Optische Mikrosonden zur Herstellung hochwertiger Kameraobjektive und sparsamer Verbrennungsmotoren

15.06.2010 Verbundprojekt MikroFiz

Bei Serienbauteilen aus der Kfz-Einspritztechnik, der Präzisionsoptik oder der Mikrotechnik spielt die Geometrie eine große Rolle. Neue Serienprodukte oder Produktverbesserungen sind nur dann möglich, wenn die Geometrieabweichung der Bauteile in den unterschiedlichen Phasen des Herstellungsprozesses erfasst und dokumentiert wird. Um wirtschaftlich produzieren zu können, sind zudem kurze Messzyklen gefragt. Denn nur so lassen sich die Fälle, in denen Bauteile die geforderten Toleranzen überschreiten, reduzieren oder im Idealfall ganz vermeiden. Mit Toleranzen im Submikrometerbereich sind die Anforderungen allerdings häufig so hoch, dass gegenwärtig kaum geeignete Messgeräte zur Verfügung stehen.

Das Verbundvorhaben MikroFiz soll dazu beitragen, bei anspruchsvollen Bauteilen die Lücke zwischen den Möglichkeiten der industriellen Messtechnik und den Anforderungen der  Fertigungstechnik zu schließen. Beispielhaft widmet sich das Projekt zwei Anwendungen aus unterschiedlichen Bereichen, die die Messtechnik vor große Herausforderungen stellen:

• In der optischen Industrie, z. B. bei der Herstellung von Linsen für hochwertige Kameraobjektive, werden die Abweichungen von der Sollgeometrie heute nach der Vorbearbeitung taktil und nach der Endbearbeitung, dem Polieren, mit großem Aufwand optisch gemessen. Die bei der optischen Messung eingesetzte Interferometrie erfordert polierte Oberflächen. Die taktile Abtastung der endbearbeiteten Linse ist langwierig und aufgrund der Beschädigungsgefahr unerwünscht.
• Will man Verbrennungsmotoren sparsamer machen, kommt der Größe und der Form der sogenannten Spritzlöcher, durch die der Kraftstoff unter hohem Druck in die Brennkammern strömt, eine besondere Bedeutung zu. Diese  Spritzlöcher haben Durchmesser von ca. 0,1 mm und sind speziell geformt.

Im Rahmen von MikroFiz wird für beide Messaufgaben ein gerätetechnischer Ansatz verfolgt, der sich bei taktilen Tastern bereits bewährt hat. Ziel des Projektes ist es, den taktilen Taster durch eine optische Mikrosonde zu ersetzen, die je nach Anwendung unterschiedlich ausgeführt wird. Die Mikrosonde ist über eine Glasfaser mit einem Interferometer verbunden, das es erlaubt, Abstandsänderungen von wenigen Nanometern zwischen Sonde und Messobjekt zuverlässig zu detektieren.

Linsenoberflächen sind optisch glatt und mehr oder weniger stark gekrümmt. Deshalb müssen die Mikrosonden hier so gestaltet sein, dass sie nicht nur dann funktionieren, wenn die Sonde senkrecht zur Oberfläche des Messobjektes steht, sondern auch noch bei Neigungswinkeln von bis zu 25°. Im Fall der Automotive-Anwendung muss die Sonde im Durchmesser so klein sein, dass sie in das Spritzloch eingeführt werden kann.  Abstandsänderungen zur Wand des Spritzloches lassen sich dann messen, während sich das Bauteil um die Sonde herum dreht.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt „MikroFiz“ zur Forschung und Entwicklung der optischen Mikrosonden für die unterschiedlichen Messaufgaben mit knapp 767.000 Euro. In der nunmehr zweijährigen Projektlaufzeit konnten für beide Anwendungen tragfähige Sondenkonzepte erarbeitet werden. Sonden und Interferometer sind inzwischen als erste Prototypen realisiert und befinden sich in der Erprobungsphase. Trotz der sehr antagonistischen Anforderungen konnte ein modulares Sensorsystem realisiert werden. Dabei muss lediglich die fasergekoppelte Mikrosonde anwendungsspezifisch ausgeführt werden. Die übrigen Komponenten (Interferometer, Lichtquellenmodule, Signalverarbeitung) bleiben unverändert. Der modulare Ansatz ermöglicht zudem die Kombination der faseroptischen Sensoren mit unterschiedlichen Messgeräten: Formtester können ebenso mit optischen Mikrosonden ausgerüstet werden wie Tastschnittgeräte.

Projektpartner:

• Mahr GmbH, Göttingen (Koordinator)
• Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Abteilung Mess- und Qualitätstechnik, Aachen
• Grintech GmbH, Jena
• Leica Camera AG, Solms (assoziierter Partner)
• Continental VDO, Limbach-Oberfrohna (assoziierter Partner)

Weitere Informationen
Kurzübersicht Forschungsverbund MikorFiz