2 Quantitative Auswertung
4.7.2 Streuung von polarisiertem Licht
4.7.2.1 Versuchsaufbau
4.7.2.2 Experimentelle Durchführung und Ergebnisse
4.7.2.3 Vergleich der polarisierten Rückstreuung und der Flankenverteilung
4.8 Meßvorschrift zur Bewertung des Glanzgrades
4.9 Konzept zur prozeßintegrierten Qualitätssicherung
4.10 Zusammenfassung der Forschungsergebnisse
5 Literatur
6 Anhang