Taktile Koordinatenmessgeräte (KMGs) werden zur präzisen Charakterisierung komplexer Bauteile eingesetzt. Bei solchen Messgeräten wird die zu erfassende Oberfläche des Werkstücks in der Regel von einem sphärischen Element angetastet. Durch die Entwicklung von Mikro- und Nano-KMGs steigen die Anforderungen an das Antastelement hinsichtlich der Größe und Form. Benötigt werden Antastkugeln mit Radien im Submillimeterbereich. Die präzise Charakterisierung von Mikrokugeln stellt daher einen entscheidenden und derzeit limitierenden Faktor in der erfolgreichen Anwendung von Mikro- und Nano-KMGs dar. Der Beitrag dieser Arbeit liegt deshalb in der Weiterentwicklung bisheriger Ansätze zur Messung von Mikrokugeln, um die Leistungsfähigkeit von Mikro- und Nano-KMGs nachhaltig zu verbessern. Die Untersuchungen wurden mithilfe einer Nanomessmaschine (NMM-1, SIOS) durchgeführt. Es wurde eine neuartige Strategie implementiert bei welcher die Kugeloberfläche durch mehrere Oberflächenscans abgetastet und anschließend durch einen Stitching-Algorithmus rekonstruiert wird. Als Oberflächensensor wurde ein Atomkraftmikroskop (AFM) im Kontaktmodus genutzt. Zur Korrektur des Einflusses der AFM-Spitze wurde ein Messprozess entwickelt, bei dem der Kugelradius auf eine scharfe Kante zurückgeführt wird. Zur Optimierung und Unsicherheitsermittlung wurde ein auf Simulationen basierendes Modell des Messprozesses erstellt. Zur Reduktion der Komplexität sind die meisten Untersuchungen innerhalb dieser Arbeit auf die Messung eines Großkreises der Kugel (Äquator) beschränkt. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Strategie ist für die Charakterisierung von Mikrokugeln geeignet. Sie wurde an Kugeln mit Radien von 60 µm, 100 µm und 150 µm getestet. Der Einfluss der AFM Spitze wurde durch den Einsatz unterschiedlicher Spitzen mit nominellen Radien von 200 nm bis 2 µm untersucht. Es konnte eine Wiederholbarkeit von 5 nm über 11 Wiederholungen erreicht werden. Hinsichtlich der erreichbaren Messunsicherheit steht eine experimentelle Validierung des entwickelten Modells noch aus. Dazu ist unter anderem die Reinigung von Mikrostrukturen zu optimieren.
Tactile coordinate measuring machines (CMMs) are used for the precise characterisation of complex parts. The surface of these parts is usually probed by a spherical element. With the advent of micro and nano CMMs, the demands on the probing element are increasing in terms of size and shape. Well characterised probing spheres with radii in the sub-millimetre range are required. The precise characterisation of micro spheres is therefore a decisive and currently limiting factor in the successful application of micro and nano CMMs. The contribution of this work is focused on advancing techniques for the characterisation of micro spheres in order to improve the performance of micro and nano CMMs. The investigations took place on a nano measuring machine (NMM-1, S10S). On this machine, a novel strategy was implemented. lt is based on a set of atomic force microscope (AFM) surface scans in conjunction with a stitching algorithm. To correct for the influence of the tip's shape, a measurement process was implemented in which the radius of the sphere is traced back to a sharp edge. A simulation-based model of the measurement process was created for optimisation purposes and to estimate the measurement uncertainty. To reduce the complexity, most of the investigations within this thesis are limited to the measurement of a create circle of the sphere which is called equator. The strategy which has been developed is suitable for the characterisation of micro spheres. lt was tested on spheres with mean radii of 60 µm, 100 µm and 150 µm. The influence of the AFM tip was investigated by using different tips with nominal radii from 200 nm to 2 µm. A repeatability of 5 nm over 11 repetitions has been achieved. With regard to the measurement uncertainty, an experimental validation of the developed model is still pending. Among other things, the cleaning of micro structures has to be optimised for this purpose.
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