DE10342689B3

DE10342689B3 - Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern für die Überprüfung von Messgeräten für Mikro-Bohrungen

Info

Publication number: DE10342689B3
Application number: DE2003142689
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Neugebauer; Ulrich Dr. Neuschaefer-Rube; Franz Dr. Wäldele
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2023-09-17

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern für die Überprüfung von Messgeräten für Mikro-Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis hat die Schritte: DOLLAR A - Zusammensetzen von einzelnen kalibrierten Mikro-Bohrungssegmenten mit geringem Aspektverhältnis durch Stapeln zu einem Prüfkörper, der eine kalibrierte Mikro-Bohrung mit hohem Aspektverhältnis verkörpert; DOLLAR A - eindeutige Definition der Lage der Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis in dem Prüfkörper zueinander durch Bezugselemente; DOLLAR A - vorhergehende Kalibrierung des Durchmessers und der Form der einzelnen Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis mit bekannten Verfahren; DOLLAR A - Ableitung der Durchmesser und der Form innerhalb der verschiedenen Tiefen der Mikro-Bohrung mit hohem Aspektverhältnis aus den Kalibrierwerten für Durchmesser und Form der einzelnen Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern für die Überprüfung von Messgeräten für Mikro-Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis.

In der Fertigungsmesstechnik werden dimensionelle Messgeräte eingesetzt, die eingemessen und periodisch überwacht werden müssen. Dazu werden aus praktischen, ökonomischen und messtechnischen Gründen vorteilhaft kalibrierte Prüfkörper eingesetzt. Die durch Messung an diesen Prüfkörpern bestimmten Koordinaten und die daraus ermittelten Parameter für Maße und Formabweichungen werden mit den kalibrierten Koordinaten und den entsprechenden Parametern verglichen und so die Einmessung bzw. die Messunsicherheit des Messgerätes überprüft. Die Abmessungen des Prüfkörpers stehen in einem sinnvollen Verhältnis zu dem zu prüfenden Messbereich und der entsprechenden Messaufgabe des Messgerätes. Die Prüfkörper verkörpern die Messgrößen mit hinreichender Genauigkeit und können mit hinreichend geringer Messunsicherheit kalibriert werden.

Eine bedeutende Untergruppe von Prüfkörpern stellen Verkörperungen von Innenzylindern dar, wie sie z. B. als Ring oder Bohrung in der Form- oder Koordinatenmesstechnik verwendet werden. Diese Prüfkörper verkörpern die dimensionellen Messgrößen Innendurchmesser, Rundheit, Geradheit und Parallelität gegenüberliegender Mantellinien. Die Kalibrierung der Prüfkörper ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe der Bohrungstiefe (bzw. der Zylindertiefe) zum Durchmesser (Aspektverhältnis) einen wesentlichen Einfluss auf die Unsicherheit der Kalibrierung hat.

Dieser Einfluss ist darin begründet, dass ein Sensor Messungen innerhalb der Bohrung (des Zylinders) ausführen muss und sich daraus folgend die mechanische Stabilität eines zu realisierenden Messaufbaus verringert, je größer das Aspektverhältnis ist.

Mikro-Bohrungen sind Bohrungen mit Durchmessern von einigen μm bis zu einigen hundert μm. Bei Mikro-Bohrungen gilt ein Aspektverhältnis ab ca. 5 als hoch. Mikro-Bohrungen werden in vielen Bereichen der Industrie eingesetzt. Beispiele sind Einspritzdüsen in Kraftstoff-Einspritzsystemen der Automobilindustrie, Komponenten in der Mikrosystemtechnik und Ziehsteine bzw. Ziehdüsen in der Draht- bzw. Textilindustrie. Die Qualität dieser gefertigten Mikro-Bohrungen hat dabei vielfach einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität bzw. Funktion der Produkte. So ist die Effektivität der Kraftstoffverbrennung und demzufolge der Verbrauch in Motoren abhängig von der Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs. Diese Verteilung ist wiederum abhängig von der Form und den Durchmessern der Einspritzdüsen. Weiterhin sind Dicke und Form von gezogenen Drähten oder Fasern abhängig von der Qualität der verwendeten Düsen oder Ziehsteine. Bei der Herstellung von Fasern mit Hilfe von sogenannten Mehrlochdüsen ist die Gleichmäßigkeit der Länge der verschiedenen Kapillarbohrungen wsentlich für die _Gleichmäßigkeit des Garns ( US 2 770 987 A . Es ist ein Verfahren bekannt ( DE 1 527 539 C ), mit dem eine gleichmäßige Länge von verschiedenen auf einer Mehrlochdüse angeordneten Kapillarbohrungen mit hoher Genauigkeit hergestellt und gemessen werden kann. Mit dem Verfahren wird jedoch nicht erreicht, dass die unterschiedlichen Kapillarbohrungen den gleichen Durchmesser haben, noch darüber hinaus, dass die Durchmesser der hergestellten Kapillarbohrungen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. In der Mikrosystemtechnik entscheidet die Passfähigkeit von Bauteilen über die Funktionsfähigkeit z. B. von entsprechend kleinen Motoren oder Getrieben. Die dimensionelle Messung von Durchmesser und Form von Mikro-Bohrungen mit geeigneten Messgeräten ist daher in vielen Industriezweigen wichtig und wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen.

Nach dem Stand der Technik wird unterschieden zwischen Messgeräten (A) für Mikrobohrungen mit geringem Aspektverhältnis (Bohrungen geringer Tiefe, z. B. in Folien oder dünnen Blechen) und Messgeräten (B) für Mikrobohrungen mit hohem Aspektverhältnis (Bohrungen mit großer Tiefe, z. B. Düsen oder Ziehsteine).

Die Messgeräte (A) verwenden überwiegend optische Messverfahren, bei denen die Bohrung mit Durchlicht oder Auflicht gemessen wird. Dimensionelle Prüfkörper für die Prüfung dieser Messgeräte (A) können entsprechend lithografisch erzeugte Strukturen sein, z. B. Chrom-auf-Glas-Kreise, die mit hinreichend geringer Messunsicherheit auf speziellen Messgeräten, z. B. Masken-Komparatoren kalibriert werden.

Die Messgeräte (B) verwenden Messverfahren, bei denen ein Sensor in die Bohrung eintaucht, um direkt an der Bohrungswand zu messen. Um die Ähnlichkeitsbedingungen bei der Prüfung und der Anwendung einzuhalten, müssen dimensionelle Prüfkörper für die Prüfung dieser Messgeräte (B) in ihren Abmessungen den zu messenden Mikro-Bohrungen entsprechen. Prüfkörper für Mikro-Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis sind nach dem Stand der Technik jedoch nicht bekannt.

Es ist bekannt, dass für dimensionelle Messungen an Mikrobohrungen mit hohem Aspektverhältnis die genannten optischen Messgeräte (A) nicht geeignet sind. Eine. Messung mit Auflicht ist nur an der oberen Kante der Bohrung möglich und bringt daher keine Informationen über die eigentliche Bohrung. Eine Messung mit Durchlicht bringt nur Informationen über die schmalste Stelle der Bohrung. Darüber hinaus werden diese Durchlicht-Messungen mit zunehmendem Aspektverhältnis verfälscht. Ursache hierfür ist, dass bei einer derartigen Messung neben der scharfen Abbildung des Bohrungsquerschnittes in der Bildebene zusätzlich eine unscharfe Abbildung der Bohrungsquerschnitte oberhalb und unterhalb der Bildebene erfolgt.

Es ist bekannt, dass die Querschnittsfläche von Mikro-Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis („Mikrolochungen") mit einem Verfahren gemessen werden können, bei dem die Mikro-Bohrung und ein als Doppelkegel ausgeführter Kalibrierkörper gepaart werden ( DE 100 64 847 C1 ). Dieser Kalibrierkörper weist als Funktionselement ein quasi scheibenförmiges Element mit bekannter Querschnittsfläche auf, das durch die Grundfläche der beiden Kegel gebildet wird. Aus der bekannten Querschnittsfläche und den bei dieser Paarung in Abhängigkeit von der Passung entstehenden und mit einem Kraftsensor ermittelten Reibkräften zwischen der Innenwandung der Mikro-Bohrung und dem scheibenförmigen Element des Kalibrierkörpers wird auf die Querschnittsfläche der Mikro-Bohrung geschlossen. Da die Reibung zwischen der Mikro-Bohrung und dem Kalibrierkörper wesentlich von der Rauheit, der Materialkombination und Verunreinigungen wie z. B. Schmierfilmen abhängt, müssen diese Parameter prinzipiell für eine solcher Art durchgeführte Messung der Dimension einer Mikro-Bohrung berücksichtigt und demzufolge bestimmt werden. Nach dem Stand der Technik ist es nicht möglich, die Rauheit in Mikro-Bohrungen hinreichend genau zu messen. Aus diesem Grund ist das Verfahren allenfalls geeignet, Änderungen der Dimension entlang einer Bohrung abzuschätzen, ohne für den Einsatz als Prüfkörper notwendige hinreichend genaue Aussagen über die Dimension selbst zu liefern. Darüber hinaus führt die resultierende Reibung zwischen der Innenwandung der Bohrung und dem Kalibrierkörper sehr wahrscheinlich zu Beschädigungen an beiden Elementen, wobei Beschädigungen an der Innenwandung nachträglich nicht mehr festgestellt werden können. Die Unversehrtheit und Stabilität von Dimension und Form sind jedoch wesentliche allgemeine Ansprüche an Prüfkörper. Diese Ansprüche können mit diesem Messverfahren daher nicht gewährleistet werden, so dass das Verfahren nicht für die Kalibrierung von Prüfkörpern geeignet ist.

Es ist weiterhin bekannt, dass dimensionelle Messungen an Mikro-Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis nach dem Stand der Technik mit einem opto-taktilen Sensor ausgeführt werden können (WO 9857121 A1, DE 19805892 A1 . Bei diesem Sensor tastet eine an einer Glasfaser befestigte und beleuchtete Kugel die Bohrungswand an. Die Verschiebung der Kugel bei Antastung der Bohrungswand wird über den Leuchtfleck von einer CCD-Kamera gemessen. Allerdings treten bei Messungen mit dem opto-taktilen Sensor mit zunehmender Tiefe der Mikro-Bohrungen signifikante Messabweichungen auf. Diese Messabweichungen sind vorwiegend auf die Begrenzung der Apertur (freien Öffnung) des Abbildungsstrahlenganges durch die Bohrung zurückzuführen. Hierdurch ergibt sich bei zunehmender Eintauchtiefe in die Bohrung sowohl eine Verringerung der Leuchtintensität der Kugel als auch eine Änderung der detektierten Kugelposition und -dimension (Durchmesser und Form). Diese systematischen Messabweichungen können mit einem Prüfkörper bestimmt werden, der eine Mikro-Bohrung mit entsprechend hohem Aspektverhältnis verkörpert, deren Durchmesser und Formabweichungen in verschiedenen Tiefen mit hinreichender Genauigkeit kalibriert ist. Nach dem Stand der Technik existiert ein solcher Prüfkörper nicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern für Messgeräte für Mikro-Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis zu schaffen, mit dem die Prüfkörper einfach und preiswert herstellbar sowie mit geringer Messunsicherheit kalibrierbar sind.

Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß gelöst durch

– Zusammensetzen von einzelnen kalibrierten Mikro-Bohrungssegmenten mit geringem Aspektverhältnis durch Stapeln zu einem Prüfkörper, der eine kalibrierte Mikro-Bohrung mit hohem Aspektverhältnis verkörpert,
– eindeutige Definition der Lage der Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis in dem Prüfkörper zueinander durch Bezugselemente,
– vorhergehende Kalibrierung des Durchmessers und der Form der einzelnen Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis mit bekannten Verfahren und
– Ableitung des Durchmessers und der Form innerhalb der verschiedenen Tiefen der Mikro-Bohrung mit hohem Aspektverhältnis aus den Kalibrierwerten für Durchmesser und Form der einzelnen Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 2 und 3 ermöglicht es, dass die Mikro-Bohrungssegmente an Hand von geeigneten Bezugselementen definiert zu einem Prüfkörper zusammengesetzt werden können. Darüber hinaus ermöglicht die Weiterbildung, Abweichungen beim Zusammensetzen nachträglich an Hand der Bezugselemente zu ermitteln und rechnerisch zu korrigieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Prüfkörpers für die Überprüfung von Messgeräten für Mikro-Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis.
Zur Herstellung des Prüfkörpers wird zunächst ein Stapel (1) gebildet. Die Teile dieses Stapels sind Mikro-Bohrungssegmente (4 .. n) mit geringem Aspektverhältnis, die vorteilhaft gemeinsam bearbeitet werden. Diese Mikro-Bohrungssegmente (4 .. n) haben Bezugselemente (4* .. n*), die in der vorliegenden Ausführungsform Bohrungen sind und vorteilhaft gemeinsam mit den Mikro-Bohrungssegmenten (4 .. n) bearbeitet werden. Es sind weitere Ausführungsformen z. B. mit bearbeiteten seitlichen Flächen als Bezugselemente möglich.
Die Lage der Mikro-Bohrungssegmente zueinander ist dabei durch diese Bezugselemente eindeutig definiert. Beim Zusammenfügen des Stapels (1) werden die kalibrierten Mikro-Bohrungssegmente (4 .. n) durch eine geeignete Passung der Bezugsbohrungen (4* .. n*) und von Zylinderstiften (3) in eine definierte Lage gebracht.
Die kalibrierten Durchmesser d₁(h₁) ... d_n(h_n) sind jeweils eine der Messgrößen an den einzelnen Mikro-Bohrungssegmenten (4 .. n). Die Werte dieser Durchmesser werden auf die Durchmesser d(h) des Prüfkörpers (2) in verschiedenen Tiefen übertragen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern für die Überprüfung von Messgeräten für Mikro-Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis, dadurch gekennzeichnet, – dass einzelne kalibrierte Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis durch Stapeln zu einem Prüfkörper zusammengesetzt werden, der eine kalibrierte Mikro-Bohrung mit hohem Aspektverhältnis verkörpert, – dass die Lage der Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis in dem Prüfkörper zueinander durch Bezugselemente eindeutig definiert ist, – dass der Durchmesser und die Form der einzelnen Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis zuvor mit bekannten Verfahren kalibriert wurde und – dass der Durchmesser und die Form in den verschiedenen Tiefen der Mikro-Bohrung mit hohem Aspektverhältnis aus den jeweiligen Kalibrierwerten für Durchmesser und Form der einzelnen Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis in einem gemeinsamen Bearbeitungsprozess hergestellt werden, – dass die Bezugselemente zu den Mikro-Bohrungssegmenten mit geringem Aspektverhältnis in einem gemeinsamen Bearbeitungsprozess hergestellt werden, – dass die Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis an Hand der Bezugselemente definiert zusammengesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Lage der Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis in dem Prüfkörper zueinander an Hand der Bezugselemente kalibriert wird, – dass die kalibrierte Lage der Mikro-Bohrungssegmente mit geringem Aspektverhältnis in dem Prüfkörper zueinander nachträglich zur rechnerischen Korrektur von Durchmesser und Form dieses Prüfkörpers verwendet wird.