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Hochgenaue 3D-Mikromesstechnik

Besonders interessant für:
  • Hersteller von Mikro-Koordinatenmessgeräten
  • Anwender von Mikro-Koordinatenmessgeräten
 

An neuartigen Halbkugelplatten-Normalen sind durch die Kombination von spezieller Messstrategie, stabilen Umgebungsbedingungen und sehr guter Reproduzierbarkeit des Messgerätes Messunsicherheiten von weniger als 0,1 µm erreichbar. Damit wird die Prüfung von Mikro-Koordinatenmessgeräten in der Industrie deutlich verbessert.

Kugelplatte mit neun Halbkugeln aus Siliziumni-trid, Hersteller Carl Zeiss IMT. Die Maße der Platte betragen (90 × 90 × 5) mm, der Durchmesser der Kugeln 5,6 mm. Detail unten links: Ansicht einer Halbkugel von oben. Detail unten rechts: Ansicht einer Halbkugel durch die Zerodurplatte.

Um die Maße von Mikrobauteilen zu überprüfen, werden in der Industrie Mikro-Koordinatenmessgeräte (Mikro-KMG) eingesetzt, die derzeit Längenmessabweichungen von 0,3 µm und kleiner erreichen. Die richtlinienkonforme Prüfung dieser Mikro-KMG muss mit geeigneten Normalen erfolgen, z. B. speziellen Kugelplatten, bei denen Halbkugeln auf eine Zerodurplatte angeschoben sind. Der sehr geringe thermische Ausdehnungskoeffizient der Glaskeramik Zerodur garantiert dabei die genau definierten Abstände, und das spezielle Design der Platte mit Bohrungen im Substrat erlaubt die Antastung der Halbkugeln von beiden Seiten der Platte. Die neuartigen Halbkugelplatten werden in der PTB mit einem Mikro-KMG mit einem taktilen Sensor hochgenau kalibriert.

Die systematischen Abweichungen des verwendeten Messgerätes lassen sich mithilfe eines Fehlertrennverfahrens weitgehend eliminieren. Die Halbkugelplatte wird dabei aufrecht und kopfüber in verschiedenen Orientierungen zu den Messgeräteachsen gemessen. Die Genauigkeit des Fehlertrennverfahrens ist wesentlich durch die Reproduzierbarkeit der Messungen in den verschiedenen Lagen begrenzt. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Stabilität der Umgebungsbedingungen und an die Sorgfalt des Bedieners.

Eine vollständige Kalibrierung umfasst Wiederholmessungen in vier Lagen sowie zusätzlich die Messung von Pa-rallelendmaßen in verschiedenen Orientierungen, um die Längenkorrektur der Messachsen des Mikro-KMG zu ermitteln. Während der Messzeit von ca. 8 Stunden müssen die zu korrigierenden Abweichungen des Mikro-KMG auf wenige Nanometer stabil sein.
Die erreichten Kalibrierunsicherheiten betragen für die Positionen der Halbkugeln auf der Zerodurplatte 50 nm (k = 2). Langzeituntersuchungen des Verfahrens ergaben bei drei wiederholten Kalibrierungen an einer Halbkugelplatte der PTB Reproduzierbarkeiten von besser als ± 15 nm.

Die mit dem Mikro-KMG der PTB an dieser Halbkugelplatte erzielten Mess-ergebnisse wurden in einem gerade abgeschlossenen bilateralen EURAMET-Projekt mit den Messergebnissen des am Schweizer Metrologieinstitut METAS betriebenen Mikro-KMG verglichen. Innerhalb der abgeschätzten Messunsicherheiten ergab sich hierbei eine sehr gute Übereinstimmung.

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Neugebauer, M: Precision size and form measurement with a micro-CMM F25. Proceedings of the IXth International Scientific Conference Coordinate Measuring Technique, 14.–16. April 2010, Bielsko-Biała, Polen, ISBN 978-83-62292-561, S. 43–49