Interferometrische Messtechnik in der industriellen Fertigung von der Idee bis zum praktischen Einsatz

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1 Interferometrische Messtechnik in der industriellen Fertigung von der Idee bis zum praktischen Einsatz Innovationsforum Photonik am 12. Mai in Glosar Verleihung Keiser-Friedrich-Forschungspreis 2009 Pawel Drabarek Robert Bosch GmbH, Stuttgart 1

2 Theorie Grundlagen Interferometrie Jahr 1881 Referenzobjekt Messobjekt Abbildungsoptik Lichtquelle Strahlteiler Kamera Michelson-Typ-Interferometer für Ebenheitsmessung Albert-Abraham Michelson ( Wikipedia ) Streifenmuster trägt die Information über die Form aber Berg oder Tal? 2

3 Die Veröffentlichung Phasen-Interferometrie Jahr 1981 J.H. J.H. Bruning, D.R. D.R. Herriott, J.E. J.E. Gallagher, D.P. D.P. Rosenfeld, A.D. A.D. White, DJ. DJ. Brangaccio: "Digital Wavefront Measuring Interferometer for for Testing Optical Surfaces and and Lenses" Applied Optics, Vol. Vol No No 11, 11, November

4 Vision Nomarski Heterodyn -Interferometer Jahr Photodioden im Interferenzfeld Laboraufbau Phasenmodulation Elektrisches Signale Phasendifferenz ~ Abstanddifferenz 360 = 0,3 μm -> 1 = 8 nm

5 Technische Revolution Personal Computer Jahr 1982 Sinclair ZX Spectrum Interferometrisch gemessene 3D Profil 5

6 Herausforderung Typische Messaufgaben in der Automobilindustrie Jahr 1986 Kegel: - Winkel - Geradheit - Kegelform Zylinder: - Rundheit - Geradheit - Parallelität - Durchmesser Kegel und Zylinder: -Kante -Rundlauf - Abstand zur Stirnfläche Durchmesser/Form/Position: - kleine Bohrungen - kleine Strukturen ca. Ø 0,1-4 mm ca mm Mikro-Bohrung Ø 100 μm Herausforderung: T < 2 μm Rz < 4 μm 6

7 Richtlinien Formtoleranz, Messunsicherheit, Auflösung Jahr 1986 wahrer Wert -Unsicherheit +Unsicherheit Streuung mit 1 Messunsicherheit Messunsicherheit U 10% T Auflösung 1 1% T T 0,5µm Auflösung 5nm Toleranz UntereSpezifikationsGrenze ObereSpezifikationsGrenze Literatur: Edgar Dietrich, Alfred Schulze, Eignungsnachweis von Prüfprozessen 2003 Carl Hanser Verlag 7

8 Die Idee 2 Interferometer Referenzobjekt Jahr 1986 Messobjekt Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen spektrales Element Photodetektor 1 Photodetektor 2 A.F. A.F. Fercher, Fercher, U. U. Vry: Vry: Two-wavelength Two-wavelength speckle speckle interferometric interferometric technique technique for for rough rough surface surface contour contour measurement" measurement" Optical Optical Engineering, Engineering, May May 1986, 1986, Vol.25 Vol.25 No.5. No λ 1 488µm und λ µm Λ 22µm Absoluter Messbereich μm μm!! 8

9 Erster Versuchsaufbau 2 Heterodyn-Interferometer mit Argon-Laser Jahr 1988 Laboraufbau: 1= 488 nm, 2=477 nm, =22 μm 9

10 Zweiter Versuchsaufbau 2 Heterodyn-Interferometer mit Laserdioden Jahr 1990 Geradheit und Winkelmessung Komponenten der Messeinheit 1=790 nm, 2=830 nm, =16 μm Erreichte Flächigkeit für für Geradheitstoleranz: T= T= nur nur 5 μm μm 10

11 Der Durchbruch Jahr 1997 Kurzkohärentes, zweiwellenlängen, Heterodyn-Interefrometer Modulations - Interferometer Verzögerungsstrecke Objekt Messsonde Kurzkohärente Lichtquelle: Superlumineszenz-Diode Akusto-Optisches Modulator PC Photodioden Phasenmessgerät Laboraufbau 11

12 Die Formmessmaschine Jahr 2005 WhitePoint und Formmessmaschine MFU110WP Fa. Mahr Interferometrisches Tastsystem WhitePoint MFU110WP, Fa. Mahr Erreichte Flächigkeit für für Geradheitstoleranz T= T= 0,5 0,5 μm μm 12 Einsatz in der Fertigung

13 Praktischer Einsatz Vermessung von Zylinder und Kegel Jahr 2006 Messung Zylinder und Kegel berührungslos mit einem Taster Tasterschwenken, Tastkugelkorrektur entfällt Messaufbau 90 Ausgang 45 Ausgang Kegel Zylinder 13

14 Praktischer Einsatz Vermessung von Rattermarken Jahr 2006 MFU110WP FFT analysis Amplitude Geräuschverursacher Messaufbau Raumfrequenz 14

15 Praktischer Einsatz Jahr 2006 Messung an einem Kommutator eines Elektromotors Geräuschquellen Messaufbau Profile Rundheit 15

16 Praktischer Einsatz Vermessungen von dünnen Röhrchen Ø0,6 mm Abmessungen: ID 1,15 mm AD 1,64 mm Ø Tastarm: 0,6 mm Messtiefe: 10 mm Jahr 2007 innen Messaufbau aussen Wandstärkevariation 16

17 Praktischer Einsatz Einsatz MFU110WP bei PTB Jahr 2008 Quelle: Quelle: Otto Otto Jusko, Jusko, Helge Helge Reimann, Reimann, PTB PTB Braunschweig Braunschweig Mahr Mahr Technologietag Technologietag

18 Praktischer Einsatz Vermessung von PTB Mikrobohrungsnormal Ø 130 μm Jahr 2008 Skizze des PTB-Mikrobohrungsnormals Patentschrift DE B3 Altera Nano, Fa. Mycrona 35 μm 18 Fasertastarm Messergebnisse

19 Praktischer Einsatz Vergleich optische und taktile Messung Jahr 2009 Interferometrische Maschine FMS

20 Zusammenfassung Zusammenfassung