Mikroverzahnungsmesstechnik - Bedarf und Möglichkeiten

Mikroverzahnungen sind ein unverzichtbarer Bestandteil der modernen Produktion. Ihr Einsatz zum Beispiel in der Medizintechnik, der Halbleiterfertigung, Mikrorobotik und Feinmechanik erfordert sehr hohe Präzision und Effizienz. Da jedoch die Frage der Zuverlässigkeit und Anwendbarkeit entsprechender Messtechnik ungeklärt ist, fehlt die wesentliche Voraussetzung für eine belastbare Qualitätssicherung. Daher wurde die PTB im Rahmen eines Projektes aufgefordert, eine Studie durchzuführen, die aufbauend auf einer Bedarfsanalyse die Möglichkeiten im Bereich der Mikroverzahnungsmesstechnik aufzeigt. Die Studie [1] umfasste Mikroverzahnungen mit Stirnmodulen zwischen 1 µm und 1 mm (siehe Bild). Die Ergebnisse der Studie basieren auf der Auswertung eigens erstellter Fragebögen an die Industrie, auf einer umfangreichen Literatur- und Internetrecherche und auf Erfahrungswissen. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnten zum Ende der Studie zukünftige Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte definiert werden.

Die Bedarfsanalyse ergab, dass insbesondere Mikrozahnräder innerhalb des Modulbereiches von 0,05 mm bis 0,5 mm sehr interessant sind. Darüber hinaus sind unter Berücksichtigung der aktuellen Produkte und Entwicklungen der Getriebehersteller geradverzahnte Räder (innen- und außenverzahnt) mit evolventischen und nicht-evolventischen Profilen bevorzugt zu betrachten. Ferner konnte aufgezeigt werden, dass sowohl im Bereich der taktilen als auch im Bereich der optischen Messgeräte einige viel versprechende Mess- und Sensortechniken existieren. Im Bereich der taktilen Mikro-Koordinatenmessgeräte gibt es bereits schlüsselfertige Systeme. Mit Tastkugeldurchmessern unter 100 µm und mit Antastkräften unter 1 mN nähern sie sich den Bedürfnissen der Mikrogetriebehersteller an. Die bislang für den Mikroverzahnungsbereich wenig genutzte optische Messtechnik bietet mit der hohen Messpunktdichte und dem berührungslosen Antasten im Hinblick auf Mikrogeometrien einige Vorteile. Allerdings müssen zukünftig verfahrensbedingte Einschränkungen, wie zum Beispiel der begrenzte Winkelbereich zwischen Oberfläche und Beobachtungsachse oder die Abschattung des Sichtfeldes durch den geometrischen Aufbau des Bauteils beispielsweise durch die Entwicklung neuartiger Zustellmöglichkeiten überwunden werden. Die Computertomographie (CT) bietet mit der dreidimensionalen Volumenerfassung ebenfalls Potential für die Mikroverzahnungsmessung. Allerdings sind die mit ihr erreichbaren Messunsicherheiten zur Zeit noch zu hoch.

Die Studie hat ergeben, dass für eine zuverlässige Beurteilung der einzelnen Messgeräte und Messprinzipien die Entwicklung von Normalen und entsprechenden Messverfahren unumgänglich ist. Um den Möglichkeiten der neuen Messtechniken gerecht zu werden, sollten neben den klassischen Verzahnungsauswerteverfahren auch flächenhafte Ansätze in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus ist auf den Gebieten der Handhabung, Reinigung und Aufspannung von Mikrozahnrädern noch großer Entwicklungsbedarf vorhanden.

Basierend auf diesen Ergebnissen wurde die PTB von der Industrie aufgefordert, ein Folgevorhaben zu initiieren, das im Wesentlichen die Rückführung von Mikroverzahnungsmessungen und die Beurteilung ausgewählter Messgeräte und Sensoren zum Inhalt hat.


Bild: Einordnung der Mikroverzahnung


[1]   Abschlussbericht zum Vorhaben FVA 567 I: „Studie zum Bedarf und den Möglichkeiten der Messung von kleinen Verzahnungen“,
        Heft 908, 2009