IU Incubator Bewertung von Bauteileigenschaften

Die Funktion von technischen Bauteilen ist häufig direkt mit der Mikrostruktur ihrer Oberfläche verknüpft. Bekannte Beispiele aus Natur und Technik sind der „Lotus-Effekt“, Näpfchen-Strukturen auf Golfbällen zur Reduktion der Luftreibung, Mikrostrukturen auf Haifisch-Haut zur Reduktion der Strömungsreibung oder die Nutzung des identischen Effektes auf der Oberfläche von Flugzeug-Hüllen.

Weitere technische Anwendungen, bei denen Verschleiß, Reibung und Schmierung eine wichtige Rolle spielen, sind jegliche bewegte Teile z.B. in Motoren oder künstliche Hüftgelenke. In technischen Anwendungen sind die hierfür relevanten Strukturen im Allgemeinen in der Größenordnung Mikrometer ausgeprägt und zählen somit zur Kategorie der „technischen Rauheit“.

Rauheit wird in aller Regel über die Messung von Abständen zwischen einem Sensor und der Bauteiloberfläche erfasst, wobei diese Abstände zumeist berührend (taktil) oder aber optisch mithilfe von mikroskopischen Verfahren erfasst werden. Für die anschließende, funktionsorientierte Analyse existieren standardisierte Kenngrößen nach DIN EN ISO 4287, DIN EN ISO 13565 und DIN EN ISO 25178.

Es ist allerdings auch möglich, mithilfe optischer Messverfahren eine Beurteilung der Bauteiloberfläche und ihrer Rauheit auf Basis der Winkelverteilung und ohne die Messung von Abständen durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass die Messung weniger anfällig für Schwingungen (Schwankungen des Abstands) aus der Umgebung ist, und der Sensor direkt in der Fertigungsumgebung („shopfloor“) eingesetzt werden kann. Der direkte Zusammenhang zwischen der Winkelverteilung der Oberfläche und den funktionellen Eigenschaften der Oberfläche, z.B. im Hinblick auf Verschleiß, Reibung und Schmierung (Tribologie) ist bisher unzureichend untersucht. Daher stellen sich folgende Forschungsfragen:

• 1. Welche Zusammenhänge existieren zwischen der Winkelverteilung und den funktionellen Eigenschaften der Oberfläche bzw. wie kann das Verhalten des Bauteils im Hinblick auf Reibung, Verschleiß und Schmierung nur mit Kenntnis der statistischen Verteilung der Oberflächenwinkel beurteilt werden? 

• 2. Wie können diese Zusammenhänge für eine Überwachung von Fertigungsprozessen genutzt werden, so dass eine Erkennung von Abweichungen in der Fertigung möglichst frühzeitig erfolgt und in der Zwischenzeit bis zur Behebung der Abweichungen weniger fehlerhafte Bauteile produziert werden?

Die Untersuchung dieser Forschungsfragen mithilfe von neuen Auswertestrategien wird zu einer Einsparung von Ressourcen und somit einer nachhaltigeren, industriellen Fertigung führen.

Generell können verschiedene Eigenschaften untersucht werden, da die Breite der Streuwinkelverteilung (Varianz) in Zusammenhang mit der Rauheit steht: ist die Verteilung eng, so variiert der Winkel nur sehr geringfügig – die Oberfläche ist also sehr glatt. Ist die Verteilung breiter, so liegt eine rauere Oberfläche vor.

Da die Technik eine direkte Erfassung von Informationen erlaubt, die mit dem Oberflächengradienten zusammenhängen, finden sich viele Anwendungen für tribologisch relevante Oberflächen im industriellen Umfeld. Bisher allerdings ist die direkte Analyse von funktionellen Bauteileigenschaften auf Basis der Winkelverteilung nicht hinreichend gut untersucht, sondern es erfolgt häufig nur eine Korrelation zwischen der Ausprägung der Rauheit und der Breite der Verteilung der Oberflächenwinkel. Durch eine dezidiertere Analyse der Winkelverteilung könnten zusätzliche Informationen über die Oberfläche gewonnen werden. Nicht nur die Ausprägung der Rauheit ist von Interesse, sondern insbesondere das Verhalten der Oberfläche bei Reibung, Verschleiß oder Schmierung. Die direkte Gewinnung von Informationen auf Basis der Winkelverteilung soll im Rahmen des Incubators untersucht werden. Weiterhin soll betrachtet werden, wie die gewonnenen Informationen für die Überwachung von Fertigungsprozessen so genutzt werden können, dass Produktionsausschuss verringert wird.