Wie wird die Ebenheit gemessen? Ein praktischer Leitfaden für Fachleute

Was ist Ebenheit?

Die Ebenheit ist ein Maß für die Form einer Oberfläche, das angibt, ob alle Punkte entlang dieser Oberfläche in derselben Ebene liegen. Die Ebenheit wird in der Auswertung von Form-Lage-Toleranzen (GD&T, Geometric Dimensioning and Tolerancing) durch ein Parallelogramm symbolisiert und ist besonders hilfreich, wenn zwei Oberflächen zusammengefügt werden müssen, um eine dichte Verbindung herzustellen.

Die Toleranz für die Ebenheit wird festgelegt, um sicherzustellen, dass sich eine bestimmte Oberfläche innerhalb zweier imaginärer, perfekter und paralleler Ebenen befindet. Mit anderen Worten: Der Toleranzbereich liegt zwischen den höchsten und niedrigsten zulässigen Punkten in der Ebene der zu messenden Oberfläche.

Wie wird die Ebenheit gemessen?

Bei der Messung der Ebenheit wird eine Oberfläche analysiert, um festzustellen, inwiefern sie nicht vollkommen eben ist. Zu diesem Zweck werden im ersten Schritt Punkte auf der Oberfläche erfasst, die es ermöglichen, eine Hülle aus zwei parallelen Ebenen zu finden, die alle diese Punkte einschließen. Im nächsten Schritt wird der kleinstmögliche Schichtverbund von Ebenen gefunden, unabhängig von der Ausrichtung (da sich diese Ebenen frei im Raum bewegen können). Der Abstand zwischen den beiden am weitesten entfernten Punkten entspricht der Ebenheit. Je geringer der Abstand zwischen diesen beiden Ebenen ist, desto ebener ist die Ebene.

Welche verschiedenen Prüfmethoden gibt es zur Messung der Ebenheit?

Die Fühlerlehre und der Höhenmessschieber sind zwei traditionelle Messgeräte. Sie sind zweifellos kostengünstiger und einfacher zu handhaben, aber die Genauigkeit ihrer Messungen hängt stark von der Arbeitsweise des Benutzers, dem Aufbau und der Umgebung ab, in der die Messungen durchgeführt werden.

Bei der ersten Methode zur Prüfung der Ebenheit eines Teils wird das Teil auf eine CMM-Marmorfläche mit einer vordefinierten Ebenheit gelegt. Dann versuchen wir, mit einer Fühlerlehre, die aus Streifen mit vordefinierten Dicken besteht, die Streifen verschiedener Dicken unter das Teil zu schieben. Da wir wissen, dass eine Oberfläche isostatisch auf ihren drei höchsten Punkten ruht, sobald sie auf der Marmorfläche liegt, können wir ihre Ebenheit bestimmen.

Die gleiche Messmethode ist mit einem Höhenmessschieber möglich, der über einen Messuhrhalter verfügt. Sobald das Teil auf der Marmorfläche liegt, kann seine Ebenheit bestimmt werden, indem der Rubin über die Oberfläche bewegt wird und die Maximal- und Minimalpunkte bestimmt werden. Wie zuvor erläutert, entspricht diese Hülle der Ebenheit der Oberfläche.

Der Vorteil dieser beiden Messgeräte ist, dass sie fast nichts kosten, abgesehen vom Preis des traditionellen Werkzeugs selbst, der im Allgemeinen sehr erschwinglich ist. Der Nachteil dieses Ansatzes ist jedoch, dass die ermittelten Maximal- und Minimalwerte davon abhängen, wo der Benutzer das Messgerät auf der Oberfläche bewegt hat. Wenn das Messgerät nicht die Punkte passiert hat, die den tatsächlichen höchsten und niedrigsten Punkten auf dem Teil entsprechen, ist die ermittelte Ebenheit nicht korrekt. Außerdem können diese beiden Methoden die Ebenheit nur in zugänglichen Bereichen messen. Die Messung einer 4′ x 8′ großen Ebene auf einer CMM-Mamorfläche mit einer Fühlerlehre wäre zum Beispiel nur am Rand der Ebene möglich und nicht in der Mitte, da es keine Fühlerlehre gibt, die lang genug ist, um die Mitte einer so großen Fläche zu erreichen.

Andere Messgeräte zur Messung der Ebenheit sind klassische CMMs, tragbare CMMs und 3D-Laserscanner, aber bei den Messtastern besteht die gleiche Herausforderung wie bei den traditionellen Messgeräten. Wenn die Maximal- und Minimalwerte falsch bestimmt werden, wird die Analyse in der Tat verfälscht. Ein 3D-Laserscanner hingegen tastet die gesamte Oberfläche ab und erfasst somit eine viel höhere Punktedichte, wodurch die Chance, die höchst- und niedrigstmöglichen Punkte zu messen, unendlich größer ist.

Robot mounted MetraSCAN-R measuring a flat metal sheet

Warum ist Ebenheit so wichtig?

Wenn wir ein Nennmodell (ein CAD-Modell) und eine durch 3D-Scannen erfasste Punktwolke haben, müssen wir die beiden miteinander in Beziehung setzen, indem wir die Scandaten mit dem CAD-Modell abgleichen. Zu diesem Zweck können wir Bezugspunkte verwenden, d. h. Referenzkörper. In der Messtechnik ist die Ebene ein weit verbreiteter Körper, um Messpunkte mit CAD zu registrieren. Wenn ein Teil analysiert werden muss, um zu verstehen, was im Vergleich zum CAD-Modell anders ist, wird in der Messtechnik meist eine Ausrichtung aus drei Ebenen verwendet.

Sobald die Ausrichtung von Ebene zu Ebene erfolgt ist, kann eine Farbkarte erstellt werden, um festzustellen, ob sich die Körper an der richtigen Stelle befinden und ob die Geometrie korrekt ist. Falls nicht, muss das Bearbeitungsprogramm angepasst werden.

Wenn jedoch die Registrierung der Daten mit dem CAD-Modell auf Oberflächen basiert, die eigentlich flach sein sollten, es aber nicht sind, kommt es zu einer Situation, in der die Körper mit Ausnahme der Referenzflächen einwandfrei bearbeitet werden. In diesem Fall wird eine Fehlermeldung mit dem Hinweis angezeigt, dass alle Aspekte des Teils falsch sind, da die durch die Referenzoberflächen verursachten Fehler auf das gesamte Teil projiziert werden würden. Dies würde zu der Annahme führen, dass das Teil schlecht gefertigt ist und aussortiert werden muss, obwohl nur der Bezugspunkt und die Ausrichtungskörper schlecht bearbeitet sind. In diesem Fall kann die Nachbearbeitung von ein oder zwei Oberflächen dazu beitragen, das Teil vor dem Ausschuss zu bewahren, was sich in enormen Kosteneinsparungen niederschlagen kann.

Daher ist es bei der Auswahl von Ebenen als Bezugspunkte immer besser, zuerst ihre Ebenheit zu prüfen, da dadurch größere Probleme vermieden werden können. Dies gilt sowohl für die primären, sekundären als auch tertiären Bezugspunkte, die alle eine gute Ebenheit und Rechtwinkligkeit aufweisen müssen. Außerdem wird dadurch gewährleistet, dass es sich bei eventuellen Fehlern am Teil um Bearbeitungsfehler und nicht um projizierte Fehler der Ausrichtungskörper handelt.

Kurz gesagt: Auch wenn Ebenen wahrscheinlich die am häufigsten verwendeten geometrischen Körper in allen messtechnischen Ausrichtungen sind: Werden sie nicht korrekt bearbeitet und weisen sie eine mangelhafte Ebenheit auf, sind auch alle anderen geometrischen Körper nicht korrekt positioniert.

Wann sollte die Ebenheit gemessen werden?

Die Messung der Ebenheit kann im Rahmen der Qualitätskontrolle durchgeführt werden, um definierte geometrische Körper oder Prototypen zu prüfen und herauszufinden, was mit einem Teil eventuell nicht in Ordnung ist. Es ist jedoch möglich, dass in den ersten Phasen der Prototypentwicklung größere Probleme zu lösen sind als die Ebenheit. Eine Best-Fit-Oberfläche zur Kontrolle der Form und eine erste Farbkarte zur Identifizierung größerer Probleme könnten für die Kontrolle des Prototyps ausreichen. Schließlich geht es in dieser frühen Entwicklungsphase vor allem darum, die allgemeine Form des Teils zu überprüfen und sicherzustellen, dass alles im Großen und Ganzen stimmt.

Erst nach Abschluss dieser frühen Phasen der Prototypenentwicklung können wir bestimmen, welche Lagerflächen zum primären Bezugspunkt werden sollen. Im Anschluss daran erfolgen eine Ausrichtung und die Erstellung einer zweiten Farbkarte, um die Positionierung der Oberflächen zueinander zu überprüfen. Die bei der zweiten Farbkarte gesammelten und analysierten Daten sind auch für die Qualitätskontrolle von Bedeutung, da sie den Ingenieuren interessante Informationen darüber liefern, ob das Teil korrekt mit den anderen Teilen zusammengebaut wurde.

Wenn zwei Teile zusammengebaut werden, ist es wichtig, die richtigen Referenzflächen zu wählen. Im Allgemeinen wählen wir Oberflächen aus, die über Auflagepunkte in physischem Kontakt stehen werden. Im speziellen Fall von Auflageflächen ist es von entscheidender Bedeutung, deren Ebenheit zu kontrollieren, da die Reproduzierbarkeit des Fertigungsprozesses von der Ebenheit dieser Auflageflächen abhängt. Daher sind Unregelmäßigkeiten auf der Farbkarte ein Zeichen dafür, dass echte Fehler korrigiert werden müssen – und nicht projizierte Fehler, wie oben beschrieben. Eine Änderung des Werkzeugs und eine Überarbeitung des Bearbeitungsprogramms sind dann notwendig und gerechtfertigt.

Das Schlimmste, was passieren kann, ist die Änderung eines Werkzeugs, wenn das festgestellte Problem nur ein Ausrichtungsfehler an einem nicht ebenen Körper war. In diesem speziellen Fall würden wir es bedauern, die Ebenheit nicht gemessen zu haben. Daher ist es wichtig, die Ebenheit korrekt zu messen, da Entscheidungen, die an ausgerichteten Körpern getroffen werden, kostspielige Folgen haben können.

Folglich ist die Messung der Ebenheit wichtig für Auflageflächen, die eine wichtige strukturelle Rolle innerhalb des Teils spielen. Wenn die Oberfläche jedoch nur ästhetisch ist und später durch ein Stück Kunststoff verdeckt wird, ist die Ebenheitsberechnung in diesem Zusammenhang weniger wichtig. Die Bedeutung hängt von der Anwendung, dem funktionalen Charakter der einzelnen Oberflächen und der Rolle ab, die das Teil in der Endmontage spielen wird.