Tri-axial micro probe with isotropic mechanical behavior for the transfer into the industrial micro coordinate measuring technology (3-MiTiK)

• Applicants: Professor Dr. Andreas Dietzel; Dr.-Ing. Karin Kniel
• Subject Area: Microsystems ; Measurement Systems ; Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2015 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 275023116

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes wurde ein Mikrotaster basierend auf einem neuartigen Konzept einer serielleren Kinematik von Grund auf entwickelt, eingehend untersucht und patentiert. Dieser ermöglicht Mikromessungen in konventionellen KMGs. Im Vergleich zu bisher bekannten Mikrotaster- Konzepten besitzt der in diesem Projekt entwickelte Mikrotaster entscheidende Vorteile:  ein isotropes mechanisches Verhalten mit geringen Steifigkeiten (< 0,5 N/mm)  linearem Ausgangssignal ohne Hysterese eine hohe maximale Auslenkung (bis zu 400 µm)  eine hohe Empfindlichkeit für sub-Mikrometer-Auflösung (< 500 nm). Eine weitere Aufgabe war die Integration des Mikrotasters in ein KMG, um die industrielle Einsetzbarkeit zu demonstrieren und das Leistungsvermögen des Mikrotasters unter Beweis zu stellen. Gleichzeitig bot es die Möglichkeit, das neue System mit einem Standardmesssystem zu vergleichen. Die Integration erforderte Software-, Hardware- und systemtechnische Anpassungen. Parallel zu diesen Arbeiten wurde ein Mikroenvironment entwickelt, das die sehr empfindlichen Messungen von Mikrobauteilen mit hoher Genauigkeit auf einem Industrie-KMG in kontrollierter Umgebung ermöglichen soll. Das fertige Mikroenvironment ist eine kleine, adaptierbare Kammer, die sowohl Schutz als auch Überwachungsmöglichkeiten durch integrierte Umweltsensorik, eine Aufspannvorrichtung, eine Reinigungsstation und ein Kamerasystem bietet. Um Verifikationsmessungen auf höchstem Niveau durchführen zu können, wurde ein zusätzliches Mikronormal entwickelt. Da Innenverzahnungen als eine der komplexesten Messaufgaben gelten, fiel die Wahl auf die Entwicklung eines Mikroinnenverzahnungsnormals. Es verkörpert vier unterschiedliche Geradverzahnungen und ist in vielerlei Hinsicht für den hochgenauen und breiten Einsatz optimiert. Zur Validierung wurden drei kalibrierte Prüfkörper eingesetzt: eine Kugel, ein Würfel und das neue Mikroinnenverzahnungsnormal. Gemessen wurde sowohl mit dem neuen IMT-PTB-Mikrotaster als auch mit dem P40-Standardtastsystem. Die Ergebnisse der Vergleichsmessungen zeigten eine sehr hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Die Differenzen zu den Kalibrierwerten lagen in den meisten Fällen weit unter 0,5 µm. In nahezu allen Fällen konnte ein 𝐸𝑛 -Wert < 1 nachgewiesen werden. Der neue Mikrotaster steht dem Standardtaster in nichts nach, bietet aber die zusätzliche Möglichkeit, noch weitaus kleinere Taststifte bei Beibehaltung eines isotropen Antastverhaltens einzusetzen.

Publications

• Mikrotaster und Verfahren zur Herstellung, DE 102017206145 B3
  D. Metz; A. Dietzel
  
• “3D piezoresistive silicon microprobes with stacked suspensions for tailored mechanical anisotropies,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 267, pp. 164–76, 2017
  D. Metz, et al.
  
• “Microclamping principles from the perspective of micrometrology - A review”. Precision Engineering, pp. 538–550, 2017
  S. Jantzen, et al.
  
• “New parallelogram 3D-displacement sensor for micro probing and dimensional metrology,” Transducers'17, Kaohsiung, 2017
  D. Metz, et al.
  
• “3-D Isotropic Tactile Microprobe Based on a Silicon Parallelogram Kinematic, From Concept to Fabrication,” Journal of Microelectromechanical Systems, pp. 1–14, 2018
  D. Metz, et al.
  
• “CO2 snow cleaning of miniaturized parts”. Precision Engineering 52 (2018), pp. 122–129
  S. Jantzen, et al.
  
• “Integration of a piezoresistive microprobe into a commercial gear measuring instrument,” Precision Engineering, vol. 55, pp. 349–60, 2018
  D. Metz, et al.
  
• “Novel measurement standard for internal involute microgears with modules down to 0.1 mm.” Measurement Science and Technology, p. 125012, 2018
  S. Jantzen, et al.
  
• “3D tactile microprobe with isotropic kinematics for industrial micro metrology [Best Poster Award], Nanodevices - MEMS and their applications)”, 45th International Conference on Micro & Nano Engineering, MNE2019, Rhodes Greece Sept 23rd - 26th, 2019
  D. Metz, et al.
  
• “Entwicklung eines Systems für hochpräzise Mikroverzahnungsmessungen”. 20. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme, 2019
  S. Jantzen, et al.
  
• “Integration of an isotropic microprobe and a microenvironment into a conventional CMM”, Measurement Science and Technology, vol. 30, no. 11, 2019
  D. Metz, S. Jantzen, et al.