Untersuchungen zur dimensionellen und thermischen Stabilität von Verbindungstechniken

An die Präzision im Maschinenbau und der Fertigungsmesstechnik werden heute immer höhere Anforderungen gestellt. Bauteile, deren Abmessungen man gestern noch für zeitlich stabil hielt, können sich im Nanometerbereich als instabil erweisen. Das Europäische Forschungsprojekt "Thermal design and dimensional drift" (T3D) http://projects.npl.co.uk/T3D/ wurde initiiert, um u.a. das Wissen über kleinste Längenänderungen zu erweitern. Speziell das Langzeitverhalten von Verbindungen, und wie diese auf thermische Einflüsse reagieren, konnte erstmalig mit einer Unsicherhieit von etwa einem Nanometer untersucht werden.

Strukturveränderungen im Inneren der Materialien können auch bei konstanten Bedingungen zu Längen- oder Formänderungen führen. Verstärkt werden solche Prozesse noch durch Änderung äußerer Einflüsse, wie z. B. thermische oder mechanische Belastungen, insbesondere bei Verbindungen. Die entsprechenden Längenänderungen sind allerdings meist so klein, dass sie mit normalen Messmitteln nicht nachzuweisen sind. Andererseits sind sie von nicht zu unterschätzender Bedeutung. Aufgrund der steigenden Genauigkeitsanforderungen an Werkzeugmaschinen, Halbleiter-Fertigungsanlagen, optischen Instrumenten, Rasterkraftmikroskopen etc. gibt es nicht nur die Notwendigkeit, die dimensionelle Stabilität von Konstruktionsmaterialien zu untersuchen, sondern auch die von Verbindungstechniken.

Die hierfür eingesetzten Interferometer ähneln jenen, mit welchen Parallelendmaße regelmäßig hochgenau kalibriert werden. In diesem Bereich werden an der PTB die genauesten Messungen der Welt durchgeführt, welche für Industrie und Forschung zur Verfügung stehen. Die benutzten Laser emittieren bei verschiedenen Wellenlängen und sind auf etwa 10^-10 in ihrer Frequenz stabilisiert. Ferner sind gut kontrollierbare, sehr stabile Umgebungsbedingungen, insbesondere für die Temperatur und andere Parameter wie z.B. die Feuchte für derartige Messungen/Nachweise notwendig.

Einige, möglichst repräsentative, Verbindungen sind am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF), Jena, und in der PTB, Braunschweig, hergestellt worden. Gewählt wurden Schraub-, Kleb- und Lötverbindungen sowie Silikatisches Bonden. Um hier die Längenmesstechnik im erwarteten Genauigkeitsbereich einsetzen zu können, wurden Parallelendmaße für die verschiedenen Verbindungstechniken verwendet. Die Messungen der dimensionellen Stabilität erfolgte entweder senkrecht oder seitlich zu den Verbindungsflächen. Dafür wurden Verbindungen zwischen Endmaßen entweder mit den Endflächen (Bild 1, oben) oder den Seitenflächen hergestellt. Zusätzlich zur Länge ist auch die Orientierung der Oberflächen durch Auswertung der Phasentopographie gemessen worden (Bild 1, unten).

Mit Hilfe der exemplarisch gefertigten Verbindungen konnte das Verhalten dieser Verbindungstechniken genau charakterisiert werden. Messergebnisse aus etwa einem Jahr Beobachtungszeit ergaben, dass Schraubverbindungen in einem Temperaturbereich von 10 °C bis 40 °C keine nachweisbare Änderung von Länge und Orientierung zeigen. Klebeverbindungen können sich dagegen - je nach Klebstoff und Parallelität der Klebfuge - sehr unterschiedlich verhalten. Bei gelöteten und gebondeten Verbindungen hängt das Verhalten hauptsächlich von der Dicke der Verbindungsschicht ab.

Diese Untersuchungsergebnisse wurden detailliert auf einem Workshop am 6. Juni 2014 im Rahmen der euspen-Konferenz in Dubrovnik vorgestellt. Hier berichteten auch andere am T3D-Projekt beteiligte Institute über ihre Forschungsergebnisse. http://www.euspen.eu/OurEvents/Dubrovnik2014/Friday6thJuneWorkshop.aspx


Bild 1: Zwei verschraubte Parallelendmaße: in der Phasentopographie ist die Deformation durch die Schraubkräfte sichtbar, Wellenlänge λ = 532 nm