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Ultrapräzise Verbindungen unter der Lupe

Wegweisende Untersuchungen zur dimensionellen und thermischen Stabilität von Verbindungstechniken

PTB-News 3.2015
01.10.2015
Besonders interessant für

Maschinenbau

Fertigungsmesstechnik

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts „Thermal design and dimensional drift“ (T3D) wurden in der PTB diverse Verbindungstechniken hinsichtlich Langzeitverhalten und Reaktion auf thermische Einflüsse erstmalig mit einer Genauigkeit von etwa einem Nanometer untersucht.

Ein an eine Endplatte geschraubtes Endmaß (Foto oben im Bild). Bei der Phasentopografie kann man innerhalb einer Wellenlänge topografische Änderungen sehr fein messen. In der Darstellung hier sind die auftretenden Phasensprünge um ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge an den Übergän-gen zwischen Basisplatte und Endmaß bzw. im Bereich der Schrauben nicht korrigiert worden, um die eigentliche Verbie-gung sichtbar zu machen. Man sieht deutlich, dass sowohl die Endmaßoberfläche (mittlerer Bereich) als auch die Basisplatte (Bereich oben und unten) durch die beim Anziehen einge-brachten Kräfte Verformungen aufweisen.

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 (Opens external link in new windowhttp://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)