Rauheit

Das grundlegende Symbol der Oberflächenrauhigkeit ⓘ

Digitales holografisches Mikroskop zur Messung der Rauheit von Hüftprothesen ⓘ

Die Oberflächenrauheit, oft abgekürzt als Rauheit, ist eine Komponente der Oberflächenbeschaffenheit. Sie wird durch die Abweichungen in der Richtung des Normalenvektors einer realen Oberfläche von ihrer idealen Form quantifiziert. Sind diese Abweichungen groß, so ist die Oberfläche rau, sind sie klein, so ist die Oberfläche glatt. In der Oberflächenmesstechnik wird die Rauheit üblicherweise als die hochfrequente, kurzwellige Komponente einer gemessenen Oberfläche betrachtet. In der Praxis ist es jedoch oft notwendig, sowohl die Amplitude als auch die Frequenz zu kennen, um sicherzustellen, dass eine Oberfläche für einen bestimmten Zweck geeignet ist. ⓘ

Die Rauheit spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Wechselwirkung eines realen Objekts mit seiner Umgebung. In der Tribologie verschleißen raue Oberflächen in der Regel schneller und haben höhere Reibungskoeffizienten als glatte Oberflächen. Die Rauheit ist oft ein guter Indikator für die Leistung eines mechanischen Bauteils, da Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche Keimzellen für Risse oder Korrosion bilden können. Andererseits kann die Rauheit die Adhäsion fördern. Im Allgemeinen bieten skalenübergreifende Deskriptoren wie die Oberflächenbrüchigkeit anstelle von skalenspezifischen Deskriptoren aussagekräftigere Vorhersagen über mechanische Wechselwirkungen an Oberflächen, einschließlich Kontaktsteifigkeit und Haftreibung. ⓘ

Obwohl ein hoher Rauheitswert oft unerwünscht ist, kann er in der Fertigung schwierig und teuer zu kontrollieren sein. So ist es beispielsweise schwierig und kostspielig, die Oberflächenrauheit von im Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellten Teilen zu kontrollieren. Die Verringerung der Rauheit einer Oberfläche erhöht in der Regel die Herstellungskosten. Dies führt häufig zu einem Kompromiss zwischen den Herstellungskosten eines Bauteils und seiner Leistung in der Anwendung. ⓘ

Die Rauheit kann durch manuellen Vergleich mit einem "Oberflächenrauheitskomparator" (einer Probe mit bekannter Oberflächenrauheit) gemessen werden, aber im Allgemeinen wird eine Oberflächenprofilmessung mit einem Profilometer durchgeführt. Dabei kann es sich um ein Kontaktprofilometer (typischerweise ein Diamantstift) oder ein optisches Profilometer (z. B. ein Weißlichtinterferometer oder ein konfokales Laserscanningmikroskop) handeln. ⓘ

Oft ist jedoch eine kontrollierte Rauheit erwünscht. So kann beispielsweise eine glänzende Oberfläche für das Auge zu glänzend und für den Finger zu rutschig sein (ein Touchpad ist ein gutes Beispiel), so dass eine kontrollierte Rauheit erforderlich ist. In diesem Fall sind sowohl Amplitude als auch Frequenz sehr wichtig. ⓘ

Die Rauheit (auch Rauigkeit, veraltet Rauhigkeit) ist ein Begriff aus der Oberflächenphysik, der die Unebenheit der Oberflächenhöhe bezeichnet. Zur quantitativen Charakterisierung der Rauheit gibt es unterschiedliche Berechnungsverfahren, die jeweils auf verschiedene Eigenheiten der Oberfläche Rücksicht nehmen. Die Oberflächenrauheit kann unter anderem durch Polieren, Rollieren, Schleifen, Läppen, Honen, Beizen, Sandstrahlen, Bristle Blasting, Ätzen, Bedampfen oder Korrosion beeinflusst werden. ⓘ

Der Begriff Rauheit bezeichnet weiterhin eine Gestaltabweichung dritter bis fünfter Ordnung bei technischen Oberflächen nach DIN 4760. Die Rauheit einer technischen Oberfläche wird in den Oberflächenangaben der Technischen Zeichnung spezifiziert. ⓘ

Vor allem in der Technik ist die Rauheit sehr wichtig, zum Beispiel bei technischen Gleit- oder Sichtflächen. Die verfügbaren Messgeräte können in drei Kategorien eingeteilt werden:

Manuelle Methoden. Hierzu zählt der Rugotest. Dieses ist aber nicht von der GPS-Normenkette abgedeckt.
Profilbasierte Methoden. Hierzu zählen Tastschnittverfahren
Flächenbasierte Methoden. Hierzu zählen unter anderem optisch flächenhaft messende Verfahren. ⓘ

Bei optischen profil- und flächenbasierenden Methoden kann unter zahlreichen Messmethoden gewählt werden. Das sind unter anderem Konfokalmikroskopie, Konoskopische Holografie, Fokusvariation oder Weißlichtinterferometrie. ⓘ

Parameter

Ein Rauheitswert kann entweder auf einem Profil (Linie) oder auf einer Oberfläche (Fläche) berechnet werden. Die Profil-Rauheitsparameter ( $Ra$ , $Rq$ , ...) sind gebräuchlicher. Die Flächen-Rauheitsparameter ( $Sa$ , $Sq$ , ...) liefern aussagekräftigere Werte. ⓘ

Profilrauhigkeitsparameter

Die Profilrauhigkeitsparameter sind in der britischen Norm BS EN ISO 4287:2000 enthalten, die mit der Norm ISO 4287:1997 identisch ist. Die Norm basiert auf dem ″M″-System (mean line).

Es werden viele verschiedene Rauheitsparameter verwendet, aber $Ra$ ist bei weitem der gebräuchlichste, wenn auch oft aus historischen Gründen und nicht wegen besonderer Verdienste, da die frühen Rauheitsmessgeräte nur messen konnten $Ra$ . Andere gängige Parameter sind $Rz$ , $Rq$ und $Rsk$ . Einige Parameter werden nur in bestimmten Branchen oder in bestimmten Ländern verwendet. Zum Beispiel wird die $Rk$ Familie von Parametern hauptsächlich für Zylinderlaufflächen verwendet, und die Motif-Parameter werden hauptsächlich in der französischen Automobilindustrie eingesetzt. Die MOTIF-Methode ermöglicht eine grafische Auswertung eines Oberflächenprofils, ohne die Welligkeit aus der Rauheit herauszufiltern. Ein Motiv besteht aus dem Teil eines Profils, der zwischen zwei Spitzen liegt, und die endgültigen Kombinationen dieser Motive eliminieren ″unbedeutende″ Spitzen und behalten ″bedeutende″ bei. Bitte beachten Sie, dass $Ra$ eine Maßeinheit ist, die Mikrometer oder Mikroinch sein kann. ⓘ

Da diese Parameter alle Informationen in einem Profil auf eine einzige Zahl reduzieren, ist bei ihrer Anwendung und Interpretation große Vorsicht geboten. Kleine Änderungen in der Art und Weise, wie die rohen Profildaten gefiltert werden, wie die Mittellinie berechnet wird und die Physik der Messung können den berechneten Parameter stark beeinflussen. Mit modernen digitalen Geräten kann der Scan ausgewertet werden, um sicherzustellen, dass es keine offensichtlichen Störungen gibt, die die Werte verfälschen. ⓘ

Da vielen Nutzern nicht klar ist, was die einzelnen Messwerte wirklich bedeuten, kann der Nutzer mit einem Simulationswerkzeug die wichtigsten Parameter anpassen und so veranschaulichen, wie Oberflächen, die für das menschliche Auge offensichtlich unterschiedlich sind, durch die Messungen unterschieden werden. Ein Beispiel, $Ra$ nicht zwischen zwei Oberflächen unterscheiden, von denen die eine aus Spitzen auf einer ansonsten glatten Oberfläche und die andere aus Tälern mit derselben Amplitude besteht. Solche Werkzeuge gibt es im App-Format. ⓘ

Konventionell ist jeder 2D-Rauheitsparameter ein Großbuchstabe $R$ gefolgt von zusätzlichen Zeichen im tiefgestellten Index. Der tiefgestellte Buchstabe kennzeichnet die verwendete Formel, und das $R$ bedeutet, dass die Formel auf ein 2D-Rauheitsprofil angewendet wurde. Unterschiedliche Großbuchstaben bedeuten, dass die Formel auf ein anderes Profil angewandt wurde. Ein Beispiel, $Ra$ ist das arithmetische Mittel des Rauheitsprofils, $Pa$ ist das arithmetische Mittel des ungefilterten Rohprofils, und $Sa$ ist der arithmetische Mittelwert der 3D-Rauheit. ⓘ

Jede der in den Tabellen aufgeführten Formeln setzt voraus, dass das Rauheitsprofil aus den Rohprofildaten gefiltert und die Mittellinie berechnet wurde. Das Rauheitsprofil enthält $n$ geordnete, gleichmäßig verteilte Punkte entlang der Kurve, und $y_{i}$ ist der vertikale Abstand zwischen der Mittellinie und dem $i^{\text{th}}$ Datenpunkt. Die Höhe wird als positiv in Richtung nach oben, weg vom Schüttgut, angenommen. ⓘ

Amplitudenparameter

Amplitudenparameter charakterisieren die Oberfläche auf der Grundlage der vertikalen Abweichungen des Rauheitsprofils von der Mittellinie. Viele von ihnen sind eng mit den Parametern verwandt, die in der Statistik zur Charakterisierung von Stichproben verwendet werden. Zum Beispiel, $Ra$ ist der arithmetische Mittelwert des gefilterten Rauheitsprofils, der aus den Abweichungen um die Mittellinie innerhalb der Auswertungslänge bestimmt wird, und $Rt$ ist der Bereich der erfassten Rauheitsdatenpunkte. ⓘ

Der arithmetische Mittelwert der Rauheit, $Ra$ ist der am häufigsten verwendete eindimensionale Rauheitsparameter. ⓘ

Parameter	Beschreibung	Formel ⓘ
Ra, Raa, Ryni	Durchschnitt oder arithmetisches Mittel der Profilhöhenabweichungen von der Mittellinie.	$Ra={\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}\left\|z(x)\right\|dx$
Rq, Rms	Quadratischer Mittelwert oder quadratischer Mittelwert der Profilhöhenabweichungen von der Mittellinie.	$Rq={\sqrt {{\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}z(x)^{2}dx}}$
Rv_i; Rv	Maximale Taltiefe unterhalb der Mittellinie innerhalb einer einzelnen Probenahmelänge; durchschnittlicher Rv-Wert über die Beurteilungslänge	$Rv_{i}=\|\min z(x)\|$ ; $Rv={\frac {\sum _{i=1}^{n}Rv_{i}}{n}}$
Rp_i; Rp	Maximale Spitzenhöhe über der Mittellinie, innerhalb einer einzelnen Probenahmelänge; durchschnittlicher Rp-Wert über die Beurteilungslänge	$Rp_{i}=\max z(x)$ ; $Rp={\frac {\sum _{i=1}^{n}Rp_{i}}{n}}$
Rz_i; Rz	Maximale Höhe des Profils von der Spitze bis zum Tal, innerhalb einer einzelnen Probenahmelänge; durchschnittlicher Rz-Wert über die Beurteilungslänge	$Rz_{i}=Rp_{i}+Rv_{i}$ ; $Rz={\frac {\sum _{i=1}^{n}Rz_{i}}{n}}$
Rsk	Schiefe, oder Maß für die Asymmetrie des Profils um die Mittellinie.	$Rsk={\frac {1}{Rq^{3}}}\left[{\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}Z^{3}(x)dx\right]$
Rku	Kurtosis, oder Maß für die Spitzigkeit (oder Schwanzigkeit) des Profils um die Mittellinie.	$Rku={\frac {1}{{R_{q}}^{4}}}\left[{\frac {1}{l_{r}}}\int _{0}^{l_{r}}Z^{4}(x)dx\right]$
RzDIN, Rtm	Durchschnittlicher Abstand zwischen der höchsten Spitze und dem niedrigsten Tal in jeder Probenahmelänge, ASME Y14.36M - 1996 Surface Texture Symbols	$RzDIN={\frac {1}{s}}\sum _{i=1}^{s}Rt_{i}$ wobei $s$ die Anzahl der Probenahmelängen ist, und $Rt_{i}$ ist. $R{\text{t}}$ für die $i^{\text{th}}$ Probenahmelänge.
RzJIS	Japanischer Industriestandard für $Rz$ basierend auf den fünf höchsten Spitzen und niedrigsten Tälern über die gesamte Abtastlänge.	$R{\text{zJIS}}={\frac {1}{5}}\sum _{i=1}^{5}Rp_{i}-Rv_{i}$ wobei $Rp_{i}$ und $Rv_{i}$ sind die $i^{\text{th}}$ die höchste Spitze bzw. das niedrigste Tal.

Hier ist eine allgemeine Umrechnungstabelle, die auch Rauheitsgradzahlen enthält:

Rauhigkeit, N	Rauhigkeitswerte, Ra		RMS (µin.)	Mittelwert der Mittellinie, CLA	Rauhigkeit, Rt ⓘ
ISO-Sortennummern	Mikrometer (µm)	Mikrozoll (µin.)	RMS (µin.)	(µin.)	(µm)
N12	50	2000	2200	2000	200
N11	25	1000	1100	1000	100
N10	12.5	500	550	500	50
N9	6.3	250	275	250	25
N8	3.2	125	137.5	125	13
N7	1.6	63	69.3	63	8
N6	0.8	32	35.2	32	4
N5	0.4	16	17.6	16	2
N4	0.2	8	8.8	8	1.2
N3	0.1	4	4.4	4	0.8
N2	0.05	2	2.2	2	0.5
N1	0.025	1	1.1	1	0.3

Es werden im Alltag grundsätzlich drei Rauheitsangaben verwendet, die meist in der Einheit Mikrometer (µm) angegeben werden.

Der Mittenrauwert, dargestellt durch das Symbol $R_{\mathrm {a} }$ , gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes – auf der Oberfläche – zur Mittellinie an. Die Mittellinie schneidet innerhalb der Bezugsstrecke das wirkliche Profil so, dass die Summe der Profilabweichungen in einer parallelen Ebene zur Mittellinie auf die Länge der Messstrecke verteilt wird. ⓘ

Der Mittenrauwert entspricht also dem arithmetischen Mittel der betragsmäßigen Abweichung von der Mittellinie. In zwei Dimensionen berechnet sie sich aus:

R_{\mathrm {a} }={\frac {1}{M\,N}}\,\sum _{m=1}^{M}\sum _{n=1}^{N}\left\vert z\left(x_{m},y_{n}\right)-\left\langle z\right\rangle \right\vert

wobei der Mittelwert durch

\left\langle z\right\rangle ={\frac {1}{M\,N}}\sum _{m=1}^{M}\sum _{n=1}^{N}z\left(x_{m},y_{n}\right)

berechnet wird.

Etwas leichter vorstellbar ist die mittlere Rauheit (in einer Dimension) als die Höhe des Rechtecks, das die gleiche Länge wie die zu untersuchende Strecke und den gleichen Flächeninhalt wie jene Fläche zwischen Bezugshöhe und Profil hat. ⓘ

Die sogenannte quadratische Rauheit (englisch rms-roughness oder root-mean-squared roughness: Wurzel des Mittelquadrates) wird aus dem Mittel der Abweichungsquadrate berechnet und entspricht dem „quadratischen Mittel“

R_{q}={\sqrt {{\frac {1}{M\,N}}\,\sum _{m=1}^{M}\sum _{n=1}^{N}\left(z\left(x_{m},y_{n}\right)-\left\langle z\right\rangle \right)^{2}}}

ⓘ

Die sogenannte gemittelte Rautiefe (auch Zehnpunkthöhe), früher dargestellt durch das Symbol $R_{z}$ $R_{z}$ (bis DIN EN ISO 4287:1984), ist mittlerweile als ISO-Kennwert gelöscht (ab DIN EN ISO 4287:1997). Die gemittelte Rautiefe kann aber noch von älteren Messgeräten ausgegeben werden und wird folgendermaßen ermittelt.
- Eine definierte Messstrecke auf der Oberfläche des Werkstücks wird in sieben Einzelmessstrecken eingeteilt, wobei die mittleren fünf Messstrecken gleich groß sind. Die Auswertung erfolgt nur über diese fünf Messstrecken, da der anzuwendende Gauß-Filter eine halbe Einzelmessstrecke Vor- bzw. Nachlauf benötigt beziehungsweise eine Faltung ein nicht zu vernachlässigendes Ein- und Auslaufverhalten aufweist.
- Von jeder dieser Einzelmessstrecken des Profils wird die Differenz aus maximalem und minimalem Wert ermittelt.
- Aus den somit erhaltenen fünf Einzelrautiefen wird der Mittelwert gebildet. ⓘ

Dieser Kennwert ist nicht zu verwechseln mit den Rautiefen $R_{\mathrm {t} }$ bzw. $R_{\mathrm {max} }$ . $R_{\mathrm {t} }$ ist definiert als Differenz aus maximalem und minimalem Wert des Profils ( $R_{\mathrm {p} }-R_{\mathrm {v} }$ ) bezogen auf die Gesamtmessstrecke, im Normalfall also die fünf Einzelmessstrecken. $R_{\mathrm {max} }$ ist die größte der fünf Einzelrautiefen. Die GPS-Normenkette sieht auch andere Messkonstellationen vor. ⓘ

Steigungs-, Abstands- und Zählparameter

Steigungsparameter beschreiben die Merkmale der Steigung des Rauheitsprofils. Abstands- und Zählparameter beschreiben, wie oft das Profil bestimmte Schwellenwerte überschreitet. Diese Parameter werden häufig verwendet, um sich wiederholende Rauheitsprofile zu beschreiben, wie sie beispielsweise beim Drehen auf einer Drehmaschine entstehen. ⓘ

Parameter	Beschreibung	Formel ⓘ
$Rdq,R\Delta q$	der RMS des Profils innerhalb der Abtastlänge	$Rdq={\sqrt {{\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}\Delta _{i}^{2}}}$
$Rda,R\Delta a$	die durchschnittliche absolute Steigung des Profils innerhalb der Abtastlänge	$Rda={\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}\|\Delta _{i}\|$
$\Delta _{i}\!$	wobei delta i nach ASME B46.1 berechnet wird und ein Savitzky-Golay-Glättungsfilter 5ter Ordnung ist	$\Delta _{i}={\frac {1}{60dx}}(y_{i+3}-9y_{i+2}+45y_{i+1}-45y_{i-1}+9y_{i-2}-y_{i-3})$

Andere "Frequenz"-Parameter sind S_m, $\lambda$ _a und $\lambda$ _q. Sm ist der mittlere Abstand zwischen den Peaks. Wie bei echten Bergen ist es wichtig, eine "Spitze" zu definieren. Für Sm muss die Oberfläche unter die mittlere Oberfläche gesunken sein, bevor sie wieder zu einem neuen Gipfel ansteigt. Die durchschnittliche Wellenlänge $\lambda$ a und die mittlere quadratische Wellenlänge $\lambda$ _q werden abgeleitet aus $\Delta$ a. Wenn man versucht, eine Oberfläche zu verstehen, die sowohl von der Amplitude als auch von der Frequenz abhängt, ist es nicht offensichtlich, welches Paar von Metriken das Gleichgewicht optimal beschreibt, daher kann eine statistische Analyse von Messpaaren durchgeführt werden (z. B: Rz und $\lambda$ _a oder R_a und Sm) durchgeführt werden, um die stärkste Korrelation zu finden. ⓘ

Allgemeine Umrechnungen: ⓘ

Parameter der Lagerungskennlinie

Diese Parameter basieren auf der Tragfähigkeitskurve (auch bekannt als Abbott-Firestone-Kurve) und umfassen die Rk-Parameterfamilie. ⓘ

Skizzen zur Darstellung von Oberflächen mit negativer und positiver Schräglage. Die Rauheitsspur befindet sich links, die Amplitudenverteilungskurve in der Mitte und die Traganteilskurve (Abbott-Firestone-Kurve) auf der rechten Seite. ⓘ

Fraktale Theorie

Der Mathematiker Benoît Mandelbrot hat auf den Zusammenhang zwischen Oberflächenrauhigkeit und fraktaler Dimension hingewiesen. Die Beschreibung, die ein Fraktal auf der Ebene der Mikrorauheit liefert, kann die Kontrolle der Materialeigenschaften und der Art der auftretenden Spanbildung ermöglichen. Fraktale können jedoch keine maßstabsgetreue Darstellung einer typischen bearbeiteten Oberfläche liefern, die durch Werkzeugvorschubspuren beeinträchtigt wird; die Geometrie der Schneidkante wird dabei nicht berücksichtigt. (J. Paulo Davim, 2010, op.cit.). Fraktale Deskriptoren von Oberflächen spielen eine wichtige Rolle bei der Korrelation von physikalischen Oberflächeneigenschaften mit der Oberflächenstruktur. In vielen Bereichen war es eine Herausforderung, physikalisches, elektrisches und mechanisches Verhalten mit konventionellen Oberflächenbeschreibungsgrößen wie Rauheit oder Neigung zu verknüpfen. Durch die Verwendung von Messungen der Oberflächenfraktalität zusammen mit Messungen der Rauheit oder Oberflächenform können bestimmte Grenzflächenphänomene wie Kontaktmechanik, Reibung und elektrischer Kontaktwiderstand im Hinblick auf die Oberflächenstruktur besser interpretiert werden. ⓘ

Flächige Rauheitsparameter

Die Parameter der flächenhaften Rauheit sind in der ISO-Reihe 25178 definiert. Die daraus resultierenden Werte sind Sa, Sq, Sz,... Viele optische Messgeräte sind in der Lage, die Oberflächenrauhigkeit über eine Fläche zu messen. Flächenmessungen sind auch mit berührenden Messsystemen möglich. Mehrere eng beieinander liegende 2D-Scans werden von der Zielfläche aufgenommen. Diese werden dann mit Hilfe einer entsprechenden Software digital zusammengefügt, wodurch ein 3D-Bild und die dazugehörigen flächenbezogenen Rauheitsparameter entstehen. ⓘ

Die Rauheit auf der Fläche ist in der ISO 25178 genormt. Mittlerweile (Stand 2009) gibt es optische Messgeräte, die Rauheitskenngrößen flächig messen. ⓘ

Boden-Oberflächenrauhigkeit

Die Bodenoberflächenrauhigkeit (SSR) bezieht sich auf die vertikalen Schwankungen im Mikro- und Makrorelief einer Bodenoberfläche sowie auf ihre stochastische Verteilung. Es gibt vier verschiedene Klassen von SSR, von denen jede eine charakteristische vertikale Längenskala darstellt; die erste Klasse umfasst Mikroreliefvariationen von einzelnen Bodenkörnern bis hin zu Aggregaten in der Größenordnung von 0,053-2,0 mm; die zweite Klasse besteht aus Variationen aufgrund von Bodenschollen, die zwischen 2 und 100 mm liegen; die dritte Klasse der Bodenoberflächenrauhigkeit sind systematische Höhenunterschiede aufgrund von Bodenbearbeitung, die als orientierte Rauheit (OR) bezeichnet werden und zwischen 100 und 300 mm liegen; die vierte Klasse umfasst planare Krümmung oder makroskalige topografische Merkmale. ⓘ

Die beiden ersten Klassen umfassen die so genannte Mikrorauigkeit, die nachweislich auf einer ereignisbezogenen und einer saisonalen Zeitskala weitgehend durch Niederschläge bzw. Bodenbearbeitung beeinflusst wird. Die Mikrorauigkeit wird am häufigsten mit Hilfe der Zufallsrauhigkeit quantifiziert, die im Wesentlichen die Standardabweichung der Höhenangaben der Sohlenoberfläche um die mittlere Höhe nach Korrektur der Neigung mit Hilfe der Best-Fit-Ebene und der Beseitigung von Bodenbearbeitungseffekten in den einzelnen Höhenmessungen darstellt. Niederschläge können je nach den anfänglichen Mikrorauhigkeitsbedingungen und den Bodeneigenschaften entweder zu einer Abnahme oder einer Zunahme der Mikrorauhigkeit führen. Auf rauen Bodenoberflächen neigt die Ablösung von Regenspritzern dazu, die Ränder der Bodenrauheit zu glätten, was zu einer allgemeinen Abnahme der Mikrorauigkeit führt. Eine kürzlich durchgeführte Studie, in der die Reaktion glatter Bodenoberflächen auf Regenfälle untersucht wurde, zeigte jedoch, dass die RR bei geringen anfänglichen Mikrorauhigkeitsskalen in der Größenordnung von 0 bis 5 mm erheblich ansteigen kann. Es wurde auch gezeigt, dass die Zunahme oder Abnahme bei verschiedenen SSR-Indizes konsistent ist. ⓘ

Praktische Auswirkungen

Die Oberflächenstruktur spielt eine Schlüsselrolle bei der Beherrschung der Kontaktmechanik, d. h. des mechanischen Verhaltens an einer Grenzfläche zwischen zwei festen Objekten, wenn sie sich einander nähern und vom Zustand des Nichtkontakts zum Vollkontakt übergehen. Insbesondere die normale Kontaktsteifigkeit wird in erster Linie von den Oberflächenstrukturen (Rauheit, Oberflächenneigung und Fraktalität) und den Materialeigenschaften bestimmt. ⓘ

Bei technischen Oberflächen gilt die Rauheit als nachteilig für die Leistung des Teils. Infolgedessen wird in den meisten Fertigungsdrucken eine Obergrenze für die Rauheit festgelegt, nicht aber eine Untergrenze. Eine Ausnahme bilden Zylinderbohrungen, bei denen das Öl im Oberflächenprofil zurückgehalten wird und eine Mindestrauheit erforderlich ist. ⓘ

Die Oberflächenstruktur steht oft in engem Zusammenhang mit den Reibungs- und Verschleißeigenschaften einer Oberfläche. Eine Oberfläche mit einer höheren fraktalen Dimension, einem großen $Ra$ Wert, oder einem positiven $Rsk$ hat in der Regel eine etwas höhere Reibung und verschleißt schneller. Die Spitzen im Rauheitsprofil sind nicht immer die Kontaktpunkte. Auch die Form und die Welligkeit (d. h. sowohl Amplitude als auch Frequenz) müssen berücksichtigt werden. ⓘ

Diskussion der Rauheitsparameter

Rauheit von verschiedenen Oberflächen
siehe Text ⓘ

Wie in Bild 1 vereinfacht für eine Dimension zu sehen ist, sind die mittlere Rauheit und die quadratische Rauheit nur von der absoluten Abweichung der Höhe vom Mittelwert abhängig, aber nicht von der Verteilung der Höhenwerte über die Fläche. So ergibt sich beispielsweise für die mittleren Rauheiten in den Bildern A, C und D $R_{\mathrm {a} }=2$ und $R_{q}=4$ , während die Werte für Bild B sich zu $R_{\mathrm {a} }=1$ und $R_{q}=1$ berechnen. ⓘ

Im Maschinenbau existieren für das oben genannte Problem Lösungen in der GPS-Normenkette. Hier sind anzuführen die Kennwerte aus der Abbott-Kurve und die Amplituden-Dichte-Kurve, sowie der Unterschied zwischen Welligkeit und Rauheit. So sagt die Rauheit eines Werkstückes zum Beispiel etwas über die Qualität des Werkzeuges, die Welligkeit jedoch etwas über die Qualität der Maschine aus. Es tritt also gehäuft auf, dass bei Qualitätsproblemen die Rauheitsanforderungen extrem gesteigert werden, die das Problem verursachende Welligkeit aber bei der Rauheitsmessung „weggefiltert“ wird. Die GPS-Normenkette definiert alle Raukennwerte auch als Welligkeitskennwerte. Unterschied ist nur die jeweilige Cut-off-Frequenz. Welligkeitskennwerte werden mit dem Präfix „W“ gekennzeichnet. ⓘ

$R_{\mathrm {a} }$ und $R_{q}$ sind also ungeeignet, um Aussagen über die Ortsfrequenz der Unebenheiten zu treffen. Es gilt also zuerst die Wellenlänge der kritischen Strukturen zu ermitteln. Hieraus ergibt sich, ob „P“, „R“ oder „W“-Kennwerte zu spezifizieren sind. Hiernach ist zu entscheiden, ob die kritischen Eckpunkte eher aus dem Profil, der Abbott-Kurve oder der Amplituden-Dichte-Kurve zu ersehen sind. Erst hiernach ist eine Festlegung auf einen Messwert zur Qualitätssicherung sinnvoll. ⓘ

Verfahren für Papier

Um die Rauheit bzw. Glätte von Papier zu ermitteln, gibt es verschiedene Prüfverfahren. Die Mehrzahl der heute eingesetzten Prüfverfahren versucht die Druckglätte unter einem definierten Anpressdruck zu charakterisieren. Hierzu wird oft Luft als Hilfsmittel benutzt, die zwischen einer Referenzfläche und der Papieroberfläche unter definierten Bedingungen strömt. Bei Bekk ist die Referenzfläche eine geschliffene Glasplatte, bei Bendtsen und Parker Print Surf eine plane Metallringstirnfläche. ⓘ

Optische Prüfverfahren

Neuere Messverfahren arbeiten mit optischen Methoden. Die Vorteile dieser Verfahren sind die zerstörungsfreie Messung und die Auswertung komplexerer Parameter der Oberfläche und des Volumens, wie sie beispielsweise in der ISO 25178 definiert sind. Optische Verfahren beschränken sich auf die Eigenschaften der Oberfläche. Bei Luftstromverfahren kann eine Durchströmung des Papiers zur Verfälschung der Rauheitswerte führen. ⓘ

Konfokaltechnik
Konoskopische Holografie
Weißlichtinterferometrie
Fokusvariation ⓘ

Luftstromverfahren

Die Glätte nach Bekk
Die Glätte nach Bendtsen ⓘ

Die Glätte nach Parker Print Surf ⓘ

Glätte nach Bekk

Einsatzbereich: ca. 2–5 s
Messfläche: 10 cm²
Druck auf Probe: 100 kPa ⓘ

Es sind drei unterschiedliche Messbereiche möglich:

A: 10 bis 600 s mit großem Vakuumbehälter, Druckabfall von 507 auf 480 mbar, gemessene Zeit = GL (Bekk)s
B: >300 s (nach A) mit kleinem Vakuumbehälter, Druckabfall von 507 auf 480 mbar, gemessene Zeit × 10 = GL (Bekk)s
C: <20 s (nach A) mit großem Vakuumbehälter, Druckabfall von 507 auf 293 mbar, gemessene Zeit:10 = GL (Bekk)s ⓘ

Rauheit/Glätte nach Bendtsen

Die Rauheit nach Bendtsen ist der Luftstromdurchfluss, der zwischen dem Messring des Messkopfes des Bendtsen-Gerätes und der Probeoberfläche hindurchgeht und der bei einem festgelegten Überdruck entsteht.

Messbereich: 10 bis 3000 ml/min
Messfläche: 100 × 0,15 mm ringförmig
Druck auf Probe: 10 N/cm² (= 100 kPa)
Differenzdruck: (15 ± 0,2) mbar ⓘ

Rauheit/Glätte nach Parker Print Surf (PPS)

Die PPS-Rauheit gehört auch zu den Luftstrommessverfahren und ist in der Druckpapierindustrie sehr weit verbreitet.

Messfläche: 98 mm × 51 µm (ringförmig)
Druck auf Probe: (6,2 ± 0,1) kPa
Probenunterlage: harte Gummiplatte ⓘ

Die Geräte werden durch entsprechende akkreditierte Sachverständige kalibriert. Es werden innerhalb der Papierindustrie Ringversuche durchgeführt, um die Geräte miteinander vergleichen zu können und geeignete Kalibrierintervalle festzulegen. ⓘ