Dissertationen

Verluste im freien Rollkontakt, wie in Wälzkörperführungen, werden oft dem partiellen Gleiten im Kontakt zugeschrieben, weshalb auch von Rollreibung gesprochen wird. Diese kann jedoch nur entstehen, wenn die Kontaktpartner unterschiedliche elastische Eigenschaften besitzen. Auf der anderen Seite werden Verluste beim Rollen auch beobachtet, wenn der Kontakt aus zwei gleichen Materialien besteht. Daraus folgt, dass hauptsächlich andere Verlustmechanismen aktiv sein müssen. Das Hauptziel dieser Dissertation ist, den Widerstand beim freien Rollen im Ebene-Kugel-Ebene-Kontakt besser zu verstehen. Für die Untersuchung wurden elf Kombinationen harter Materialien benutzt, die zum Teil auch in Wälzlagern eingesetzt werden. Jede Kombination umfasst über 20 Probenpaare unterschiedlicher Rauheit und Durchmesser, für die jeweils der Gleitreibungs- und Rollwiderstandskoeffizient sowie die elastische Hysterese gemessen wurden. Außerdem wurde für einige Modellsysteme die Rollreibung numerisch untersucht. Die Messungen der Gleitreibung zeigte in Abhängigkeit der Oberflächenrauheit kein einheitliches Verhalten. Je nach Paarung wurden lokale Minima, Maxima oder lineare Trends gefunden. Der Vergleich mit dem jeweils zugehörigen Rollwiderstandskoeffizienten zeigte keine Korrelation. Dieser ist jedoch mit dem Rauheitswert Sq korreliert, woraus gefolgert wurde, dass der Rollwiderstand nur marginal von Gleitreibung beeinflusst wird. Der Vergleich mit den numerisch berechneten Rollwiderständen, die nur Gleitreibung als Verlustmechanismus in Betracht zogen, bestätigt dieses Bild. Die daraus abgeleiteten Rollwiderstandskoeffizienten sind um mehrere Größenordnungen kleiner, als die experimentell bestimmten. Plastische Verformungen können diesen Unterschied nicht erklären, da die Einlaufphase während der ersten beiden reversierenden Messzyklen nicht ausgewertet wurden. Der Hauptanteil des Rollwiderstands wurde daher innerer Reibung zugeschrieben. Dies passt insofern zu den Messergebnissen, da raue Oberflächen bei gleicher Last größere Verformungsraten aufweisen. Die Messergebnisse der elastischen Hysterese bestätigen diesen Schluss. Weiterhin wurde ein einfaches analytisches Modell entwickelt und validiert, welches die Umrechnung zwischen elastischer Hysterese und Rollwiderstand erlaubt. Zusätzlich wurde der Einfluss der Rauheit auf Schleppfehler von Servo-Achsen untersucht und mit der lokalen Streuung der Rollwiderstände verglichen. In beiden Fällen wurde ein linearer Zuwachs mit steigender Rauheit beobachtet.

In der vorliegenden Dissertationsschrift werden drei neue interferometrische Messanwendungen in der Form- und Längenmesstechnik entwickelt und untersucht, die auf einer optischen Direktantastung technischer Oberflächen beruhen. Die angetasten Oberflächen unterscheiden sich in Form, Rauheit und Reflexionsgrad deutlich von ebenen Spiegeln, was eine Anpassung der antastenden Wellenfronten im Interferometer erfordert. Zu den betrachteten Anwendungen gehören eine interferenzoptische Rundheits- und Rundlaufmessung, eine interferenzoptische Durchmessermessung an Lehrringen und eine interferenzoptische Kavitätslängenmessung. Für die Realisierung der interferenzoptischen Anwendungen wurden vier technische Konzepte abgeleitet, miteinander kombiniert und in Technologiedemonstratoren umgesetzt. Das erste technische Konzept ermöglicht eine interferenzoptische Direktantastung gekrümmter Oberflächen durch die Anpassung der Wellenfronten im Messstrahl an die Oberflächenform. Dies wird durch die Einbindung einer adaptiven Optik erreicht. Das zweite Konzept sieht die Kopplung eines Laserinterferometers mit einem Weißlichtinterferometer vor, um eine absolute optische Längenmessungen mit hoher Präzision (Auflösung im Nanometerbereich) und einem großen Messbereich (mehrere hundert Millimeter) durchführen zu können. Das Weißlichtinterferometer wird gemäß dem dritten technischen Konzept mit kompakten, sehr langlebigen, lichtwellenleitergekoppelten LEDs betrieben, die ein breiteres optisches Spektrum aufweisen als Superlumineszenzdioden (SLD), aber auch eine geringere Lichtausgangsleistung. Um im Weißlichtinterferometer ausreichend Lichtleistung zur Erzeugung von Interferenzsignaturen zur Verfügung stellen zu können, werden Multimode-Lichtwellenleiter (MM-LWL) eingesetzt. Diese MM-LWL verursachen aufgrund von Speckle-Effekten einen kontrastmindernden Effekt im Weißlichtinterferometer, der sich auf die geeignete Einstellung der Interferenzstreifenbreite auswirkt. Dieser Effekt wurde untersucht und mathematisch modelliert, um die Interferometerkonstruktion zu optimieren. Das vierte technische Konzept beschreibt den Einsatz achromatisch polarisierender Optikelemente im Weißlichtinterferometer. Es werden die Eigenschaften dieser achromatischen Optiken und deren Vorteile für eine effiziente Strahlführung im Weißlichtinterferometer untersucht und beschrieben. Neben einem Funktionsnachweis der interferenzoptischen Durchmessermessung wurden für die interferenzoptische Rundheits- und Rundlaufmessung und die interferenzoptische Kavitätslängenmessung automatisierte Messprozesse umgesetzt, die anschließend messtechnisch charakterisiert werden konnten. Für Messergebnisse einer interferenzoptischen Rundheitsmessunge wird eine erweiterte Messunsicherheit von U = 50 nm (k = 2 u. P = 95 %) erreicht. Eine interferenzoptische Längenmessung an einer Kavität mit dem Nennmaß von l = 10 mm in der Nanopositionier- und Messmaschine NMM-1 garantiert Messergebnisse mit einer erweiterten Messunsicherheit von U = 5 nm (k = 2 u. P = 95 %).

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf eines Werkzeuges zur schwingungsüberlagerten Fräsbearbeitung. Der Bewegung des Fräsers beim klassischen Fräsen soll dabei eine axiale Schwingung überlagert werden. Mittels dieser zusätzlichen Bewegung kann die Oberfläche des Werkstücks während des Fräsens strukturiert werden. Um eine große Vielfalt an Oberflächenstrukturen zu ermöglichen, wird der Betrieb in einem Frequenzbereich angestrebt, der eine ganze Dekade umfasst. Die Bewegung wird von einem piezoelektrischen Aktor angeregt, welcher in das Werkzeug integriert ist. Die Energie, die zur Erzeugung der Schwingung benötigt wird, wird berührungslos über einen speziell entworfenen induktiven Übertrager auf das rotierende Werkzeug transferiert. Da auf der Empfängerseite kein Bauraum zur Integration leistungselektronischer Bauteile bzw. Schaltungen zur Verfügung steht, besteht auch bei der Energieübertragung die Notwendigkeit den Betrieb frequenzvariabel zu gestalten. Es wird ein Entwurfskonzept für den Energieübertrager vorgestellt und mit experimentellen Versuchen validiert. Weiterhin wird der Entwurf eines geeigneten mechanischen Aufbaus sowie der Ansteuerelektronik vorgestellt. Es wird außerdem ein mathematisches Modell hergeleitet, welches das Verhalten des gesamten elektro-magneto-mechanischen Systems beschreibt. Die Validierung dieses Modells erfolgt erneut experimentell, sowohl durch Messung von Frequenzgängen als auch durch Messung der Zeitverläufe verschiedener relevanter Größen. Daran anschließend werden die Ergebnisse erster schwingungsüberlagerter Fräsversuche vorgestellt. Als Ausblick wird schlussendlich noch ein Konzept vorgestellt, das die Erzeugung nahezu beliebiger Hubverläufe zulässt. Es wird der Ansatz der inversen Vorsteuerung gewählt. Auch dieses Konzept wird experimentell validiert, wobei hier keine Fräsversuche durchgeführt wurden. Der Vergleich zwischen Messung und Simulation erfolgt ausschließlich im mechanischen Leerlauffall.

Mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahe 0 im Temperaturbereich von 0 ... 50 ˚C wird Zerodur vielfach für temperaturstabilisierte Systeme eingesetzt. Da es an Untersuchungen und Ergebnissen zu Batch-kompatiblen Mikrostrukturierungsverfahren mit hoher Genauigkeit fehlt, ist dessen Einsatz in der Mikrosystemtechnik bisher jedoch selten. Die Ursachen dafür liegen in den herausfordernden Materialeigenschaften. In dieser Arbeit wird ausgehend von Untersuchungen an herkömmlichen Gläsern das Plasmatiefenätzen der komplexen Glaskeramik Zerodur im Fluorplasma als massenmarkttaugliche Strukturierungsmöglichkeit untersucht. Herausfordernd ist dabei zum einen die komplexe chemische Zusammensetzung. So ist ein Großteil der Bestandteile im Fluorplasma nicht chemisch ätzbar. Weiterhin muss den thermischen Eigenschaften wie der Wärmeleitung und der thermischen Dehnung mehr Beachtung geschenkt werden, als dies z.B. für die Strukturierung von Silicium oder anderen herkömmlichen Gläsern der Fall ist. Für die Untersuchungen des Ätzverhaltens kommt ein induktiv-gekoppeltes Plasma (ICP-RIE) zum Einsatz. Wegen der hohen Plasmadichte bei gleichzeitig geringem Prozessdruck sind eine hohe Ätzrate und Anisotropie erreichbar. Das optimierte Ionen-induzierte Ätzen setzt aber Hartmasken voraus, die sowohl stabil gegenüber den thermischen und chemischen Belastungen als auch dem physikalischen Ionenbeschuss sind. Hierzu wurde eine geeignete Maskierungstechnik etabliert. Ausgehend von den erreichten Ergebnissen in Quarzglas wird der Einfluss der Materialkomplexität auf das Ätzergebnis untersucht. Dabei werden komplexe Borosilikatgläser mit unterschiedlichen Anteilen an nichtflüchtigen Reaktionsprodukten im Fluor-Plasma betrachtet. Der Einfluss der Materialkomplexität auf die Ätzrate, die Selektivität, die Rauheit des Ätzbodens und die Vertikalität der Seitenwände wird eingehend diskutiert. Diese Erkenntnisse dienen als Ausgangspunkt für die Untersuchungen der komplexen Glaskeramik Zerodur. In einer breiten Parameterstudie zeigt sich, dass mit der Wahl der Prozessparameter Einfluss auf die topografischen Kenngrößen der erzeugten Strukturen genommen werden kann. Hohe Ätzraten von mehr als 250 nm/min bei einer Selektivität von 6,4 und einem Flankenwinkel von 70,5˚ werden mit den Ätzgasen SF6/CHF3 und SF6 erreicht. In der Anwendung der prozesstechnischen Erkenntnisse wird die Freistellung von mikromechanische Elementen demonstriert. Mit einem optimierten Prozess können Wafer mit einer Dicke von 150 [my]m vollständig durchgeätzt werden. Der dafür entwickelte zweiseitige Ätzprozess erlaubt ein hohes Aspektverhältnis trotz Flankenneigung. Die weiteren Herausforderungen an den Freistellungsprozess und die optimale Wahl der Prozessparameter werden eingehend diskutiert. Strukturuntersuchungen der tiefengeätzten und freigestellten Strukturen zeigen, dass nichtflüchtige Reaktionsprodukte aus Aluminium und Fluor den Strukturierungsprozess beeinflussen. Hier existieren Unterschiede zwischen dem Tiefenätzen und dem Freistellen, die mit einem entwickelten Erklärungsmodell beschrieben werden können, das auch auf andere komplexe Gläser und Glaskeramiken angewendet werden kann. Diese Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zur Batch-kompatiblen Strukturierung komplexer Gläser und Glaskeramiken in Fluorplasmen. Vor allem die Strukturierung von Zerodur hebt sich vom wissenschaftlichen Stand ab. Bislang konnte hierfür nur auf Literatur mit einem geringen Umfang an Ergebnissen zurückgegriffen werden.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der messtechnischen Untersuchung von Rohranlegethermometern, welche eine spezielle Bauform der an Oberflächen messenden Berührungsthermometer darstellen. Ihre Befestigung an ein Rohrstück erfolgt dabei i. d. R. durch lösbare Montage. Ziel der Messung mittels Rohranlegethermometern ist i. A. die Bestimmung der Mediumstemperatur im Inneren eines durchströmten Rohres. Bislang existieren nur wenige Veröffentlichungen, Normen und Richtlinien, die Herangehensweisen zur messtechnischen Charakterisierung und Vergleich von Rohranlegethermometern beschreiben. An Hand theoretischer Betrachtungen von verschiedenen Einflussgrößen, wie Strömungsgeschwindigkeit, Rohrgeometrie, Umgebungsbedingungen etc. wird deutlich, dass diese häufig in Wechselwirkung treten und nur zusammen betrachtet werden sollten. Um die Einflussgrößen auf die Messung mittels Rohranlegethermometern besser ergründen zu können, wurde ein neuer Prüfstand auf Basis von Sattdampf konzipiert, aufgebaut und erfolgreich verifiziert. Es wurde zudem nachgewiesen, dass mit einem auf Wasser basierenden Prüfstand reproduzierbare Messungen über einen weiten Mediumstemperaturbereich durchgeführt werden können. Mit Hilfe von kommerziell erhältlichen Rohranlegethermometern erfolgten experimentelle Untersuchungen praxisrelevanter Einflussgrößen. Wesentliche Einflussgrößen konnten neben der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums u. a. in der Reproduzierbarkeit durch die Montage, dem thermischen Kontaktwiderstand zwischen Rohr und Thermometer sowie einer erzwungenen Konvektion in der Umgebung gefunden werden. Mittels Isolierung von Rohr und Thermometer konnte z. T. eine Reduzierung von Einflussgrößen auf die Messung erreicht werden. Insgesamt zeigt sich, dass bei der Messung von Rohranlegethermometern eine genaue Kenntnis der Eigenschaften des Gesamtsystems, bestehend aus Medium, Rohr, Thermometer mit Kontaktwiderstand und Umgebung, erforderlich ist. Aus den durchgeführten experimentellen Untersuchungen heraus folgen Empfehlungen zur Ermittlung wichtiger charakterisierender Kenngrößen von Rohranlegethermometern unter reproduzierbaren Bedingungen. Zusammenfassend wird dem Leser somit die Möglichkeit gegeben, Rohranlegethermometer besser verstehen, bewerten, auswählen und anwenden zu können. Des Weiteren wurde der Grundstein für zukünftige Normen und Richtlinien gelegt.