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Entwicklung der Fertigungstechnologie für das Orbital-Projekt „Microscope” |
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Forschungsnachrichten der Abteilung 5 | ||||
| Entwicklung der Fertigungstechnologie für das Orbital-Projekt „Microscope” |
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| Der Wissenschaftliche Gerätebau der PTB ist Partner im ESA-Projekt „Microscope”. Ziel des Projektes ist die Überprüfung des Äquivalenz-Prinzips mit einer Genauigkeit von 10-15. Hierbei ist es die Aufgabe des WG, eine Fertigungstechnologie zu entwickeln, um Testmassen für die differenziellen Accelerometer mit einer Präzision im Mikrometerbereich zu fertigen. Die Testmassen sollen aus einer Ti-Legierung (TiAl6V4) sowie aus der Legierung PtRh10 gefertigt werden, über deren zerspanende Bearbeitung keinerlei Erfahrungen vorliegen. Die Bilder 1a und 1b zeigen eine Testmasse als CAD (Bild 1a) sowie einen ersten aus TiAL6V4 gefertigten Prototypen (Bild 1b). Die hier dargestellte (äußere) Testmasse soll mit einer Länge von 79,83 mm (± 0,002 mm), einem äußeren Durchmesser von 68,017 mm (± 0,0015 mm) sowie einem inneren Durchmesser von 60,8 mm (± 0,0015 mm) gefertigt werden. Die Abweichungen der Parameter Parallelität, Planarität, Konzentrizität und Rechtwinklichkeit liegen ebenfalls im Bereich 1 µm, teilweise auch darunter. Auf der Oberfläche sind auf den Winkelgraden 0°, 90°, 180°, 270° vier Abflachungen zu fertigen. Zusätzlich sind auf jeder Stirnfläche sechs Senkungen herzustellen, welche als Lager und Halterung der Testmassen während der Startphase dienen. Die Senkungen müssen einen Kegelwinkel von 90° (± 0°1,5') (aufweisen. Eine eingelegte, ideale Kugel mit einem Durchmesser von 3 mm muss auf einem Kreis zur Auflage kommen, welcher einen Abstand von 0,539 mm (+0,003 mm, -0 mm) zur Stirnfläche aufweist. |
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| Bild 1a: CAD-Zeichnung der äußeren Testmasse für das Microscope-Projekt zur Verifizierung des Äquivalenz-Prinzips. Bild 1b: Erster in der PTB gefertigter Prototyp aus der Ti-Legierung TiAl6V4. Um ein Objekt dieser Art mit der geforderten Präzision fertigen zu können, darf das Werkstück zur Bestimmung der erreichten Abmessungen zwischen den Bearbeitungsvorgängen nicht ausgespannt werden. Es ist daher notwendig, die Messtechnik (taktiler Messtaster) in die Präzisions-Fertigungsstation zu integrieren. Die Temperatur im Fertigungsraum wird mittels einer Klimaanlage regelt. Während der Fertigung einer Testmasse wird die Fertigungsstation nicht abgeschaltet. Zur Fertigung der Senkungen auf der zweiten Stirnseite ist es jedoch unumgänglich, die Testmasse umzuspannen. Hierbei ist der Winkelfehler mit Bezug auf die Mittelachse hinreichend gering zu halten. Die Rejustierung des Umfangswinkel erfolgt, indem mittels eines auf einer der Abflachungen aufgeklebten, planparallelen Spiegels und eines Autokollimators die Relation zwischen Testmasse und dem maschineninternen Messsystem bestimmt wird. Der Spiegel ist notwendig, da die Abflachung aufgrund der Bearbeitungstechnik keine für den Kollimator ausreichende Reflektivität aufweist. Der Winkelfehler beim Wiedereinbau der Testmasse kann somit auf wenige Minuten reduziert werden. Eine außerordentlich große Herausforderung ist die Fertigung der Testmassen aus dem Werkstoff PtRh10. Bild 2 zeigt einige Bearbeitungsergebnisse. PtRh10 ist ein überaus weiches Material, welches bei der Bearbeitung zum Verkleben neigt, Bild 2a. Eine Reihe unterschiedlicher Bearbeitungsansätze war erforderlich, um geeignete Bearbeitungsparameter zu finden, die die erforderliche Qualität der Oberfläche zu erreichen gestatten, Bild 2b. |
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| Bild 2a: Erste spanende Bearbeitungen der PtRh10 Testmasse mittels eines Werkzeugs mit einem mono-kristallinen Diamanten Bild 2b: Fortgeschrittene Bearbeitung mit polykristallinem Diamant und angepassten Schnittgeschwindigkeiten und Kühl-Schmiermitteleintrag. Nach Beendigung der ersten Fertigungsentwicklung werden zunächst Qualifikationsmodule gefertigt. Nach umfassenden Untersuchungen durch den französischen Entwicklungspartner ONERA wird die Fertigungstechnologie optimiert und weitere Messtechnik integriert, bevor die Flug- und Ersatzmodule hergestellt werden können. |
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