Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Dimensionelle Metrologie
Koordinatenmessgerät
KMG
Mikrotechnik
3D-Taster
3D-Manipulator
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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Dimensional Metrology
coordinate measuring machine
CMM
microtechnology
3D-probe
3D-manipulator.
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Eine kleine Koordinatenmessmaschine (µ-CMM) für Objekte der Grösse 0.1 mm bis ca. 20 mm soll entwickelt und gebaut werden. Für Messungen an solchen Objekten gibt es Anfragen aus dem Bereich der Mikrotechnik. Ziel ist es, der Industrie und Forschung künftig hochstehende dimensionelle Kalibrier- und Messdienstleistungen an Kleinstteilen anbieten zu können.
Um keine Oberflächendeformationen zu erzeugen, müssen bei der mechanischen Antastung die Kräfte zwingend unter einem mN liegen, d.h. ca. 100 mal kleiner sein als bei kommerziellen Tastern. In vergleichbaren Projekten anderer NMIs war der Tastkopf das kritische Element und bisher ist keine befriedigende Lösung gefunden worden. Innerhalb eines TopNano21 Projektes haben wir zusammen mit der EPFL und Mecartex einen geeigneten Tastkopf entwickeln können. Der Tastkopf ist eine echte Innovation und erste Testmessungen waren äusserst befriedigend (5 nm Antastvariation).
Basis jeder Koordinatenmessmaschine ist ein numerisch gesteuerter 3D Manipulator (3 kartesi-che Verschiebungsachsen mit hochgenauen Metrologiesystemen). Philips CFT (Center for Manufacturing Technology) hat im Rahmen eines 4-jährigen Projektes, begleitet von einer Doktorarbeit, einen metrologisch einwandfrei aufgebauten 3D-Manipulator entwickelt. Dieser Manipulator bietet einige äusserst innovative Konzepte und könnte, kombiniert mit unserem Taster und unseren guten Laborbedingungen, zu einer bezüglich Genauigkeit wohl kaum zu übertreffenden µ-CMM entwickelt werden.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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A small coordinate measuring machine (µ-CMM) for objects with a size between 0.1 mm to about 20 mm shall be developed and built. There is a demand for dimensional measurements on such objects emerging from the field of micro-technology. The goal is to provide in the near future dimensional measurement and calibration services on small parts for industry and research.
To avoid deformations at the surface the forces for mechanical probings must remain below one mN, i.e. about 100 times smaller than with commercial probes. In comparable projects of other NMIs ,the probe head was the critical element and no adequate solution has been found so far. Within a TopNano21 project, together with the EPFL and Mecartex, we were able to develop a suitable probe head. The probe head is a true innovation and first test measurements were most satisfactory (5 nm probing variation).
The basis of all coordinate measuring machines is a numerically controlled 3D manipulator (3 Cartesian displacements with high precision measuring systems). Within a 4-year project, which was accompanied by a thesis, Philips CFT (Center for Manufacturing Technology) has developed a metrologically impeccable 3D manipulator. This manipulator includes some really innovative concepts and could, combined with our probe and our excellent laboratory conditions, lead to a µ-CMM with an unprecedented precision.
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Projektziele
(Deutsch)
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Es soll eine neue Koordinatenmessmaschine (CMM) für Teile der Mikrotechnik entwickelt werden. Sie soll in der Lage sein, sehr kleine Flächen anzutasten und kleinste Löcher (ab Ø 0.1 mm bis zu 2 mm Tiefe) und feine Rillen auszumessen. Ein Videomikroskop soll die Messung unterstützen. Die Messunsicherheit soll gegenüber herkömmlichen CMMs eine Grössenordnung besser sein, d.h. kleiner als 0.1 µm. Um keine bleibenden Oberflächendeformationen zu erzeugen, müssen die Tastkräfte zwingend unter einem mN liegen, d.h. ca. 100 mal kleiner sein als bei kommerziellen Tastern.
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Projektziele
(Englisch)
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A new coordinate measuring machine (CMM) for objects from the field of microtechnology shall be developed. The machine shall be capable of probings on very small surfaces and measure small holes (from Ø 0.1 mm and up to 2 mm depth) and narrow grooves. A video microscope shall assist the measurements. The measurement uncertainty shall be smaller with respect to conventional CMMs by an order of magnitude, i.e. below 0.1 µm. To avoid plastic deformations at the surface the probing forces must remain below one mN, i.e. about 100 times smaller than with commercial probes.
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Abstract
(Deutsch)
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Die Entwicklung einer Mikro-Koordinatenmessmaschine (µ-CMM) für die hochgenaue dreidimensionale Vermessung von Kleinstteilen war erfolgreich. Alle Elemente der µ-CMM sind betriebsbereit, insbesondere der interferometrische 3D-Verschiebetisch, der 3D Tastkopf mit kleinsten Antastkugeln sowie die Controllersoftware mit dem QUINDOS-Interface welches zum Programmieren der µ-CMM sowie der Datenauswertung dient.
Erreichte technische Daten:
Messvolumen: 80 mm x 80 mm x 40 mm
Positionsmessung: 3-achsiges Heterodyn-Laserinterferometer
Tastkopf: Messender 3D Tastkopf
Tastkopfmessbereich: 3 x ± 150 µm
Kleinster Tastkugeldurchmesser: 125 µm
Tastkraft: < 1 mN, isotrop
Steuerung: 3D Bahnsteuerung, QUINDOS Interface
Betriebsarten: Punktantastung, geregeltes Freiform-Scanning
Positioniergenauigkeit (1s): Q(30 nm, 5·10-7·x, 5·10-7·y, 5·10-7·z)
Antastwiederholbarkeit (1s): 5 nm, Einzelmesspunkt
Gesamtgenauigkeit (1s): Q(50 nm, 5·10-7·x, 5·10-7·y, 5·10-7·z) (inkl. Tasterform)
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Abstract
(Englisch)
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The development of a micro coordinate measuring machine (µ-CMM) used for precise three dimensional measurements on small parts was successful. All components of the µ-CMM are ready to use particularly the interferometric 3D displacement stage, the 3D probe head with smallest probing spheres as well as the controller software with the interface to QUINDOS used to program the µ-CMM and to evaluate the measurement data.
Obtained technical performance:
Measuring volume: 80 mm x 80 mm x 40 mm
Position measurement: 3-axis heterodyne-laser interferometer
Probe head: measuring 3D probe head
Probe head measurement range: 3 x ± 150 µm
Smallest probing sphere diameter: 125 µm
Probing force: < 1 mN, isotropic
Control: 3D track control, QUINDOS Interface
Operating modes: point probing, closed loop freeform-scanning
Positioning accuracy (1s): Q(30 nm, 5·10-7·x, 5·10-7·y, 5·10-7·z)
Probing repeatability (1s): 5 nm, single point
Overall uncertainty (1s): Q(50 nm, 5·10-7·x, 5·10-7·y, 5·10-7·z) (incl. probe shape)
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Das METAS ist nun in der Lage, neue Dienstleistungen im Bereich der dimensionellen Metrologie anzubieten. Die Möglichkeiten, Mikroteile nanometergenau zu vermessen, sind einzigartig. Erste Messungen für Kunden sind bereits erfolgt. Besonders erwähnenswert ist die Charakterisierung einer Blende eines Strahlungsmessgerätes für ein Satellitenprojekt des Weltstrahlungszentrums in Davos (pmod/wrc), welche eine noch genauere Bestimmung der Solarkonstanten erlauben wird.
Die Nachfrage für solche Messungen wird sich nach der Publikation im Dienstleistungskatalog des METAS verstärken. Jeder neue Auftrag wird unsere Erfahrungen weiter vergrössern. Diese Erfahrung soll zukünftig durch Seminare und Kurse an Koordinatenmessgeräteanwender weitergegeben werden.
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Umsetzung und Anwendungen
(Englisch)
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METAS is now able to offer new services in the field of dimensional metrology. The possibility to measure micro components with nanometric accuracy is unique. Measurements for customers were already made. Especially worth mentioning is the characterization of the aperture of a radiometer for a satellite project where the World Radiation Center in Davos is involved. The project aims at an improved determination of the solar constant.
The demand for such measurements will increase as soon as they will be offered in our service catalogue. Each new order will enlarge our know-how further. In the future, this know-how shall be transferred to users of coordinate measuring machines by means of seminars and courses.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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"Performance of a low force 3D touch probe on an ultraprecision CMM for small parts"
Felix Meli and Alain Küng, Proceedings of euspen 4th Int. Conference on Precision Engineering and Nanotechnology, 2004, Glasgow, UK, p. 270-271.
"Self calibration method for 3D roundness of spheres using an ultraprecision coordinate measuring machine"
A. Küng and F. Meli, Proceedings of the 5th Int. Conf. of the European Soc. for Precision Engineering and Nanotechnology (euspen), May 2005, Montpellier, France, p. 193-196.
"Ultra precision micro-CMM using a low force 3D touch probe"
F. Meli, A. Küng, R. Thalmann, Proceedings of SPIE, Conf. on Recent Developments in Traceable Dimensional Measurements III, Vol. 5879, 2005, p. 240-247.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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"Performance of a low force 3D touch probe on an ultraprecision CMM for small parts"
Felix Meli and Alain Küng, Proceedings of euspen 4th Int. Conference on Precision Engineering and Nanotechnology, 2004, Glasgow, UK, p. 270-271.
"Self calibration method for 3D roundness of spheres using an ultraprecision coordinate measuring machine"
A. Küng and F. Meli, Proceedings of the 5th Int. Conf. of the European Soc. for Precision Engineering and Nanotechnology (euspen), May 2005, Montpellier, France, p. 193-196.
"Ultra precision micro-CMM using a low force 3D touch probe"
F. Meli, A. Küng, R. Thalmann, Proceedings of SPIE, Conf. on Recent Developments in Traceable Dimensional Measurements III, Vol. 5879, 2005, p. 240-247.
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