Entwicklung, Integration und Erprobung eines piezoresistiven 3D-Mikrotasters

Ferreira, Nelson GND

Die zunehmende Miniaturisierung von Systemen bei stetig erhöhter Funktionsdichte ist von alltäglichen Haushaltgeräten bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik in vielen verschiedenen Industriezweigen zu beobachten. Diese ist nur durch zahlreiche technologische Sprünge in der Mikro- und Nanotechnik der letzten Jahre möglich geworden. Die Fertigung von immer kleineren Komponenten bei gesteigerten Qualitätsanforderungen stellt daher heutzutage besondere Ansprüche an die dimensionale Messtechnik, welche dabei häufig an ihre Grenzen stößt. Zur Prüfung der Maß-, Form- und Lagekenngrößen solcher Mikrobauteile sind verschiedene Messverfahren und Sensorprinzipien entwickelt worden, wobei keine universelle Lösung existiert. Die taktile Messtechnik spielt im Mikrobereich eine wesentliche Rolle für die Messung von deren Qualitätskenngrößen. Insbesondere nutzen taktile Koordinatenmessgeräte sogenannte Taster mit meistens kugelförmigen Tastelementen, um Werkstückoberflächen anzutasten und dadurch einen Rückschluss über diese Qualitätskenngrößen zu ziehen. Bisher sind kommerziell erhältliche Koordinatenmessgeräte meistens nur für den Makro-, oder nur für den Mikrobereich zu verwenden. Dabei sind Messungen im Makrobereich sehr verbreitet und gleichzeitig Messungen im Mikrobereich eher selten, sodass sich eine Investition in solch spezielle Koordinatenmessgeräte sehr oft nicht lohnt, obwohl es einen Bedarf gibt. Die Integration von Mikrotastern an Standard-Koordinatenmessgeräte ist daher einerseits aus wirtschaftlicher Sicht sehr relevant und andererseits eine technische Herausforderung. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein piezoresistiver 3D-Mikrotaster weiterentwickelt, sodass im Vergleich zu den Vorgängermodellen deutlich höhere Empfindlichkeitswerte unter Berücksichtigung der Steifigkeitsparameter erreicht worden sind. Parallel dazu wurde ein Prozess zur Fertigung von kugelförmigen Taststiften mittels Funkenerosion optimiert, sodass monolithische Taststifte mit 50 μm Tastkugeldurchmesser und Formabweichungen im Bereich um 1 μm gefertigt werden können. Solche Taststifte wurden erfolgreich auf Mikrokraftsensoren montiert, sodass erstmalig taktile Messungen mit 50 μm Tastelementen zu realisieren sind. Diese Mikrotaster wurden danach zur Erprobung in ein Verzahnungsmessgerät integriert. Messroutinen wurden dabei unter Berücksichtigung des mathematischen Modells für den Mikrotaster angepasst, damit voll automatisierte Messungen durchgeführt werden können. Messungen wurden anschließend an einer 2 mm Referenzkugel und an einem Mikroverzahnungsnormal mit verschiedenen Modulen von 1 bis zu 0,1 mm realisiert und innerhalb eines Ringvergleiches mit Kalibrierwerten verglichen.

The increasing miniaturization of systems along with a constantly growing concentration of functions can be observed all around us in everyday life. Developments achieved in the past few years in the fields of micro- and nanotechnologies contribute strongly to this trend. The production of smaller components associated with higher quality requirements lead to special demands on the dimensional measuring technology, which is in many cases confronted with new challenges. Several measurement methods and sensor principles have been developed for the analysis of dimensions, form and position of micro components, but there is no universal measuring solution yet. The tactile measuring technology plays a prominent role in the measurement of quality parameters. For that purpose, tactile coordinate measuring machines use probing systems mostly with spherical tactile elements to probe component surfaces. By analyzing the probing points, it is possible to draw conclusions on the quality of these components. Until now, commercially available coordinate measuring machines can execute measurements either in the macro or in the micro scale, but rarely do both. In fact, measurements in the macro scale are widely spread, whereas measurements in the micro scale are seldom. In the majority of cases, an investment in such a special micro measuring machine is uneconomical, although there is an increasing demand on this kind of measurements. Thus, the integration of microprobes in standard coordinate measuring machines is economically relevant but at the same time a technological challenge. Within the framework of this thesis, a piezoresistive 3D micro probing system has been enhanced, integrated and tested. Compared to previous models, significantly higher sensitivities have been reached. Besides, a process for the machining of micro spherical probes by means of electrical discharge machining has been developed and optimized. Thereby, monolithic probes with probe sphere diameters down to 50 μm and with form deviations in the range of 1 μm can be fabricated. These probes have been mounted on high sensitive sensing elements, so that full automated measurements with 50 μm probe spheres have been realized for the first time. These microprobes have been integrated and tested in a gear measuring instrument. The internal routines and machine parameters have been adapted to the microprobe’s properties. The machine can now realize full automated measurements of complex geometries in the same way as standard probing systems. Extensive measurements have been executed on a 2 mm reference sphere as well as on micro gear standards with modules down to 0.1 mm and compared within an intercomparison.

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Ferreira, Nelson: Entwicklung, Integration und Erprobung eines piezoresistiven 3D-Mikrotasters. Aachen 2015. Shaker.

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