Rauheitsmessung: Verfahren und Prüfprotokoll

Zwei Prüflabore messen dieselbe gefräste Fläche und kommen auf spürbar unterschiedliche Ra-Werte, obwohl beide korrekt gearbeitet haben. Der Grund liegt fast immer in unterschiedlich eingestellten Messbedingungen am Rauheitsmessgerät, vor allem in der Grenzwellenlänge.

Kurz & knapp: Rauheitsmessung ermittelt die Mikrostruktur einer Bauteiloberfläche, meist über das taktile Tastschnittverfahren oder optisch mit berührungslosen Messsystemen. Entscheidend für ein vergleichbares Ergebnis sind die eingestellte Grenzwellenlänge (0,08 bis 8 mm) und die Messstrecke. Für Einkäufer zählt am Ende weniger der reine Ra-Wert, sondern ob das Prüfprotokoll die verwendeten Messbedingungen offenlegt.

Wie funktioniert die taktile Rauheitsmessung mit dem Tastschnittverfahren?

Beim Tastschnittverfahren fährt eine feine Diamantspitze in gleichmäßiger Geschwindigkeit über die Bauteiloberfläche und zeichnet dabei deren Höhenprofil auf. Aus diesem Profil berechnet die Auswertesoftware anschließend die Kennwerte wie Ra oder Rz (Rautiefe). Tastschnittgeräte werden in der Praxis häufig auch als Perthometer bezeichnet, nach einem der ersten kommerziellen Hersteller solcher Rauheitsmessgeräte. Der Ablauf gliedert sich dabei in drei Schritte:

• Abtasten: Die Diamantspitze fährt mit konstanter Geschwindigkeit über die festgelegte Messstrecke.

• Filtern: Die Software trennt anhand der Grenzwellenlänge die Rauheits- von den Welligkeitsanteilen.

• Auswerten: Aus dem gefilterten Profil berechnet die Software die gewünschten Kennwerte, etwa Ra oder Rz.

Die Bewertung der Oberflächenbeschaffenheit mittels Tastschnittmessungen ist seit langem in der Qualitätssicherung der fertigenden Industrie fest etabliert und bleibt weiterhin das gängigste Verfahren der Rauheitsmessung, so die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in ihrem Bericht zur neuen Normenreihe ISO 21920.

Das Verfahren gilt deshalb bei den meisten Bauteilen als Referenzmethode, an der sich auch optische Messsysteme messen lassen müssen.

In unseren Qualitätsgesprächen mit Fertigungspartnern in Fernost fragen wir bei kritischen Flächen gezielt nach, mit welchem Tastspitzenradius und welcher Grenzwellenlänge gemessen wurde. Ohne diese Angabe lässt sich ein gelieferter Ra-Wert kaum mit dem eigenen Zeichnungsanspruch vergleichen, selbst wenn beide Zahlen auf den ersten Blick übereinstimmen.

Welche Rolle spielen Grenzwellenlänge und Messstrecke für das Ergebnis?

Die Grenzwellenlänge trennt im Messsignal die feinen Rauheitsanteile von den gröberen Welligkeitsanteilen der Oberfläche, ähnlich einem Sieb, das feinen Sand von grobem Kies scheidet. Je gröber die erwartete Oberfläche, desto breiter wird die Grenzwellenlänge gewählt.

Die Grenzwellenlänge folgt einer festgelegten Werteserie von 0,08 über 0,25, 0,8 und 2,5 bis 8 mm. Die Messstrecke besteht dabei in der Regel aus fünf gleich langen Einzelmessstrecken in dieser Breite. Eine geschliffene Fläche mit einem erwarteten Rz um 7 µm wird beispielsweise mit einer Grenzwellenlänge von 0,8 mm und damit einer Gesamtmessstrecke von 4 mm ausgewertet. Wird die Grenzwellenlänge falsch gewählt, etwa zu schmal für eine grobe Fräsfläche, geraten Welligkeitsanteile fälschlich in den Rauheitswert. Das Ergebnis verzerrt sich dadurch nach oben.

Mit der neuen Normenreihe ISO 21920 hat sich dabei ein Detail verändert. Kennwerte werden nunmehr überwiegend direkt für die gesamte Messstrecke berechnet und nicht mehr zunächst für jede Einzelmessstrecke separat. Das führt in manchen Fällen zu kleinen Abweichungen zwischen alten und neuen Messergebnissen an derselben Fläche.

Wann lohnt sich die optische statt der taktilen Rauheitsmessung?

Optische, berührungslose Rauheitsmessung erfasst die Oberfläche über Verfahren wie Fokusvariation, Weißlichtinterferometrie oder konfokale Mikroskopie, ganz ohne mechanischen Kontakt. Dadurch entsteht kein Kontaktdruck, der empfindliche oder beschichtete Flächen beschädigen könnte.

In der Beschaffung erleben wir oft, dass Einkäufer optische Messsysteme automatisch für die genauere Methode halten, weil sie flächenhaft statt nur entlang einer Linie messen. Für die reine Ra- oder Rz-Prüfung nach Zeichnung bleibt aber das taktile Verfahren die Referenz. Optische Systeme liefern vor allem dann einen echten Mehrwert, wenn die gesamte Topografie einer Fläche interessiert, nicht nur ein einzelner Kennwert.

Für optische Oberflächenmessgeräte, die flächenhaft statt entlang einer Linie messen, gilt die eigene Normenreihe DIN EN ISO 25178 für Begriffe und Kenngrößen der flächenhaften Oberflächenbeschaffenheit, vor allem relevant bei komplexen, dreidimensional strukturierten Oberflächen.

Was bedeutet die 16-Prozent-Regel bei der Bewertung einer Messung?

Die 16-Prozent-Regel ist eine der möglichen Toleranzakzeptanzregeln, mit denen ein Prüflabor entscheidet, ob eine gemessene Fläche insgesamt als zeichnungskonform gilt. Nach dieser Regel gilt eine Fläche als in Ordnung, wenn höchstens 16 Prozent der einzelnen Messwerte den zulässigen Grenzwert überschreiten, statt jeden einzelnen Wert isoliert zu bewerten.

Für Einkäufer ist relevant, dass eine Zeichnung explizit angeben sollte, nach welcher Regel geprüft wird. Die Spezifikationsoperatoren für die Rauheitsmessung, zu denen auch die Bewertungsregel zählt, sind in DIN EN ISO 21920-3 geregelt. Fehlt die Angabe auf der Zeichnung, wählt das Prüflabor die Bewertungsregel nach eigenem Ermessen. Das kann zwei Lieferanten bei derselben Zeichnung zu unterschiedlich strengen Freigabeentscheidungen kommen lassen. Ähnlich wie bei Form- und Lagetoleranzen, bei denen die Bezugsstellen ebenfalls eindeutig definiert sein müssen, lohnt sich hier eine klare Zeichnungsangabe statt einer impliziten Annahme.

Was sollte im Rauheitsmessprotokoll stehen, und worauf sollten Einkäufer achten?

Ein aussagekräftiges Messprotokoll dokumentiert nicht nur den gemessenen Kennwert, sondern auch die Bedingungen, unter denen er entstanden ist.

Ein Protokoll, das nur den nackten Ra-Wert nennt, ist für kritische Bauteile kaum belastbar. Ähnlich wie bei der ISO 2768 für allgemeine Maßtoleranzen lohnt es sich, die Prüfbedingungen bereits in der technischen Anfrage festzulegen, statt sie dem Fertigungspartner zu überlassen.

Bei sicherheitsrelevanten Teilen lässt sich diese Anforderung sinnvoll mit einem Abnahmeprüfzeugnis 3.1 koppeln, das die Messung durch einen unabhängigen Prüfer am tatsächlich gelieferten Material bestätigt. Eine erste Kontrolle der Oberfläche gehört zudem in die reguläre Wareneingangsprüfung, auch wenn dort meist nur stichprobenhaft und nicht mit Laborgenauigkeit gemessen wird.

Häufig gestellte Fragen zur Rauheitsmessung

Wie läuft eine Rauheitsmessung ab?

Bei der taktilen Rauheitsmessung fährt eine Diamantspitze mit konstanter Geschwindigkeit über die Oberfläche und zeichnet deren Höhenprofil auf. Aus diesem Profil berechnet die Software anschließend Kennwerte wie Ra oder Rz für die festgelegte Messstrecke.

Was ist der Unterschied zwischen taktiler und optischer Rauheitsmessung?

Die taktile Messung tastet die Oberfläche mechanisch mit einer Diamantspitze ab und gilt als Referenzmethode für Ra- und Rz-Werte nach Zeichnung. Optische Verfahren messen berührungslos und flächenhaft, sind damit schonender für empfindliche Oberflächen, aber für die reine Kennwertprüfung nicht immer direkt vergleichbar.

Was bedeutet die Grenzwellenlänge bei der Rauheitsmessung?

Die Grenzwellenlänge trennt im Messsignal die feinen Rauheitsanteile von den gröberen Welligkeitsanteilen der Oberfläche. Sie wird abhängig von der erwarteten Rauheit aus einer festgelegten Werteserie zwischen 0,08 und 8 mm gewählt.

Welche Norm gilt für die Rauheitsmessung?

Für die profilhafte Rauheitsmessung gilt die dreiteilige Normenreihe ISO 21920, die die früheren Normen ISO 1302, ISO 4287, ISO 4288 und ISO 13565-2/-3 zusammenführt. Für flächenhafte, optische Messverfahren ist zusätzlich die Normenreihe ISO 25178 relevant.

Was sollte ein Rauheitsmessprotokoll mindestens enthalten?

Ein belastbares Messprotokoll enthält neben dem Kennwert selbst die verwendete Grenzwellenlänge, die Messstrecke, die Messmethode sowie die angewendete Bewertungsregel. Bei kritischen Bauteilen gehört zusätzlich die Messunsicherheit dazu. Ohne diese Angaben lässt sich ein Ergebnis kaum mit einer anderen Messung vergleichen.

Fazit: Rauheitsmessung liefert nur mit klaren Messbedingungen vergleichbare Werte

Ein Ra- oder Rz-Wert allein sagt wenig aus, wenn die verwendete Grenzwellenlänge, Messstrecke und Bewertungsregel im Prüfprotokoll fehlen. Wer diese Bedingungen bereits in der technischen Anfrage festlegt, kann Messergebnisse verschiedener Fertigungspartner tatsächlich vergleichen, statt sich auf eine einzelne Zahl zu verlassen.

Line Up unterstützt Einkäufer dabei, Oberflächenanforderungen präzise zu spezifizieren und die Prüfprotokolle von Fertigungspartnern in Fernost sachkundig einzuordnen. 👉 Lassen Sie sich unverbindlich beraten und klären Sie, welche Messbedingungen Ihr nächstes Bauteil wirklich braucht.