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MESSEN UND PRÜFEN
Oberflächenmesstechnik
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A R T E FA K T F R E I E M ESSUN G VO N O B ERFLÄC HEN
Konfokal-Messtechnik
verlässt das Labor
Rauheiten unbekannter Oberflächen
konnten aufgrund von Artefakten bisher
nur eingeschränkt konfokal gemessen
werden. Ein von Confovis, Jena, entwickeltes Verfahren verspricht eine nahezu artefaktfreie Messung. Ein aufwendiges Nachbearbeiten der Messdaten
mittels Korrektur-Algorithmen entfällt,
die Ergebnisse sind rückführbar und
normgerecht.
In der Vergangenheit konnten technische
Oberflächen durch die gängigen Rauheits­
parameter wie den Arithmetischen Mittel­
rauwert (Ra) oder die Mittlere Rautiefe
(Rz) ausreichend genau charakterisiert
werden. Die heutige Komponentenent­
wicklung stellt jedoch insbesondere im Be­
reich Automotive und Aerospace höhere
Anforderungen an die Oberflächenbe­
schaffenheit und definiert meist folgende
Werte zusätzlich: die reduzierte Spitzen­
höhe (Rpk), die Kernrautiefe (Rk), die re­
duzierte Riefentiefe (Rvk), den Material­
anteil (Rmr) nach ISO 4287/4288 sowie
das Ölrückhaltevolumen und die Textur
nach ISO 25178.
Bisher sind diese Oberflächenkenn­
werte mit klassischen Messverfahren de­
tektiert worden. Konfokale Messverfahren
mit Laser, Fokusvariation und Weiß­
lichtinterferometrie stoßen an ihre physi­
kalischen Grenzen. Der Laser verursacht
Kohärenz- und Speckle-Effekte. Die
Fokusvariation erreicht ihre Grenzen bei
reflektierenden und feinen Oberflächen
durch die geringe axiale Auflösung.
Geringe Akzeptanzwinkel sorgen bei der
Weißlichtinterferometrie für unsaubere
Ergebnisse. Zwar hat jedes dieser Mess­
verfahren seine Berechtigung in der
Industrie gefunden, jedoch konnte bisher
kein Verfahren überzeugend die gesamte
Bandbreite abdecken, die erforderlich ist,
um unbekannte Metalloberflächen zu
messen.
Völlig neue Ansätze in der konfokalen
Messtechnik liefert das patentierte Ar­
beitsprinzip der strukturierten Beleuch­
tung der Confovis GmbH, Jena. Der
Oberflächenscanner ConfoCam der neus­
ten Gerätegeneration gewährleistet laut
Hersteller eine isotrope Auflösung der
Flankenwinkel bis 40°. Selbst an Struktu­
© Carl Hanser Verlag, München
Internet-PDF-Datei. Diese PDF Datei enthält das Recht zur elektronischen Verbreitung.
QZ Jahrgang 59 (2014) 11
Oberflächenmesstechnik
ren mit bis zu 90° Flankenwinkel treten
keine Artefakte auf, wobei eine laterale
Auflösung von minimal 300 nm erreicht
wird. Das Photonenrauschen mit besser
3 nm stellt die Grenze der axialen Auflö­
sung dar.
Taktile Geräte, die analoge Eigen­
schaften aufweisen, können nur ProfilSchnitte durch die Oberfläche aufneh­
men. Die Messgeräte von Confovis erfas­
sen hingegen die Oberfläche in ihrer Ge­
samtheit mittels schnellem Flächenscan.
Die ermittelte 3D-Punktewolke wird über
die MountainsMap-Analyse-Software des
französischen Entwicklers Digital Surf
ausgewertet, eine in der Branche bewährte
Methodik für 3D-Oberflächen-Auswer­
tung. Mit dieser Software-Peripherie nutzt
der Anwender klassische Auswertemög­
lichkeiten plus den Vorteil, Messwerte
verschiedener Messverfahren miteinander
vergleichen zu können, um Serienmessund Prüfprozesse abzusichern. Des Weite­
ren ist die Umsetzung und Aktualisierung
der Normen stets gewährleistet.
Ab der MountainsMap-Version 7.1 las­
sen sich die ConfoCam-Daten zusätzlich
nach dem Arbeitsprinzip der Fokusvaria­
tion auswerten. Grundlage dafür ist dabei
nicht die Analyse des Gitterkontrasts mit­
tels Konfokal-Algorithmus, sondern die
Übergabe eines Bildstapels, der in Moun­
tainsMap durch Multi-Fokus-Rekonst­
ruktion ausgewertet wird. Die der Fokus­
variation zuzurechnenden Vorteile – wie
die Auflösung von Winkeln bis über 80°
– geben dem Anwender einen wertvollen
Zusatznutzen und ersparen ihm die An­
schaffung mehrerer Messgeräte und die
dadurch notwendige Benutzerschulung.
Der Anwender ist somit in der Lage,
mithilfe des Oberflächenscanners feine
Oberflächen mittels strukturierter Be­
leuchtung aufzunehmen und Konturen
mit großen Winkeln per Fokusvariation
zu erfassen. Diese Kombination der Mess­
verfahren stellt nach Firmenangaben eine
Neuheit dar.
Das Verfahren der strukturierten
LED-Beleuchtung ermöglicht die Aufnah­
me von präzisen Messwerten. Im Verfah­
ren wird ein Gitter phasenverschoben auf
die Probe abgebildet und aufgenommen.
Der Kontrast der Abbildungen ist genau
dann maximal, wenn sich die Oberfläche
der Probe in der Fokuslage befindet. Um
die Topografie der Probe zu bestimmen,
wird die Probe in Fokusrichtung bewegt
und es werden dabei optische Schnitte er­
zeugt. Aus diesen Schnitten wird anschlie­
Jahrgang 59 (2014) 11
ßend die 3D-Punktewolke zusammenge­
setzt, in der ausschließlich die real aufge­
nommenen Messpunkte abgebildet sind.
Die Messwerte stehen somit unverfälscht
zur Verfügung. Ein Fakt, den immer mehr
Anwender zu schätzen wissen, da bei an­
deren Messgeräten die nicht erfassten Da­
tenpunkte meist softwareseitig aufgefüllt
werden.
Im Vergleich zu den weit verbreiteten
taktilen Messgeräten zeigt das System
­seine Präzision: Die reale Oberfläche wird
beim taktilen Abtasten durch den TasterRadius gefiltert und die aufgenommenen
Messwerte dadurch beeinflusst. Beim tak­
tilen Abtasten beträgt er mindestens 2 µm.
Dagegen filtert das System mit einer late­
ralen Auflösung von bis zu 0,3 µm und
löst die Oberflächenstruktur entspre­
chend feiner auf.
Die beschriebenen physikalischen
Grenzen von Weißlichtinterferometrie,
Fokusvariation und Laser-Scanning-­
Mikroskopen verbreitern die Abtastfunk­
tion, erhöhen das Signalrauschen und
­verringern die Genauigkeit der Messung
wesentlich. Das Messverfahren von
­Confovis verwendet LEDs und reduziert
so die genannten Effekte. Messartefakte,
die Haupt­ursache für die Einschränkung
der konfokalen Messtechnik für die Be­
stimmung von Rauheitswerten unbe­
kannter Oberflächen, werden deutlich mi­
nimiert (Bild 1 oben). Dies ermöglicht zu­
sammen mit den tatsächlich aufgenom­
menen Messwerten eine rückführbare
Rauheitsmessung.
Gerade der Einsatz in der Industrie
erfordert rückführbare und vergleichbare
Messwerte, die nach entsprechenden Nor­
men ermittelt werden. Viele der bisheri­
gen optischen Oberflächen-Messverfah­
ren eignen sich demnach lediglich als
Prüf-, jedoch nicht als Messverfahren. Das
System misst nach Angaben des Herstel­
lers die Oberflächenstrukturen so präzise,
dass die Werte durch MountainsMap nach
ISO 4287/4288 und ISO 25178 rückführ­
bar und damit vergleichbar sind. Alle
Ergebnisse lassen sich anhand von Rau­
heits-Normalen unabhängiger Anbieter
exakt nachweisen (Bild 1 unten). Eigene
Normale, die mancher Messgeräteherstel­
ler definiert und mitliefert, sollen nicht
notwendig sein.
Neben den durch die strukturierte
Beleuchtung und die Multi-Fokus-Rekon­
struktion gewonnenen 3D-Informationen
stellt die verwendete Nikon-MikroskopTechnik die untersuchte Oberfläche U
www.qz-online.de
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Oberflächenmesstechnik
MESSEN UND PRÜFEN
46
Bild 1. Nahezu artefaktfrei: Messung einer
Stufenprobe mit 10 µm Stegbreite und
56 nm Strukturtiefe aus Silizium (oben). Bei
Anwendung des morphologischen Filters zur
Simulation des Taster-Radius ergibt sich
eine Übereinstimmung zwischen Kalibrierprotokoll und Messung von > 99 % (unten).
nm
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
10
0
20
30
40
50
60
70 µm
Zertifikatsprotokoll Halle Raunormal 26 nm
nm
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
farbig dar. Partikel, Verunreinigungen
und Korrosion lassen sich so unabhängig
von der monochromen 3D-Datenerfas­
sung anschaulich charakterisieren.
Der Anwender definiert den zu unter­
suchenden Bereich der Probe und startet
die Messung. Einfache geometrische Aus­
wertungen sind mit der herstellereigenen
Messsoftware ConfoVIZ durchführbar.
Zudem können die Daten über die gängi­
gen Schnittstellen in die Produktionsda­
tenerfassung übertragen werden. Für de­
taillierte Auswertungen stehen nach der
One-Click-Übertragung der Messdaten
zu MountainsMap umfangreiche Mög­
lichkeiten zur Analyse und Auswertung
zur Verfügung.
Sebastian Schenk
OO Confovis GmbH
T 03641 27410-13
schenk@confovis.com
www.confovis.de
Messergebnis Confovis
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220 µm
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