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10.10.2017

Weißlichtinterferometer Typ Nexview von Zygo

Winzige Kratzer auch bei Gegenlicht sehen

Ein Oberflächenprüfgerät identifiziert Verschleißspuren, die genauso groß sind wie die Struktur der Probenoberfläche. Die Messdaten zeigen nach jeder Messung schnell und aussagekräftig die Topografie der untersuchten Fläche.

Zur Auswertung von Verschleißversuchen setzt das Labor für Maschinenelemente und Tribologie (MuT) ein Weißlichtinterferometer ein. (© Zygo)

Verschleiß ist normal, aber unerwünscht und meist kostspielig. Er tritt unter anderem auf, wenn sich bewegende Maschinenelemente berühren, und kann zu Schädigungen bis hin zum Ausfall von Maschinen und Geräten führen. Schmierstoffe reduzieren Reibung sowie Verschleiß und bieten noch Optimierungsmöglichkeiten.

Im Labor für Maschinenelemente und Tribologie an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) Hamburg wird der Einfluss unterschiedlicher Schmierstoffe auf fettgeschmierte Paarungen – zum Beispiel ineinandergreifende Zahnräder – untersucht.

Zur Auswertung der Versuche wird ein Weißlichtinterferometer Typ Nexview des Prüfgeräte-Herstellers Zygo, Weiterstadt, eingesetzt (Bild 1). Das Gerät identifiziert Verschleißspuren, die genauso groß sind wie die Struktur der Probenoberfläche und sich nur durch die Ausrichtung zu erkennen geben, übermittelt zahlreiche Messdaten und zeigt nach jeder Messung schnell und aussagekräftig die Topografie der untersuchten Fläche.

Feinste Verschleißspuren entdecken und messen

Die Reibungsversuche werden mit verschiedenen Kugel-Ebene-Tribometern durchgeführt: Beispielsweise wird eine Wälzlagerkugel aus 100Cr6 oder Keramik mit einer bestimmten Kraft auf die Probe gedrückt, eine feingeschliffene oder polierte Scheibe aus Werkstoffen wie C45 oder Messing, die unter der Kugel hindurch rotierend oder oszillierend bewegt wird. Dabei verursacht die Kugel in der Probenfläche eine Verschleißspur (Bild 2). Die Versuchsauswertung erfolgt mit dem Weißlichtinterferometer.

Speziell beim Einsatz von kleinen Kugeln und Kräften, die sich für die Modellversuche als vorteilhaft erwiesen haben, sind die Abmessungen der linienförmigen Verschleißerscheinungen (Tiefe, Breite) eine messtechnische Herausforderung. Während das quadratische Messfeld – je nach eingesetztem Objektiv – etwa 0,1 bis 2 mm breit ist, weisen die Verschleißspuren ebenso unterschiedliche Breiten und insbesondere winzige Verschleißhöhen und Werkstoffverluste im Nanometerbereich auf.

Erschwerend kommt hinzu, dass die polierten Probenoberflächen auftreffendes Licht sehr stark reflektieren, weshalb viele optische Messgeräte derartige Verschleißspuren gar nicht messen und zeigen können. Das Weißlichtinterferometer hingegen ist so ausgelegt, dass Lichtreflexe "ausgeschaltet" werden. Außerdem hat das Gerät unabhängig von der Vergrößerung eine vertikale Auflösung im Subnanometer-Bereich.

Eine weitere Anforderung des Lastenhefts, die das Weißlichtinterferometer erfüllt, ist die rasche Mess- und Auswertetechnik: Bereits kurze Zeit nach der Messung stehen präzise Messergebnisse zur Verfügung und können auf verschiedene Weise in 3D- und 2D-Darstellungen gezeigt werden.

Rauigkeitsparameter mit Sub-Angström-Auflösung messen

Der Nexview-Profiler misst berührungslos Rauigkeits- und andere Oberflächenparameter und kann Profilhöhen von < 1 nm (10-6  mm) bis 20 000 µm (2 × 101  mm) mit einer Sub-Angström-Auflösung in z-Richtung erfassen – und das unabhängig von Oberflächenstruktur, Vergrößerung oder Höhe. Steuerung, Systemkontrolle und Datenanalyse erfolgen über die Software-Plattform Mx. Sie ermöglicht eine intuitive Messnavigation und interaktive 3D-Darstellungen der Oberflächentopografie in Echtzeit; die Ergebnisse entsprechen der Norm ISO 25178.

Zu den messtechnischen Besonderheiten gehört eine Farboption zur Verschleißbestimmung. Eine integrierte Schwingungsisolation und die SureScan-Technologie ermöglichen es, auch in vibrationsbelasteter Umgebung extrem präzise Messungen durchzuführen.

Diese Verschleißprobe wurde mit einer Drehbewegung unter der Kugel des Kugel-Ebene-Tribometers hindurchgezogen, wobei die kreisförmige Verschleißriefe entstand. (© Zygo)

Topographische und 2D-Profil-Darstellung der Verschleißspur mithilfe des Weißlichtinterferometers (© Zygo)

Der Profiler kann bis zu 10 kg schwere Werkstücke aufnehmen, der Verfahrweg beträgt in xy-Richtung 200 mm, in z-Richtung 100 mm. Mit einem Kopfhebemechanismus können sogar Prüflinge mit einer Höhe von bis zu 160 mm geprüft werden. Zu den Besonderheiten gehört eine vollautomatische xyz- und Neigungs-Verstellung mit nahtloser Aneinanderreihung der Messfelder. Die Messgeschwindigkeit ist selbst bei Prüfflächen mit bis zu 85° Steigung sehr hoch, sodass im Vergleich zu Messverfahren, die von der Objektivvergrößerung abhängig sind, Messzeit gespart wird.

Eine spezielle Fokussierhilfe erleichtert die Einrichtung der Prüfstücke, selbst wenn sie glatt und merkmallos sind. Ein scannerbasierter Mechanismus schützt die Objektive vor versehentlicher Zerstörung. Das Gerät kann vorprogrammierte Palettenmessungen durchführen und automatisiert Einzelmessungen an einem Werkstück zusammensetzen.

Bedeutung tribologischer Untersuchungen wächst

Viele technische Systeme – wie Getriebe, Lager, Kupplungen, Bremsen, Düsen, aber auch Werkzeuge für spanende und andere Formgebungsverfahren – sind verschleißenden Beanspruchungen ausgesetzt. Die ständig wachsenden Anforderungen an diese Systeme wirken sich zwangsläufig auch auf deren tribologische Eigenschaften aus. Tribologische Untersuchungen geben Einblick in die Abläufe und vermitteln Erkenntnisse zur konstruktiven Optimierung von Bauteilen, zur Behandlung von Funktionsflächen und zur Entwicklung von Schmierstoffen.

Konrad Dengler

Ametek Germany GmbH Abteilung Zygo
www.zygo.de

Unternehmensinformation

Ametek Germany GmbH Abteilung Zygo

Rudolf-Diesel-Straße 16
DE 64331 Weiterstadt
Tel.: 06150 543-1161
Fax: 06150 543-1500

Internet:www.zygo.de
E-Mail: ZygoInfo.de <AT> ametek.com


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