„Ohne Reproduzierbarkeit haben Sie nichts“

Hochpräzise Mechatronik ist eine der Stärken der Region. Um die Systemleistung zu maximieren, ist eine gute Mess- und Kalibrierungsstrategie entscheidend. „Denken Sie voraus“, rät Rens Henselmans, Dozent am High Tech Institute. „Und achten Sie darauf, was wirklich benötigt wird.“

Nehmen wir an, Sie wollen eine Maschine bauen, die ein Loch in ein Stück Metall bohren kann. Die Löcher müssen so genau gebohrt werden, dass die beiden Teile nach dem Bohren perfekt zusammenpassen und mit einem Dübel verbunden werden können. Wie würde diese Maschine aussehen? Und wie erreichen Sie die erforderliche Präzision? Wenn Sie beide Löcher leicht schräg bohren, wird der Stift wahrscheinlich noch passen. Aber wenn die Abweichung von einem Teil zum anderen nicht gleich groß ist, sind Sie aufgeschmissen. Und was ist, wenn Sie zwei Bohrmaschinen nebeneinander aufstellen und deren Leistung kombinieren? Oder noch extremer, was ist, wenn Sie das erste Teil in China und das zweite in den USA kaufen, welche Maßnahmen sind dann erforderlich, um sicherzustellen, dass der Dübel passt?

Selbst bei einem so einfachen Beispiel wie dem Bohren eines Lochs stellt sich heraus, dass es gar nicht so trivial ist, eine superhohe Genauigkeit zu erreichen. Parameter wie Messunsicherheit, Reproduzierbarkeit und Rückverfolgbarkeit müssen gut definiert sein. Wenn Sie das als Systementwickler nicht beherrschen, können Sie die Genauigkeit vergessen.

Der Begriff Genauigkeit wird oft falsch verwendet, sagt Rens Henselmans, CTO von Dutch United Instruments und Dozent am High Tech Institute. „Es ist ein qualitatives Konzept: etwas ist genau oder nicht. Aber es gibt keine Zahl, die damit verbunden ist“, erklärt er. Das ist an sich nichts Schlechtes, hat er erfahren, „solange jeder weiß, was gemeint ist. Normalerweise handelt es sich um die Messunsicherheit. Das heißt, ein bestimmter Wert plus oder minus eine Standardabweichung.“

Rens Henselmans: ‚Sie können die Kalibrierung nicht nachträglich in Ihr System einbauen.‘

Das Messgerät

Reproduzierbarkeit wird oft mit Wiederholbarkeit verwechselt. Der letztere Begriff beschreibt die Variation, die auftritt, wenn Sie Prozesse unter genau denselben Bedingungen wiederholen. „Gleiches Wetter, gleiche Tageszeit, gleiche Geschichte“, fasst Henselmans die Liste der Randbedingungen zusammen. „Reproduzierbarkeit ist die gleiche Variation, aber unter variablen Bedingungen, wie z.B. einem anderen Bediener oder sogar einem anderen Ort. Sie ist die schwierigere Version der Wiederholbarkeit, da mehr Faktoren im Spiel sind.“ Diese Systemanforderung ist jedoch unerlässlich. „Ohne reproduzierbares Verhalten haben Sie nichts“, erklärt Henselmans. „Wenn Ihre Maschine nicht immer dasselbe tut, können Sie Systemfehler nicht korrigieren oder kalibrieren. Die Reproduzierbarkeit ist die unterste Grenze dessen, was Ihre Maschine jemals tun kann, selbst wenn Sie die systematischen Fehler perfekt kalibrieren könnten.“

Dann die Rückverfolgbarkeit. „Wir haben international Vereinbarungen über die genaue Länge eines Meters getroffen“, sagt Henselmans. „Beim niederländischen Messinstitut NMI gibt es eine Ableitung davon, und jedes Kalibrierungsunternehmen hat eine Ableitung davon. Je tiefer man in die Kette einsteigt, desto größer ist die Abweichung vom wahren Standard und damit auch die Unsicherheit. Wenn Sie eine Messung mit einer Unsicherheit vorlegen, sollten Sie tatsächlich angeben, wie die Unsicherheiten aller Teile in der Kette auf diesen einen Primärstandard zurückgeführt werden können. Das ist sehr einfach, wird aber oft vergessen, wenn es um Genauigkeit geht.“

Zum Glück ist das nicht immer notwendig. „Wenn Sie einen Wafer beschreiben, spielt es überhaupt keine Rolle, ob der Durchmesser des Wafers genau 300 mm beträgt oder nicht“, sagt Henselmans. „Die Herausforderung besteht darin, die Muster sauber auszurichten. Und selbst wenn das Muster leicht verzerrt ist, ist das keine Katastrophe, solange diese Verzerrung in jeder Schicht gleich ist. Knifflig wird es erst, wenn Sie die nächste Belichtung auf einem anderen Gerät oder sogar auf einem System eines anderen Herstellers durchführen wollen. Dann müssen sie zumindest alle die gleiche Abweichung haben. Allmählich kommen Sie an den Punkt, dass Sie alles auf dieselbe Referenz und damit letztlich auf das Messgerät des NMI zurückführen wollen.“

Gesunder Menschenverstand

Was wirklich benötigt wird, hängt stark von der Anwendung und von dem Budget ab, das Ihnen als Designer zur Verfügung steht. „Techniker neigen dazu, zu viel zu wollen und zu zeigen, dass sie anspruchsvolle Anforderungen erfüllen können. Aber das macht ihr Design oft zu teuer“, warnt Henselmans. Sein Unternehmen, Dutch United Instruments, entwickelt auf der Grundlage seiner Doktorarbeit aus dem Jahr 2009 eine Maschine zur Messung der Form von asphärischen und Freiform-Optiken. „Zu Beginn des Projekts wollten wir eine Messunsicherheit von 30 Nanometern in drei Richtungen erreichen. Irgendwann fiel dann der Groschen. Optische Oberflächen sind immer glatt und wellenförmig. Wenn Sie mit einem optischen Sensor senkrecht zur Oberfläche messen, bedeutet eine Ungenauigkeit in dieser Richtung einen Messfehler von eins zu eins. Hier ist wirklich eine Präzision im Nanometerbereich erforderlich. Aber parallel zur Oberfläche messen Sie keine dramatischen Unterschiede. Seitlich reichen Mikrometer aus. Diese Erkenntnis machte das Problem plötzlich zweidimensional statt dreidimensional.“

Während der Schulung verwendet Henselmans regelmäßig die optische Messmaschine seines eigenen Unternehmens, Dutch United Instruments, als Beispiel.

Lassen Sie also immer Ihren gesunden Menschenverstand walten, wenn Sie über Genauigkeit nachdenken. „Es ist in Ordnung, von den Regeln abzuweichen, solange Sie wissen, was Sie tun“, sagt Henselmans. Das nötige Wissen kommt mit der Erfahrung. „Man lernt viel von guten und schlechten Beispielen.“ Deshalb verwendet Henselmans während der Schulung ‚Metrologie und Kalibrierung mechatronischer Systeme‚ am High Tech Institute viele praktische Beispiele, darunter seine eigene optische Messmaschine und eine Pick-and-Place-Maschine. „Wir machen viele Übungen und Berechnungen mit versteckten Fallstricken, damit die Teilnehmer aus ihren eigenen Fehlern lernen können.“

Abbe

Was die Messtechnik in Ihrer Maschine angeht, müssen Sie sich genau überlegen, wo Sie die Sensoren platzieren. „Denken Sie an einen Messschieber“, sagt Henselmans. „Die Skalierung dort ist nicht auf die tatsächliche Messung ausgerichtet. Wenn Sie also fest auf diese Schnäbel drücken, kippen sie ein wenig und Sie erhalten ein anderes Ergebnis. Dieser Effekt tritt bei fast allen Systemen auf, selbst bei den modernsten Koordinatenmessgeräten. Zwischen dem Taster und dem Lineal in diesen Geräten befinden sich alle möglichen Komponenten und Achsen, die die Messung beeinflussen können.“

Das Bewusstsein für diese Effekte zu schärfen, bezeichnet Henselmans als eine der wichtigsten Lektionen der Schulung. „Sie umfasst die gesamte Messschleife mit allen Elementen, die zum Gesamtfehlerbudget beitragen“, erklärt er. Im Allgemeinen möchten Sie diese Schleife klein halten und den Sensor so nah wie möglich an die eigentliche Messung heranführen. „Leider ist oft ein Maschinenteil oder ein Produkt im Weg, was die Einhaltung des Abbe-Prinzips schwierig macht. Außerdem sollten Sie wissen, dass Sie nicht allein auf der Welt sind. Der Messtechniker mag in der Tat kurze Abstände bevorzugen, um die höchste Genauigkeit nach dem Abbe-Prinzip zu erreichen. Der Dynamik-Ingenieur hingegen würde es vorziehen, in einer Linie mit dem Schwerpunkt zu messen, da sonst alle Arten von Schwankungen seine Regelkreise stören würden. Der Messtechniker wird argumentieren, dass diese Schwingungen gerade deshalb interessant sind, weil sie das Systemverhalten beeinflussen. Sie müssen gemeinsam das richtige Gleichgewicht finden.“

Diese Entscheidung zu treffen ist einer der Diskussionspunkte in diesem Kurs. Ein wichtiger Aspekt dieser Diskussion ist die Notwendigkeit, ausreichende Kenntnisse über die verschiedenen Sensoren und ihre Vor- und Nachteile zu haben. Während der Schulung werden daher u.a. Interferometer, Encoder und Bildverarbeitungstechnologie von Spezialisten erklärt.

Umgekehrte Wasserwaage

Sobald Sie die Messtechnik und die Reproduzierbarkeit in Ihrem System in Ordnung gebracht haben, ist es Zeit für die Kalibrierung. „Um systematische Fehler zu korrigieren“, erklärt Henselmans. In der zweiten Hälfte des Kurses geht es darum, wie man das macht. „Die Lektion, die Sie lernen müssen, ist, dass Sie die Kalibrierung nicht nachträglich in Ihr System einbauen können. Sie müssen sich im Voraus überlegen, wie Sie die Kalibrierung durchführen wollen und wo Sie welche Sensoren und Referenzobjekte benötigen. Wenn Sie bis zum Ende Ihres Entwurfsprozesses warten, werden Sie diese sicherlich nicht mehr einbauen können.“

Bevor Sie sich in die Ecke drängen, müssen Sie eine Liste der Fehlerquellen haben, welche Sie kalibrieren müssen und vor allem, wie Sie das tun werden. Henselmans: „Während meiner Zeit bei TNO haben wir einmal einen Vorschlag für ein Instrument zur Messung von Satelliten gemacht. Ein System von etwa einem Kubikmeter Größe. Das könnten wir in unserer eigenen Vakuumkammer testen. Wir hatten bereits alle möglichen Testszenarien eingerichtet, als einer der Optik-Ingenieure darauf hinwies, dass man eine bestimmte Messung in einer Entfernung von etwa sieben Metern durchführen müsse, da dort der Brennpunkt liege. Also mussten wir die Kalibrierung in einer speziellen Kammer bei einem spezialisierten Unternehmen in Deutschland durchführen, was Tausende von Euro pro Tag kostete. Es ist gut, dass wir das herausgefunden haben, bevor wir unser Angebot an den Kunden geschickt haben.“

Es gibt zwar Kalibrierungswerkzeuge und Referenzobjekte auf dem Markt, aber nach Henselmans Erfahrung kommt man ziemlich schnell nicht mehr weiter. „Vor allem bei größeren Objekten wird die Liste der Optionen schnell lang“, sagt er. Designer müssen dann auf raffinierte Tricks wie die Umkehrung zurückgreifen. „Ein wunderbar schönes und einfaches Konzept“, sagt Henselmans und erklärt: „Denken Sie an eine Wasserwaage. Sie können sie an einen Türrahmen halten, um festzustellen, wie schief dieser ist. Dann drehen Sie die Wasserwaage um und sehen, ob sich die Blase nun genau auf der anderen Seite der Mitte befindet. Wenn nicht, ist die Libelle offensichtlich nicht richtig in der Wasserwaage ausgerichtet. Sie haben dann zwei Messungen, also zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten, was bedeutet, dass Sie den Versatz der Wasserwaage und der Tür gleichzeitig kalibrieren können. Diesen Trick können Sie auch in komplizierteren Situationen mit mehr Freiheitsgraden und Nanometergenauigkeit anwenden. Das bedeutet, dass Sie viel weiter kommen können als mit den im Handel erhältlichen Werkzeugen.“

Noch besser ist es, diese Technik in Ihr Design einzubauen, damit die Maschine sich selbst kalibrieren kann. „Machen Sie es zu einem Teil des Prozesses Ihrer Maschine“, rät Henselmans. „Dann sinkt der Stabilitätsbedarf des Systems drastisch, und das Systemdesign wird viel einfacher.“

Dieser Artikel stammt von Alexander Pil, technischer Redakteur von High-Tech Systeme.