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Messtaster im Dienst der Grundlagenforschung

Präzisionsfertigung zum Verifizieren physikalischer Grundgesetze
Messtaster im Dienst der Grundlagenforschung

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Aufgrund erweiterter Theorien über kleinste Teilchen stellen einige Physiker derzeit die Gleichheit von träger und schwerer Masse in Frage. Um ihre Vorhersagen zu prüfen, haben Fertigungsspezialisten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig Testmassen in Zylinderform bei Genauigkeiten von 2 bis 3 µm in allen geometrischen Merkmalen gefertigt. Dies war allein durch Komplettbearbeitung auf einer Präzisionsdrehmaschine und Inline-Messung mit einem Messtaster realisierbar.

Bei Genauigkeiten im Bereich von 2 bis 3 µm zu fertigen, erscheint Technikern derzeit als durchaus realistisch. Doch Dr. Daniel Hagedorn, Projektleiter und Leiter der Arbeitsgruppe Oberflächentechnologie an der PTB, schränkt ein: „In nur einer oder zwei Richtungen auf 2 bis 3 Mikrometer Genauigkeit zu positionieren, ist für heutige Maschinen sicher unproblematisch. Aber für unsere Testmassen benötigen wir in allen drei Raumrichtungen eine solche hohe Genauigkeit. Und dies nicht nur bezogen auf einzelne Positionen, sondern auf Ebenen, Zylinderflächen und Winkel.“

Für das Weltraumprojekt Microscope (siehe Kasten) sollte die PTB insgesamt zehn zylindrische Testmassen anfertigen. Diese sind etwa 80 mm lang. Die größeren haben außen 70 mm, die kleineren außen etwa 35 mm Durchmesser. Sie bestehen aus Platin-Rhodium (PtRh10) sowie aus Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung (TiAl4V6). Zum Experiment werden sie in einem differentiellen Accelerometer axial ineinander geschoben. Dann liegt der Trägheitsschwerpunkt beider Zylinder auf einer gemeinsamen Achse. Die beiden Zylinder aus PtRh10 dienen als Referenz, bei den beiden anderen aus unterschiedlichen Werkstoffen sollen Beschleunigungsmessungen zeigen, ob der Grundsatz der Gleichheit schwerer und träger Masse auch bei Messauflösungen im Bereich 10-15 gilt.
Nur komplett in einer Aufspannung zu fertigen
Das Anfertigen der benötigten Testmassen in den geforderten Genauigkeiten erwies sich allerdings als eine besonders große Herausforderung. Zunächst waren mehrere Optimierungen der Bearbeitungswerkzeuge erforderlich. Denn insbesondere die Platin-Rhodium-Legierung neigt zu Ausbrüchen einzelner Körner beim Drehen mit üblichen Werkzeugen. Das ergibt allerdings unbrauchbare Oberflächen. Speziell erodierte Diamantwerkzeuge sorgten schließlich für prozesssicheres Bearbeiten bei hohen Rauheiten kleiner 0,2 µm.
Wie die Mitarbeiter des wissenschaftlichen Gerätebaus, Heinz-Peter Heyne und Stephan Metschke, schnell erkannten, kann man die geforderten Genauigkeiten nur beim Komplettbearbeiten ohne Auf- und Abspannen der Werkstücke einhalten. Deshalb sollten die Hohlzylinder komplett auf einer Präzisionsdrehmaschine TNI Preciline von Carl Benzinger bearbeitet werden. Auch das Messen einzelner Geometrien erfolgte zwischen den Fertigungsschritten auf der Maschine und damit ohne Auf- und Abspannen der Werkstücke. Trotz einer hochgenauen Spannvorrichtung und sorgfältiger Arbeit ergeben sich aus wiederholten Spannvorgängen Ungenauigkeiten bis zu 0,01 mm.
Zum Komplettbearbeiten auf Fertigmaß benötigten die Spezialisten am PTB allerdings ein Messverfahren, um direkt auf der Maschine im Bearbeitungsprozess hochgenau zu messen. Entscheidend ist, die Unsicherheit und die Ungenauigkeit auszuschließen, die aus der gemeinsamen Basis beim Bearbeiten und beim Messen resultiert. Wie Hagedorn berichtet, hat er dafür zunächst industrielle Messgeräte unterschiedlicher Hersteller geprüft. Vor allem hat er die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit der Messergebnisse beim Messen im Arbeitsraum der Drehmaschine verglichen und bewertet. „Schließlich erkannten wir, dass nur ein hochgenauer Messtaster wie der OMP400 von Renishaw die Forderungen erfüllen kann.“
Nach Verifizieren auf 1 µm genau
Dieser Messtaster arbeitet mit einem Messsystem auf Basis von Dehnmessstreifen. So reagiert der Messtaster bereits auf kleinste Antastkräfte. Zudem entfallen Rückstellkräfte. Ebenso wird die übliche Hysterese minimiert. Somit erreicht der Messtaster problemlos Genauigkeiten kleiner 5 µm. Eine spezielle Messroutine verhindert Ungenauigkeiten durch zu schnelles Antasten. Erkennt die Software störende Schwingungen des Messtasters, verhindert sie das Antasten beziehungsweise Aufnehmen eines Messwerts. Wie Heyne berichtet, kann man vertrauenswürdige Messdaten ohnehin nur bei sehr langsamem Anfahren der Messpositionen erfassen. Mit einigen zusätzlichen Maßnahmen hat er die Wiederholgenauigkeit des Messtasters zuverlässig auf etwa 1 µm eingegrenzt.
Aufgenommene Messdaten überträgt der Messtaster optisch und somit drahtlos an einen Empfänger im Arbeitsraum der Drehmaschine. Die CNC-Steuerung übernimmt die Messdaten über ein Interface, um den weiteren Bearbeitungsablauf nachzusteuern. Zusätzlich haben PTB-Mitarbeiter eine spezielle Software verwirklicht, um die Messwerte auf einen Server zu übertragen, auszuwerten und zu dokumentieren.
In einem aufwändigen Verfahren verifizierten die Spezialisten der PTB das Messen mit dem OMP400 auf der Präzisionsdrehmaschine. Nach dem Bearbeiten einiger Konturen wurde auf der Maschine und anschließend auf einer Koordinatenmessmaschine gemessen. Unabhängig davon wurden kalibrierte Normale sowohl auf der Bearbeitungsmaschine mit dem Messtaster wie auch auf dem externen Koordinatenmessgerät ermittelt.
Aus dem Vergleich sämtlicher Messergebnisse ergeben sich Kompensationsdaten. Mit diesen wird die CNC-Steuerung der Präzisionsdrehmaschine beim Antasten mit dem Messtaster im Arbeitsraum beziehungsweise beim Bearbeiten von Konturen korrigiert. Wie Vergleiche mehrerer Werkstücke mit Messungen auf der Koordinatenmessmaschine schließlich zeigten, kann man nach diesem Justieren des Messtasters und Kompensieren der Messvorgänge auf der Drehmaschine im Bearbeitungsablauf bei Genauigkeiten von 1 µm messen.
Um die Rundheit und den Durchmesser zu messen, erfasst der Messtaster mehr als dreißig Messpunkte über der Kreisform. Die Zylindrizität wird nach diesem Muster anhand von fünf solcher Kreismessungen über der Länge der Zylinder gemessen. Besonders schwierig erwies sich das Messen der sechs Kegelsenkungen an den Stirnseiten der Zylinder. Sie dienen als Lagerstellen, wenn die Zylinder im differentiellen Accelerometer aufgenommen werden. Ihre Durchmesser betragen nur 1,2 mm an der größten Stelle. Heyne ließ dafür eine spezielle Siliziumkeramik-Tastkugel mit nur 0,3 mm anfertigen.
Iterativ in mehreren Schritten zum Ziel
Nach Herstellung mehrerer Test- und Vergleichswerkstücke fertigte Heyne die endgültigen Testmassen aus Pt-Rh und TiAl4V6 in einem iterativen Verfahren. Dazu bearbeitete er auf der Präzisionsdrehmaschine den Außendurchmesser in mehreren Schritten auf etwa 0,01 mm Übermaß. Nach Antasten und Aufnehmen der Abmessungen mit dem Messtaster OMP400 schlichtete er dann auf die endgültigen Abmessungen. Dies gelang bereits im ersten Anlauf, wie Hagedorn stolz berichtet: „Wie von uns geplant, haben wir plus/minus 1 Mikrometer Genauigkeit in allen Merkmalen realisiert. Diese hochgenaue Bearbeitung hat wesentlichen Einfluss darauf, ob die Wissenschaftler unter Umständen die Grundlagen der Physik neu überdenken müssen. Entscheidend an unserem Erfolg mitgewirkt haben die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Messtasters OMP400 von Renishaw. Berücksichtigt man die Kosten von mehreren zehntausend Euro allein für die benötigte Rohstoffmenge Platin-Rhodium, sind wir mit diesen Ergebnissen mehr als zufrieden.“
Renishaw GmbH www.renishaw.de
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) www.ptb.de

Äquivalenzprinzip auf dem Prüfstand

Auf Galileo Galileis Postulat von 1636, wonach träge und schwere Massen stets gleich sind, basieren nahezu alle Theorien der modernen Physik, darunter auch die Relativitätstheorie. Das Theorem besagt, dass unabhängig davon, ob eine Schwerkraft oder eine beschleunigende Kraft auf einen massebehafteten Körper wirken, dieser immer gleich reagiert. Vereinfacht ausgedrückt: Ob ein Bleiklotz oder eine Feder im Vakuum zu Boden fallen – sie benötigen die gleiche Zeit vom Beginn der Beschleunigung bis zum Auftreffen auf dem Boden.
Allerdings zeigen aktuelle Forschungen über kleinste Teilchen, dass diese Gleichheit der Massen nicht mehr zutreffen könnte, wenn man nur bei genügend hoher Auflösung misst – derzeit kleiner 10-12. Das Weltraum-Projekt Microscope der Europäischen Union soll dazu beitragen, diese Zusammenhänge zu klären. Unbeeinflusst von „irdischen“ Störungen werden dabei zwei Körper exakt bekannter Abmessungen aus Werkstoffen unterschiedlicher Dichte in der Schwerelosigkeit und im Hochvakuum des Weltraums angestoßen. Hochgenaue Beschleunigungsmessgeräte messen die Reaktionen. Dazu erstellt die PTB in Braunschweig zylindrische Körper. Wegen der hohen Fertigungsgenauigkeit im Bereich 1 bis 2 µm in Abmessungen, Ebenheit, (Co-)Zylindrizität, Parallelität und Winkligkeit aller begrenzenden Flächen der Zylinder können deren Massen bis auf Auflösungen von 10-15 genau bestimmt werden. Im Experiment im Weltraumlabor können die Physiker deshalb die Reaktion unterschiedlicher Zylinder auf eine beschleunigende Kraft in dieser hohen Auflösung messen. Sollten sich Unterschiede ergeben, könnte das weitreichende Folgen für die Grundlagen der Festkörperphysik haben.
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