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Kleine Welt: Mikro-Prüfkörper

Die Messung von Mikrobauteilen ist eine neue metrologische Herausforderung in der modernen Produktionstechnik. Zur Beurteilung der verwendeten Messsysteme hat die PTB Mikro-Prüfkörper entwickelt, für die je nach Messprinzip eine Kalibrierunsicherheit für Abstände und Radien von bisher 0,5 µm erreicht wurde.

Mikro-Konturnormal aus Edelstahl (Detail). Das Normal ist mit Drahterosion hergestellt und weist verschiedene Radien, Winkel und Abstände auf. Es ist kommerziell erhältlich.
Mikro-Kugelkalottenwürfel aus Titan. Der Würfel ist mit Draht- bzw. Senkerosion hergestellt und hat auf drei Flächen je 5 x 5 Kugelkalotten mit 0,4 mm Radius.

Die Miniaturisierung in der Technik führt zu immer kleineren Bauteilen, wie z. B. Mikro-Zahnrädern und mikrooptischen Komponenten mit Merkmalen von unter 0,5 mm bis zu 1 µm. Für die Messung von Mikrobauteilen werden heute optische, taktile und röntgentomographische Mikro-Messsysteme eingesetzt. Deren Prüfung sollte in Anlehnung an akzeptierte Verfahren der Koordinatenmesstechnik (ISO 10360, VDI/VDE 2617) erfolgen, bei denen Prüfkörper verwendet werden. Mikro-Prüfkörper mit geeigneten Abmessungen fehlten bisher.

Die PTB hat deshalb verschiedene Mikro-Prüfkörper entwickelt, die für die Antastung mit taktilen und optischen Sensoren „kooperative“ Oberflächen aufweisen bzw. durch ihre Volumeneigenschaften (z. B. Röntgenabsorbtion) röntgentomographisch messbar sind. Bei der Herstellung der Mikro-Prüfkörper wurden unterschiedliche Fertigungsverfahren wie Draht- und Senkerosion oder Diamantdrehen eingesetzt. Teilweise mussten die Oberflächen nachträglich z. B. durch Laserbearbeitung strukturiert werden, um messtechnisch geeignete Oberflächen zu erzielen.

Vergleichsmessungen mit verschiedenen taktilen und optischen Mikrosensoren an einem Mikro-Konturnormal ergaben Übereinstimmungen von teilweise besser als 1 µm für Abstände und Radien. Mit der Entwicklung der Mikro-Prüfkörper und der zugehörigen Kalibrierverfahren ist jetzt ein entscheidender Schritt für den qualifizierten Vergleich unterschiedlicher Sensoren und deren Rückführung im Mikrobereich gelungen. Teilweise konnten die Prüfkörper im Rahmen von Firmenkooperationen in die Industrie transferiert werden.

Aufgabe kommender Arbeiten ist eine weitere Miniaturisierung der Prüfkörper und Strukturen sowie die Reduzierung der Kalibrierunsicherheit, um den weiter steigenden Anforderungen an die Prüfung von immer genaueren Messgeräten für immer kleinere Messobjekte gerecht werden zu können. Dabei werden Kalibrierunsicherheiten für taktile und optische Messungen von 0,1 µm und besser angestrebt.

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