EURAMET Project 1105 - Bilaterale Vergleichsmessung an Normalen für Mikro-KMG

Eine Vielzahl von industriellen Werkstücken weisen geometrische Mikro-Strukturen mit Abmessungen von wenigen µm bis ca. 1 mm auf, die mit geringer Unsicherheit gemessen werden müssen. Typische Spezifikationen der Messunsicherheiten von dafür eingesetzten Messgeräten liegen im Bereich von einigen 0,1 µm bis ca. 1 µm. Um diese Messgeräte wiederum zu prüfen, sind geeignete Normale erforderlich, die mit Unsicherheiten unter 0,1 µm zu kalibrieren sind. Insbesondere die Kalibrierung mehrdimensioneller Normale mit so geringen Unsicherheiten ist sehr anspruchsvoll. Darüber hinaus gab es bisher kaum Erfahrungen mit der Stabilität solcher Normale sowie der Vergleichbarkeit von Messergebnissen mit entsprechend geringen Messunsicherheiten. Aus diesem Grund beschlossen die EURAMET Kontaktpersonen des Schweizer Bundesamtes für Metrologie (METAS) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) im Mai 2009, bilaterale Vergleichsmessungen an Normalen für Mikro-Koordinatenmessgeräte durchzuführen. Diese, erstmals im Rahmen von EURAMET durchgeführten Vergleichsmessungen waren Teil des gemeinsamen Projektes #1105 „Bilateral comparison on micro-CMM artefacts“. Die PTB war Pilotlabor.
In den Vergleichsmessungen wurden drei Normale für Mikro-KMG gemessen: eine Referenzkugel und ein Ring, je 1 mm im Durchmesser, und eine Zerodurplatte mit Halbkugeln, vgl. Bild 1. In Bild 2 sind beispielhaft die Ergebnisse für die Abstände zwischen den Halbkugeln dargestellt. Die gemessenen Abstände stimmen im Bereich der angegebenen Messunsicherheiten gut überein. Es kann eine Längenabhängigkeit der Abweichungen festgestellt werden (gestrichelte Linie). Die Parameter und die vollständigen Ergebnisse sind in [1] beschrieben.
Diese sehr gute Übereinstimmung zeigt den Stand der Technik der verwendeten sehr präzisen Mikro-KMGs auf und unterstreicht, darüber hinaus, den hochentwickelten Stand von Kalibrierungen von Normalen für Mikro-KMG beim METAS und der PTB. Die Vergleichsmessungen führten zudem einerseits zu Erfahrungen bei der Handhabung von Normalen für Mikro-KMG und andererseits bei der Entwicklung und dem Einsatz geeigneter Messstrategien für zukünftige Vergleichsmessungen auf dem neuen Gebiet der Mikro-KMG. Die Analyse der aufgetretenen Abweichungen sowie der Unsicherheitsbeiträge verdeutlicht dabei die derzeit wesentlichen Einschränkungen auf dem Gebiet von Messungen mit Mikro-KMG: die Rückführung der Längenmessungen, die Kalibrierung von Durchmesser und Formabweichungen der Antastkugel und, nicht zuletzt, den Einfluss des zu messenden Objektes selbst. Zukünftige Aufgaben sind daher die Entwicklung von praxistauglichen Lösungen für diese Probleme.
 
[1] EURAMET Project 1105 “Bilateral comparison on micro-CMM artefacts between PTB and METAS”, Final report, 22.03.2011


Bild 1: Zerodurplatte, 90 mm x 90 mm x 5 mm, mit neun Halbkugeln, Durchmesser 5,6 mm. Die Anordnung der Halbkugeln ermöglicht die Verkörperung einer großen Anzahl von verschieden langen Abständen mit einer relativ geringen Anzahl von Halbkugeln, vgl. Bild 2.


Bild 2: Zerodur-Halbkugelplatte: Abweichungen der Abstände vom gewichteten Mittelwert, erweiterte Unsicherheiten U(L_i) für k = 2,  PTB,  METAS, - - - Ausgleichsgerade METAS (rot) und PTB (blau).