Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

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3D-Mikro-Messungen höchster Genauigkeit

Forschungsnachrichten der Abteilung 5

3D-Mikro-Messungen höchster Genauigkeit

Zur Intensivierung der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der 3D-Mikromesstechnik hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig und Berlin, gemeinsam mit der Fa. Carl Zeiss, Oberkochen, eine wissenschaftliche Zusammenarbeit vereinbart. Zeiss hat der PTB hierzu ein Mikro-Koordinatenmessgerät (µKMG) zur Verfügung gestellt (vgl. Bild 1) [1]. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Zusammenarbeit ist die Sicherung der Rückführung von 3D-Messungen an Mikro-bauteilen mit Messunsicherheiten im Bereich von unter 0,1 µm. Dazu sollen, soweit möglich, Verfahren und Prüfkörperprinzipien aus dem Bereich der Makro-KMG angewendet werden.

Bild 1: Mikro-Koordinatenmessgerät F25; rechts: Detailansicht mit taktilem Taster (Tastkugeldurchmesser 300 µm bzw. 125 µm), optischem Sensor mit Beleuchtungseinheit, Beobachtungskamera und Einmesskugel Ø 6,35 mm (Bilder: Zeiss).

Bei der Prüfung und Abnahme von KMG entsprechend ISO 10360 werden die Parameter Längenmessabweichung und Antastabweichung an Parallelendmaßen bzw. an einer Prüfkugel mit einem relativ großen Durchmesser ermittelt. Für die Anwendung von µKMG ist zusätzlich die Genauigkeit von Messungen an Mikrobauteilen mit Außen- und Innengeometrien und insbesondere auch von Formmessungen von Bedeutung. Um die Leistungsfähigkeit des µKMG bei diesen Anwendungen zu überprüfen, wurden daher in einem ersten Schritt entsprechende Untersuchungen an geeigneten Normalen der PTB durchgeführt:

Messungen an verschiedenen Referenzkugeln bis zu einem kleinsten Durchmesser von 0,8 mm und an einem Referenzring von 1 mm Durchmesser,
Längen- und Formmessungen an einer Endmaßbrücke aus Zerodur® (Bild 2).

Bild 2: Endmaßbrücke für die Rückführung von 1D-Längenmessungen (U ≤ 20 nm) und für hochgenaue Formmessungen;
links: → ↑ Messstellen für Geradheitsmessungen mit der F25,
rechts: Ebenheitsabweichungen einer Fläche, gemessen vor dem Zusammensetzen der Endmaßbrücke (- - -, Grenze der Anschubfläche, +, Antastpunkt für Längenmessungen).

Im Ergebnis dieser Untersuchungen stimmten die mit der F25 gemessenen Abstände, Kugel- und Ringdurchmesser im Bereich von 100 nm oder besser mit den Referenzwerten überein [2]. Die an der Endmaßbrücke gemessenen Geradheitsabweichungen lagen sogar deutlich unter 100 nm: so betrugen die Geradheitsabweichungen in horizontaler Richtung bei einer Messlänge von 43 mm ca. 50 nm bzw. 30 nm für die ungefilterten bzw. die gefilterten Profile (Bild 3) und in vertikaler Richtung bei einer durch die Tastschaftlänge begrenzten Messlänge von 1,75 mm ca. 40 nm bzw. deutlich unter 10 nm, ebenfalls für die ungefilterten bzw. für die gefilterten Profile (Bild 4). In Bild 3 rechts ist die exzellente Reproduzierbarkeit der y-Führungsabweichungen bei den auf den gegenüberliegenden Flächen der Endmaßbrücke gemessenen Geradheitsprofilen zu sehen. Dadurch ist bei bestimmten Messaufgaben in Teilbereichen des Messvolumens eine Korrektur der Führungsabweichungen bis auf wenige nm mög-lich. Bei den sehr geringen Führungsabweichungen der vertikalen z-Führung von wenigen nm in dem gemessenen Bereich können dagegen die Abweichungen von Führung und Normal nicht mehr getrennt werden.

Bild 3: Geradheitsprofile an zwei gegenüberliegenden Flächen der Endmaßbrücke, Messrichtung horizontal (y-Richtung), vgl. Bild 2, 4300 Messpunkte, jeweils oberes Profil gespiegelt;
links: ungefilterte Profile, rechts: gefilterte Profile (Gauß, λc = 2,5 mm).

Bild 4: Geradheitsprofile an zwei gegenüberliegenden Flächen der Endmaßbrücke, Messrichtung vertikal (z-Richtung), vgl. Bild 2, 1750 Messpunkte, jeweils rechtes Profil gespiegelt;
links: ungefilterte Profile, rechts: gefilterte Profile (Gauß, λc = 0,25 mm).

Die dargestellten Untersuchungen zeigen, dass die metrologischen Eigenschaften von Mikro-Koordinatenmessgeräten für Längen- und Formmessungen auch mit Genauigkeiten im Bereich von
0,1 µm und kleiner nachgewiesen werden können. Voraussetzung ist der Einsatz geeigneter Normale, die mit hinreichender Messunsicherheit kalibriert sind. Grundlage hierfür sind die Richtlinien VDI/VDE 2617-12.1 (z. Zt. im Entwurf) und, nach Möglichkeit, die Anwendung der Richtlinie VDI/VDE 2617-2.2 auf Mikro-KMG.

[1] http://www.zeiss.de/f25

[2] Michael Neugebauer, Frank Härtig, Otto Jusko, Ulrich Neuschaefer-Rube: Recent developments in micro CMM measurement technique at PTB. 2008 ACMC Workshop, University of Windsor, Ontario, Canada, 26-27 June 2008

Ansprechpartner:

M. Neugebauer, AG 5.31, michael.neugebauer@ptb.de