Dynamisch, berührungslos und Nanometergenau

Neuer mikrooptischer Abstandssensor ermöglicht deutlich bessere Qualitätssicherung in der industriellen Serienproduktion, insbesondere im Präzisionsmaschinenbau.

Je präziser ein Bauteil, umso wichtiger wird die fertigungsnahe Qualitätskontrolle. Dabei spielen heutzutage geometrische Messverfahren eine bedeutende Rolle. Wenn beispielsweise Einspritzdüsen für Dieselfahrzeuge hergestellt werden, steht die Automobilindustrie derzeit vor hohen Anforderungen. Die Formtreue dieser kleinen, hochpräzisen Bauteile mit winzigen Bohrungen kann mit bisherigen Messverfahren nur ungenügend gewährleistet werden – Ausschuss ist vorprogrammiert. Die im Fertigungsprozess eingesetzten taktilen Tastsysteme benötigen relativ viel Zeit und müssen mit geringsten Antastkräften arbeiten, damit sie sich in den engen Bohrungen nicht verbiegen und so zu ungenauen Ergebnissen führen.

Ein auf optischen Prinzipien beruhender miniaturisierter Sensor verspricht jetzt spürbare Verbesserungen: Das System basiert auf einem konfokal-chromatischen Punktsensor, bestehend aus einer mikrooptischen Sonde geringer Masse, die auch in Bohrungen kleiner 1,5 mm eingeführt werden kann.

Als Lichtquelle dient eine Superlumineszenzdiode (Nahinfrarot), die in eine lichtleitende Faser eingekoppelt wird. Am Ende der optischen Faser befindet sich der Sensorkopf mit Mikroobjektiv, das, obwohl mit allen für die Messung von Abstandsänderungen erforderlichen optischen Komponenten, kleiner als eine Kugelschreibermine ist.

Je nach Messaufgabe, kann der Aufbau variiert werden: Für die Vermessung von Geometrien komplexer Flächen, wie z.B. asphärischer Linsen oder Freiformoptiken, erfolgt die Abstandsmessung in Faserrichtung. Für die Messung von Rundheiten oder die Zylindrizität einer Bohrung, wird der Lichtstrahl im Sensorkopf um 90° umgelenkt. Dem begrenzenden Verhältnis von Messbereich zu Auflösung kann durch eine dynamische Nachführung des Sensors begegnet werden. Mit dem Sensor können selbst Differenzen im Nanometerbereich genau detektiert werden.

Der serientaugliche „Hybride mikrooptische Sensor“ findet mögliche Anwendungsbereiche neben dem erwähnten Automobilbau vor allem im Präzisionsmaschinenbau, in der optischen Industrie sowie in der Mikrosystemtechnik. Er wurde im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes HymoSens realisiert und während des neu installierten PhotonicNet-Arbeitskreises „Optische Sensorik zur Geometrieerfassung“ Ende März in Göttingen vorgestellt.

Die Koordination von HymoSens lag bei dem bekannten Messtechnikspezialisten Mahr, der plant, das Sensorsystem in verschiedene spezialisierte Messsysteme des Unternehmens zu integrieren. Industriepartner Boehringer Ingelheim microParts wird an die jeweilige Messaufgabe angepasste Mikrospektrometer, die in modifizierter Form auch für medizinische Anwendungen eingesetzt werden können, liefern. Forschungspartner waren das Institut für Mikrostrukturtechnik am Forschungszentrum Karlsruhe sowie das Institut für Technische Optik an der Universität Stuttgart.

Das miniaturisierte Messprinzip mit umgelenktem Lichtstrahl, ergänzt durch die dynamische Nachführung der Sonde wurde inzwischen zum internationalen Patent angemeldet.

Kontakt:
Mahr GmbH, R&D Advanced Technologies
Dr.-Ing. Peter Lehmann
Brauweg 38
37073 Göttingen
Phone: +49 (0)551 7073 568 / Fax: +49 (0)551 7073 421
Mail: peter.lehmann@mahr.de

PhotonicNet kurz notiert: PhotonicNet ist eines von neun regional organisierten Kompetenznetzen für Optische Technologien (OT) in Deutschland. Angebote wie bundesweit organisierte Foren und Arbeitskreise zu aktuellen Technologie-Themen, Informationsmanagement, Begleitung von Forschungsanträgen, Beratung von Start-Up Unternehmen und Vermittlung von Know-how sind wichtige Kernaufgaben des Teams um Geschäftsführer Dr. Hans-Jürgen Hartmann. PhotonicNet wird bis 2008 vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt. Darüber hinaus fördern derzeit die niedersächsischen Ministerien für Wissenschaft und Kultur sowie für Wirtschaft das Netzwerk.