Dem Mikrometer auf der Spur

Anbieter zum Thema

Fastems Sales Agent: Gennaro Teta (omnino technology)

Nordson (Schweiz) AG - EFD Dosiertechnik

Staub und Verschmutzungen können Messungen beeinflussen

Für die Messtechnik bedeutet das einiges an neuen Herausforderungen. Bei sehr kleinen Bauteilen sind beispielsweise Aspekte wie Staub und Verschmutzungen Parameter, die die Messungen - zum Teil stark - beeinflussen können. Helfen können hier Filterungen, die solche Verschmutzungen automatisch erkennen.

Temperatur-Drifts und Antastkräfte

Eine weitere Schwierigkeit sind Temperatur-Drifts. Denn im Mikrometerbereich und darunter können bereits sehr geringe Temperaturschwankungen zu erheblichen Messunsicherheiten durch Längenänderungen führen. Das Einschliessen von kalibrierten Messwerkstücken kann in solchen Fällen Abhilfe schaffen.

Nicht zuletzt ist die Antastkraft ein nicht zu unterschätzender Aspekt. Je kleiner die Werkstücke, umso dünnwandiger und nachgiebiger sind die zu messenden Bereiche, insofern müssen die Antastkräfte auf ein Minimum reduziert werden.

Medizintechnik hat hohe und spezielle Anforderungen

Diese Problematik der schwierigen Zugänglichkeit wurde auch von dem Vortragenden Dr. Johannes Kind (Ypsomed) betont. Bei ihnen sei weniger die extreme Präzision die Herausforderung, sondern die Schwierigkeit, an die Messpunkte zu kommen.

Um Bedürfnisse eines Anwenders in der Medizintechnik an Präzisions- und Mikromesstechnik, die steigenden Erwartungen an kürzere Entwicklungszeiten von neuen Produkten in der Medizintechnik zu erfüllen, sind deren Hersteller nicht nur angewiesen auf eine schnelle Entwicklung von neuen und effizienten Messverfahren. Zunehmend wird die Erbringung von Dienstleistungen im Bereich der Dokumentation erwartet, dies zur Erfüllung der regulatorischen und normativen Anforderungen (Qualifizierung und Validierung von Hard- und Software). Das sollte zu einem signifikanten Wettbewerbsvorteil für die Hersteller von Messgeräten führen.

Präzisions-Neigungsmessung von Werkzeugmaschinen

Martin Jaray, (Geschäftsleitung, Wyler AG) stellte ein Messverfahren zur Neigungsmessung von Werkzeugmaschinen vor. Vor dem Zusammenbau einer WZM müssen die Achsen perfekt vermessen werden. Das ist Grundvoraussetzung dafür, dass die zu fertigenden Werkstücke präzis gefertigt werden können. Das Unternehmen Wyler AG - 1928 gegründet - hat sich schon immer auf den Bereich der Neigungsmesstechnik konzentriert.

Im Bereich von WZM können beispielsweise Führungsbahnen, Flansche, Drehtische mit der Neigungsmessung exakt vermessen werden. Bei kleineren Bauraumverhältnissen können auch lediglich die sehr kleinen Neigungssensoren genutzt werden, die über Bluetooth die Daten an den Rechner übertragen.

Sylvac: die Vorteileinduktiver Messung

Wer hat nicht schon einmal einen Messschieber in der Hand gehabt. Mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit war in diesem Messschieber ein Messsystem von Sylvac integriert. Selbst dann, wenn es ein japanischer Messschieber war. Sylvacs VR-Präsident Hans-Ulrich Meyer hielt seinen Vortrag höchst persönlich und zeigte auf, warum Sylvac auf das von ihnen entwickelte induktive Wegmesssystem setzt, das weltweit in Messschiebern zum Einsatz kommt.

Billig, präzis, prozesssicher, robust und «sparsam»

Generell muss ein solches System billig, genau, prozesssicher als auch höchst robust sein. Hinzu kommt, dass ein solches System einen sehr niedrigen Stromverbrauch haben muss. Die Genauigkeit sollte bei 2/100 mm bei 150 mm Messbereich liegen. Das optische System ist zwar das genaueste Inkrementalverfahren, aber es benötigt zu viel Strom und ist somit für den Einsatz von Messschiebern unpraktikabel.

Nachteil von kapazitiven Sensoren

Induktive Sensoren finden immer häufiger in Messschiebern, Messuhren und Mikrometer Anwendung. Sie sind eine ernsthafte Alternative zu anderen Messgebern, insbesondere kapazitiven.

Letztere rüsten immer noch die überwiegende Mehrheit solcher Messinstrumente aus, weil sie billig herzustellen sind und vor allem am wenigsten Strom brauchen. Ein gravierender Nachteil ist aber deren Empfindlichkeit auf Wasser und andere Dielektrika.

Das ist kein Problem mit induktiven Sensoren, wohl aber deren höherer Energiebedarf. Anhand des induktiven Wegmessverfahrens von Sylvac wurde gezeigt, wie durch impulsartig angesteuerte Leiterplattenspulen ein preiswerter Sensor hergestellt werden kann, dessen Stromverbrauch sich dem eines kapazitiven Sensors nähert.

Dreidimensional vermessen

Mit «einem Schlag» ein gesamtes Objekt in 3D zu erfassen, war für Prof. Dr. An-dreas Ettemeyer, NTB Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs, seit jeher eine faszinierende Herausforderung. Mit der von ihm entwickelten Laser-Holographie-Methode ist das jetzt Realität geworden. So können 3-dimensionale Objekte präzis vermessen werden.

Berührungslose optische Messverfahren sind heute wichtige Instrumente zur Untersuchung und Prüfung von Mikrostrukturen. Allerdings werden in der Regel nur entweder die Amplitude oder die Phase des von der Oberfläche reflektierten Lichts erfasst. Daraus folgt, dass für die vollständige Erfassung üblicherweise die Oberfläche abgescannt werden muss.

Digitale Holografie erfasst simultan Amplitude und Phase und erlaubt somit die vollständige Messung ohne Scannen. Diese Eigenschaft öffnet somit die Türen für neue Anwendungen, z.B. bei bewegten Objekten, sogar bei schwingenden Vorgängen. In dem Vortrag wurden Prinzip und einige Anwendungen der digitalen Holografie an Mikrostrukturen gezeigt.

Die dynamische Messung machte Prof. Ettemeyer an der Vermessung von Schwingungen des Arms eines Atommikroskops deutlich: die nur 200 nm grosse Amplitude des Arms konnte vermessen werden. Die Entwicklung des Systems geht weiter in Richtung der Messung von Oberflächen-Rauheiten.

Kalibriermethoden von Prüfmitteln und Al-Prüfwürfel

Referent Roland Zurbrügg, Leiter Messtechnik bei Kunz Pecision AG, stellte während seines Vortrages unter anderem einen Prüfwürfel aus Aluminium sowie unterschiedliche Kalibriermethoden für Prüfmittel vor.

Genauigkeitsansprüche an Werkzeugmaschinen steigen

Die Genauigkeitsansprüche an moderne Werkzeugmaschinen und somit auch an die verwendeten Prüfmittel wie Hartgestein-Prüfwinkel, -lineale, -quader usw. steigen kontinuierlich. Als Hersteller von hochgenauen Prüfmitteln und akkreditierte Kalibrierstelle SCS, ist es das Anliegen der Firma Kunz Precision AG, solche Prüfmittel mit der höchstmöglichen Genauigkeit und Aussagekraft zu kalibrieren.

Hierfür wurden in Zusammenarbeit mit dem METAS neue Messmethoden entwickelt, welche dort zum Tragen kommen, wo bisher bekannte und etablierte Verfahren an ihre Grenzen stossen oder nicht einsetzbar sind. Die Messmethoden von Kunz Precision haben sich in der Praxis sehr bewährt und werden heute weltweit mit Erfolg von Kalibrierlaboratorien und nationalen Instituten eingesetzt.

Werkzeugmaschine exakt vermessen

Am Beispiel einer kleineren Präzisionswerkzeugmaschine demonstrierte R. Zurbrügg die Vorteile des neuen Aluminium-Prüfwürfels, mit dem Geradheiten und Rechtwinkligkeiten der Achsen der Maschine zu messen waren.

Mit dem Aluminium-Prüfwürfel sollte die Sollpräzision von 0,5 µm überprüft werden. Hierfür wird der Prüfwürfel auf der Maschine platziert und die Achsen werden verfahren. Mögliche Toleranzen werden mit hochauflösenden Messtastern, die auf der Oberfläche des Prüfwürfels verfahren, aufgezeichnet.

Ungewöhnlich, aber perfekt:Aluminium-Prüfkörper

Da Aluminium als Prüfkörper eher ungewöhnlich ist, stellte R. Zurbrügg die Vorteile dieses Werkstoffes dar. Generell haben verschiedene Prüfmaterialien wie Stein, Keramik, etc. alle ihre Stärken und Schwächen. Hartgestein hat beispielsweise eine hohe Porosität der Oberfläche.

Der vorgestellte Prüfwürfel aus einer spezifischen Aluminium-Legierung verfügt über eine harte (58 HRC) Oberflächenbeschichtung und wird anschlies-send geläppt. Die Oberfläche ist spiegelglatt. Die grosse Wärmeausdehnung von Aluminium ist in diesem Anwendungsfall unproblematisch, weil es um Formmessungen geht. Dank der guten Wärmeleitfähigkeit, verfügt der Prüfwürfel über eine schnelle Anpassung an die Umgebungstemperatur, was Vorteile haben kann.

Dass das Unternehmen stark im Kali-brierbereich ist, zeigte sich, als R. Zurbrügg verschiedene Kalibriermethoden vorstellte, um Prüfmittel zu kalibrieren. Folgende Kalibriermethoden wurden thematisiert:

- Straight-Line-Methode

- Square-Master-Methode

- Topo-Methode

Mit diesen Methoden kalibrierte Normale können ihrerseits wieder als Referenz-Normale bei Messgeräten verwendet werden, was zu einer kontinuierlichen Erhöhung der Genauigkeit führt.

Einfache Kalibrierung auf höchstem Niveau

Am Beispiel der Umschlagmessung mit Straight-Line-Methode - ein luftgelagerter Linearschlitten - zeigte er auf, dass die Messung noch genauer sein kann als das genutzte Normal. Wiederholgenauigkeiten im Hundertstel-Mikrometer-Bereich sind machbar. Mit der Umschlagmessung sind zudem Fehlertrennverfahren möglich.

Fazit: Die oben genannten Kalibriermethoden ermöglichen Kalibrierungen auf allerhöchstem Niveau und sind noch dazu sehr einfach anzuwenden.

Entwicklung einer Prüfmethode für Mikrozahnräder

Können Rückschlüsse auf die Geometrie von Mikrozahnrädern durch eine Funktionsprüfung gezogen werden? Das war eine zentrale Frage, die Benjamin Viering, wbk Institut für Produktionstechnik Uni Karlsruhe, in seinem Vortrag fokussierte.

Solche Mikrozahnräder können Module von 200 µm Grösse aufweisen. Als Qualitätsmerkmale gelten der geometrische Verlauf der Flankenlinie, Profillinie, Zahnbreite, Teilung, Durchmesser und Bohrung. Generell ist festzuhalten, dass bei Modulen von 200 µm Abmessungen die Trennung zwischen Form, Rauheit und Welligkeit kaum noch auseinanderzuhalten sind. Am wbk-Institut ist man derzeit daran, eine äusserst anspruchsvolle Methode zu entwickeln, mit der anhand eines Prüfstandes für Kleinstgetriebe, bei dem die Mikrogetriebe getestet werden können, Rückschlüsse auf die Mikro-Geometrien der Zahnrädervgezogen werden können.

Weltweit einmaliges Messgerät

Dr. Felix Meili vom Bundesamt für Metrologie stellte ein neues hochpräzises Koordinatenmessgerät mit einem von dem METAS entwickelten Messtaster-System vor.

Mikroteile sind eine grosse Herausforderung für die dimensionelle Messtechnik. Die kleinen, meist empfindlichen Präzisionsstrukturen benötigen spezifische Messgeräte mit sehr feinen Tastelementen. Das am METAS aufgebaute ul-trapräzise Mikro-Koordinatenmessgerät kombiniert einen neu entwickelten Tastkopf mit einem ultrapräzisen 3D-Verschiebetisch. Der Tastkopf misst mit sehr kleiner, richtungsunabhängiger Tastkraft und die Positionsmessung des Verschiebetisches erfolgt in allen drei Achsen interferometrisch ohne Abbe-Versatz. Zusammen mit den implementierten Korrekturverfahren sowie den ausgezeichneten Laborbedingungen am METAS ergibt sich ein weltweit einmaliges Messgerät.

Extrem präzises Messtastsystem

Bei dem Messtastsystem handelt es sich um einen analogen 3D-Tastkopf mit induktiven Sensoren und schnell austauschbaren Tastelementen über eine magnetische Halterung. Der Messbereich liegt bei x, y, z = ±150 µm. Die Steifigkeit ist isotropisch ausgeprägt und liegt bei 26 N/mm. Die Antastwiederholbarkeit beträgt beachtliche 5 nm(1s) bei Einzelpunktantastung.

Der Tastkopf zeichnet sich aus durch Parallelkinematik, die die Bewegungen der Tastelemente rein transversal auf drei individuell voneinander unabhängige Sensoren leitet. Die Struktur ist so ausgelegt, dass die Tastkraft bei 0,5 mN ist. Dank der induktiven Sensoren wird die Bewegung durch die Sensoren nicht eingeschränkt.

Für Felix Meili ist es erstaunlich, dass noch kein Messtechnik-Unternehmen ihren neu entwickelten Messkopf angefragt hat. Denn das, was er kann, ist schlicht bemerkenswert.

Bemerkenswertes Schweizer Know-how

Abschliessend kann resümiert werden, dass angesichts der vorgetragenen Themenblöcke im Bereich der Messtechnik die Schweizer Industrie und Hochschullandschaft über ein Spitzenpotenzial verfügt. Es ist davon auszugehen, dass von der hochwertigen Präzionsmechanik, die in der Schweiz nach wie vor im High-End-Bereich angesiedelt ist, auch die Messtechnik profitiert und auch in Zukunft die Aussichten weiterhin gut sind, dass die messbaren Bereiche immer kleiner werden und - hoffentlich - einfacher zu messen sind.

AutorMatthias BöhmChefredaktor SMM

InformationSwissmemKirchenweg 48008 ZürichTel. 044 384 41 11Fax 044 384 42 42info@swissmem.chwww.swissmem.ch

NTB BuchsInstitut PWO Werdenbergstrasse 49471 Buchs SG Tel. 081 755 34 50Fax 081 755 33 08www.ntb.ch

1012233