Ultrapräzise Verbindungen unter der Lupe
Wegweisende Untersuchungen zur dimensionellen und thermischen Stabilität von Verbindungstechniken
Auch bei der Montage von Ultrapräzisionsinstrumenten werden „herkömmliche“ Techniken wie Schrauben oder Löten häufig eingesetzt. Bei Baugruppen in Werkzeugmaschinen, optischen Instrumenten, Rasterkraftmikroskopen oder in Halbleiter-Fertigungsanlagen können damit verbundene Längenänderungen auftreten, die so klein sind, dass man sie mit herkömmlichen Messmitteln nicht nachweisen kann. Diese entstehen sowohl durch Strukturveränderungen im Inneren der Konstruktionsmaterialien als auch durch äußere Einflüsse wie thermische oder mechanische Belastungen.
Speziell für das Projekt T3D wurden in der PTB und am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena verschiedene Verbindungen (Schraub-, Kleb- und Lötverbindungen sowie silikatisches Bonden) hergestellt. Aufgrund der erwarteten Längenänderungen im Nanometerbereich wurden als Grundelemente Parallelendmaße benutzt. Als Referenz diente die für Endmaße traditionell verwendete Anschub-technik ohne zusätzliches Verbindungsmaterial. Um die dimensionelle Stabilität sowohl senkrecht als auch seitlich zu den Verbindungsflächen zu messen, wurden Verbindungen zwischen Endmaßen entweder mit den End- oder den Seitenflächen hergestellt. Zusätzlich wurde auch die Orientierung der Oberflächen durch Auswertung der Interferenz-Phasentopografie ermittelt. Gemessen wurde mit den hochgenauen Interferometern der PTB. Die zeitliche Stabilität der Verbindungen wurde über einen Zeitraum von einem Jahr überprüft. Im selben Zeitraum wurde das thermische Verhalten im Bereich von 10 °C bis 30 °C untersucht.
Die Schraubverbindungen zeigten bei Länge und Orientierung keine nachweisbare Änderung. Klebeverbindungen verhalten sich dagegen je nach Aushärtung und Feuchtigkeitsaufnahme des Klebstoffs bzw. Parallelität der Klebefuge sehr unterschiedlich. Bei gelöteten und gebondeten Verbindungen hängt das Verhalten hauptsächlich von der Dicke der Verbindungsschicht ab: je dünner, desto konstanter sind Länge und Orientierung.
Aus den Erkenntnissen wurde ein „Good Practice Guide“ für Anwender von Verbindungstechniken im Ultra-Präzisions-Maschinenbau erarbeitet, in den auch Hinweise der EURAMET TC-L Expertengruppe mit eingeflossen sind. Das Dokument ist auf der T3D-Homepage verfügbar, ebenso wie ein Online-Tutorial zur interferometrischen Messung der Stabilität von Verbindungstechniken (http://projects.npl.co.uk/T3D/publications.html).
Ansprechpartner
René Schödel
Fachbereich 5.4 Interferometrie an
Maßverkörperungen
Telefon: (0531) 592-5400
E-Mail: rene.schoedel(at)ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichung
H. Lorenz, E. Beckert, R. Schödel: Phase topography-based characterization of thermal effects on materials and joining techniques. Applied Optics 54, 2046–2056 (2015)