Abschlussbericht WM-Elf - Mikroaufbautechnik am HSG-IMAT

Abschlussbericht
zum InnoNet-Projekt
"Herstellung und Vermessung genauester Werkzeuge
für das elektrochemische Fräsen mit
ultrakurzen Spannungspulsen“
Kurzbezeichnung: WM-Elf
Förderkennzeichen: 16IN0372
Projektlaufzeit: 01.01.2006 – 31.03.2008
Das Projekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie
(BMWi) innerhalb des Programms „Förderung innovativer Netzwerke (InnoNet)“
gefördert und vom Projektträger VDI/VDE-IT GmbH in Berlin betreut.

Hahn-Schickard-Gesellschaft
Institut für Mikroaufbautechnik (HSG-IMAT)
Allmandring 9b
70569 Stuttgart
Universität Stuttgart
Institut für Technische Optik (ITO)
Pfaffenwaldring 9
70569 Stuttgart
Verbundpartner
Fraunhofer
Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM)
Gustav-Meyer-Allee 25
13355 Berlin
Mahr GmbH
Carl-Mahr-Str. 1
37073 Göttingen
BLUM-Novotest GmbH
Postfach 1202
88182 Ravensburg
CWM Chemnitzer Werkstoffmechanik GmbH
Otto-Schmerbach-Str. 19
09117 Chemnitz
ECMTEC GmbH
Robert-Bosch-Str. 3
71088 Holzgerlingen
Horst Scholz GmbH + Co. KG
Nalser Str. 39
96317 Kronach
Fraunhofer
IZ
Institut
Zuverlässigkeit und
Mikrointegration
2

Inhalt
Inhalt........................................................................................................................... 3
1 Zusammenfassung.............................................................................................. 5
2 Aufgabenstellung................................................................................................. 6
3 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde .................... 7
4 Planung und Ablauf des Vorhabens .................................................................... 9
5 Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde.............. 10
6 Zusammenarbeit mit anderen Stellen................................................................ 12
7 Erzielte Ergebnisse............................................................................................ 13
7.1 Drehachse und Werkzeuge ........................................................................... 13
7.1.1 Konzepte ................................................................................................ 13
7.1.2 Konstruktion und Design......................................................................... 22
7.1.3 Aufbau des Teilsystems.......................................................................... 25
7.1.4 Erprobung............................................................................................... 26
7.1.5 Optimierung ............................................................................................ 26
7.2 Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge............................................ 28
7.2.1 Konzepte ................................................................................................ 28
7.2.2 Konstruktion und Design......................................................................... 29
7.2.3 Aufbau des Teilsystems.......................................................................... 31
7.2.4 Erprobung und Optimierung ................................................................... 32
7.3 Optiken zur Vermessung der Werkzeuge ...................................................... 41
7.3.1 ITO-Optik ................................................................................................ 41
7.3.2 BLUM-LaserControl nano NT ................................................................. 53
7.3.3 Grenzen der Messverfahren ................................................................... 57
7.4 Software zum Auswerten der Werkzeugform................................................. 60
3

7.4.1 Konzepte ................................................................................................ 60
7.4.2 Algorithmen und Softwaredesign............................................................ 63
7.4.3 Implementierung und Integration des Teilsystems.................................. 70
7.4.4 Erprobung............................................................................................... 73
7.4.5 Optimierung, zukünftige Anpassungsarbeiten ........................................ 75
8 Voraussichtlicher Nutzen................................................................................... 76
9 Fortschritte auf dem Gebiet bei anderen Stellen ............................................... 78
10 Erfolgte und geplante Veröffentlichungen.......................................................... 79
Literatur .................................................................................................................... 80
Danksagung ............................................................................................................. 81
4

1 Zusammenfassung
Ziel des Verbundprojekts war die Erarbeitung und Bereitstellung von Verfahren und Strategien
zur Herstellung und Vermessung hochgenauer filigraner rotationssymmetrischer Werkzeuge
mit bekannter Geometrie im Mikrometerbereich.
Dazu wurde am HSG-IMAT eine Strategie zur Herstellung von rotationssymmetrischen
Werkzeugen mittels der Technik des elektrochemischen Fräsens mit ultrakurzen Spannungspulsen
(ECF) erarbeitet. Hierbei wird der Durchmesser von Werkzeugrohlingen reduziert,
indem das rotierende Werkzeug gegen eine ortsfeste Gegenelektrode bearbeitet wird,
ähnlich der Bearbeitung mit einer konventionellen Drehmaschine. Die hierfür notwendige
Dreheinheit wurde am HSG-IMAT entwickelt, aufgebaut und in die ECF-Anlage integriert. Die
Herstellungsstrategie wurde programmiert und getestet. Es wurden erfolgreich rotationssymmetrische
Werkzeuge mit Durchmessern von 40 µm hergestellt.
Zur Auswertung und Prüfung der gefertigten Werkzeuge wurde am ITO ein optischer Sensor
entwickelt und aufgebaut. Die Implementierung des Sensors in die ECF-Anlage erfolgte am
HSG-IMAT.
Die aufgenommenen Bilder der Werkzeuge wurden mit Hilfe der am IZM und von der Firma
CWM entwickelten Korrelationssoftware automatisiert ausgewertet und die Werkzeugform,
d.h. Werkzeugdurchmesser und Schneidenlänge, ermittelt und an den Steuerrechner der
ECF-Anlage übergeben.
Alle am HSG-IMAT hergestellten Werkzeuge wurden dokumentiert und deren Geometrie
bestimmt. Auch andere filigrane zylindrische Körper bis zu Durchmessern kleiner 10 µm
konnten mit dem optischen System in Verbindung mit der Korrelationssoftware vermessen
werden.
Als Referenzmesssystem wurde das kommerziell verfügbare Lasermesssystem der Firma
BLUM verwendet.
Die Versuche zur industriellen Tauglichkeit der in diesem Projekt erarbeiteten Werkzeugherstellung
und Vermessung wurden durch die Firma ECMTEC GmbH durchgeführt.
Mit den im Projekt erarbeiteten Ergebnissen, insbesondere bezüglich der Werkzeugvermessung,
steht ein neues Messverfahren zur Bestimmung zylindrischer Körper mit Durchmessern
kleiner 10 µm zur Verfügung, das auch für eine breite Palette mikrotechnischer Anwendungen
nutzbar ist.
5

2 Aufgabenstellung
Ziel des Verbundprojekts war die Erarbeitung und Bereitstellung von Verfahren und Strategien
zur Herstellung und Vermessung hochgenauer filigraner rotationssymmetrischer Werkzeuge
mit bekannter Geometrie im Mikrometerbereich, d. h. Durchmessern von 10 µm und
darunter, für das elektrochemische Fräsen mit ultrakurzen Spannungspulsen (ECF). Dazu
mussten Verfahren und geeignete Vorrichtungen zur Herstellung der Werkzeuge sowie geeignete
Messverfahren zur Ermittlung der Werkzeuggeometrie erarbeitet werden. Die entsprechenden
Komponenten sollten dabei in die bestehende ECF-Anlage integriert werden
können. Die Herstellung der filigranen Werkzeuge sollte aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit
zur Erstellung feinster Mikrostrukturen durch das ECF-Bearbeitungsverfahren erfolgen,
deren hochgenaue Vermessung durch schnelle berührungsfreie optische Verfahren. Damit
ergaben sich im Einzelnen folgende Ziele:
• ECF-basiertes Verfahren zur Herstellung hochgenauer rotationssymetrischer Werkzeuge
mit Durchmessern bis zu 10 µm und darunter;
• optisches Verfahren zur Bestimmung des Werkzeugdurchmessers;
• optisches Verfahren zur Überwachung des Werkzeugzustands;
• Signal- und Bildverarbeitungsalgorithmen zur Bestimmung des Durchmessers und Zustandes
des Werkzeugs;
• Grundlagen zur Integration der Verfahren in eine ECF-Anlage;
• Erkenntnisse zur Industrietauglichkeit der Verfahren.
6

3 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben
durchgeführt wurde
Sowohl die Werkzeugbearbeitung mittels ECF als auch die Vermessung geringster Durchmesser
sind vor diesem Projekt in dieser Art noch nicht untersucht worden. Das Konsortium
ging somit eine große komplexe Thematik an und baute dabei auf den Erfahrungen der Partner
in der ECF-Bearbeitung, in der optischen Messtechnik sowie der zugehörigen Signalund
Bildverarbeitung auf. Die Aufgaben im Vorhaben umfassten die Teilgebiete der Herstellung
genauester filigraner ECF-Werkzeuge, die optische Vermessung der Werkzeuge und
die Analyse der optischen Signale und Bilddaten.
Diese komplexe Aufgabenstellung bedurfte der Vernetzung von geeigneten kompetenten
Partnern. Daher arbeiteten in diesem Vorhaben drei Institute zusammen, die jeweils Wissen
und Erfahrung auf einem der drei Teilgebiete mitbringen, d. h. in der ECF-Technik, in der
technischen Optik sowie in der Bildverarbeitung für die geometrische Formerfassung in der
Mikrotechnik. Auch bei den Industriepartnern wurde auf diese Aufgaben- und Wissensverteilung
Wert gelegt, nicht nur um die gestellte Aufgabe zu lösen, sondern auch um eine schnelle
Verwertung der Ergebnisse und damit eine Platzierung neuer Produkte auf dem Markt zu
garantieren. Dabei besteht das Konsortium aus Partnern des Anlagenbaus bzw. der Softwareentwicklung
sowie aus Partnern, die Mikrostrukturen herstellen und dazu die ECF-
Technik anwenden wollen.
Sowohl die Werkzeugherstellung als auch der optische Sensor sollte in die ECF-Anlage des
HSG-IMAT, die von der Firma ECMTEC entwickelt wurde, integriert werden. Deshalb fand
sowohl bei der Konstruktion Drehachse als auch bei den Bearbeitungsversuchen zur Herstellung
rotationssymmetrischer Werkzeuge eine enge Zusammenarbeit zwischen HSG-IMAT
und ECMTEC statt. Neben der mechanischen Werkstatt zur Fertigung der Komponenten der
Drehachse stehen dem HSG-IMAT Messtechnik wie z.B. eine optische Koordinatenmessmaschine
der Fa. Werth und ein Oberflächenmessgerät der Fa. FRT zur Verfügung. Zur Dokumentation
der Bearbeitungsergebnisse und zur Verifikation der Werkzeugvermessung
steht ein Rasterelektronenmikroskop der Firma JEOL am HSG-IMAT zur Verfügung.
Die Firma Mahr entwickelt zusammen mit ITO die Messtechnik und Sensorik. Die Firma
BLUM stellte ihr Lassermesssystem LaserControl NanoNT als Referenzmesssystem bereit.
Auf Grund ihrer langjährigen Erfahrungen brachten sich Blum und Mahr außerdem bei der
mechanischen Anbindung sowie den elektronischen und softwareseitigen Schnittstellen ein.
FhG-IZM und CWM bearbeiteten softwareseitig gemeinsam mit ITO die Aufnahme und Ver-

arbeitung der Bilddaten, die mit den Achspositionen der Messgeräte korreliert werden mussten,
um die Topographieinformation zu extrahieren.
8

4 Planung und Ablauf des Vorhabens
Bis auf unvorhergesehene Schwierigkeiten bei der Herstellung rotationssymmetrischer
Werkzeuge mit Durchmessern kleiner 40 µm mittels ECF verlief das Vorhaben weitgehend
problemlos. Die Ergebnisse konnten auf dem öffentlichen Workshop zum Abschluss des Projektes
„Herstellung und Vermessung genauester Werkzeuge für das elektrochemische Fräsen
mit ultrakurzen Spannungspulsen“, der am 08.07.2008 am HSG-IMAT stattfand, einem
breiten Publikum vorgestellt werden. Die Veranstaltung stieß auf großes Interesse. Beim
Workshop kam es zu einen intensiven Austausch. Es wurden nützliche Kontakte zur Verbreitung
der Ergebnisse und für die Realisierung möglicher neuer Projekte zur ECF-Bearbeitung
geknüpft.
Aufgrund des Wechsels der Projektleitung und des Umzugs des HSG-IMAT in ein neues
Institutsgebäude im ersten Quartal 2007 und der längeren Erkrankung eines wichtigen Mitarbeiters
bei CMW musste die Laufzeit des Projekts im April 2007 kostenneutral um 3 Monate
verlängert werden.
Aufgrund der verzögerten Lieferung der Teile für die Dreheinheit konnte die Drehachse erst
später als geplant aufgebaut und in Betrieb genommen werden. Zudem musste der Spannmechanismus
zur Aufnahme der Werkzeuge im Kegelfutter neu konstruiert und gefertigt werden,
um einen wackelfreien Sitz der Werkzeuge in der Drehachse zu gewährleisten. Daher
konnte mit den Arbeiten zur Werkzeugbearbeitung nicht planmäßig begonnen werden. Aufgrund
der Schwierigkeiten bei der Werkzeugherstellung konnte mit der Erprobung auf industrielle
Tauglichkeit in der Praxis erst sehr spät begonnen werden. Optimierungen der Dreheinheit
und der Werkzeugherstellung wurden durchgeführt.
Durch die Verlängerung konnten die Ziele des Gesamtvorhabens erreicht werden.

5 Wissenschaftlicher und technischer Stand, an
den angeknüpft wurde
Das ECF-Verfahren bietet die Möglichkeit der 3D-Mikrobearbeitung von Hochleistungswerkstoffen,
insbesondere Edelstahl, bis in den Sub-Mikrometerbereich. Werkzeug und Werkstück
befinden sich in einem Elektrolyten. Durch Anlegen einer gepulsten Spannung mit
Pulslängen im Nanosekundenbereich kann die elektrochemische Doppelschicht am Werkstück
nur bis zu einem bestimmten Arbeitsabstand vom Werkzeug so stark umgeladen werden,
dass ein Materialabtrag am Werkstück stattfindet [1]. Am Werkzeug selbst entsteht bei
korrekter Prozessführung kein Verschleiß. Daher ist es möglich, Werkzeuge mit vergleichsweise
einfachen Geometrien, z. B. Zylinder, Kugel oder Konus, einzusetzen und die Werkzeuge
ähnlich wie beim spanabhebenden Fräsen zuzustellen und so Mikrostrukturen herzustellen.
Durch den geringen Arbeitsabstand von bis unter 1 µm und die nahezu kräftefreie
Bearbeitung können hier kleinste Werkzeuge mit wenigen Mikrometern lateraler Ausdehnung
und hohem Aspektverhältnis eingesetzt werden. Obwohl bei der ECF-Technik mit stehenden
Werkzeugen gearbeitet wird, kann es auch sinnvoll sein, rotierende Werkzeuge zu verwenden,
da hierdurch der Elektrolytaustausch im Arbeitsspalt verbessert wird und entstehende
Gasblasen weggespült werden können, was eine Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit zur
Folge hat. Somit stellt das ECF-Verfahren eine leistungsfähige innovative Form der Mikrobearbeitung
dar. Insbesondere bei der Herstellung einfacher, aber feinster und genauester Geometrien,
z. B. Düsenstrukturen oder bei der Herstellung genauester Mikrospritzgußeinsätze
ist die ECF-Bearbeitung anderen Techniken an Genauigkeit bei gleichzeitig geringen Kosten
im Vorteil. Ähnlich wie bei der spanenden Bearbeitung durch Fräsen hängt die Präzision und
Feinheit der gefertigten 3D-Geometrien neben der Genauigkeit der Werkzeug- bzw. Werkstückverfahrbewegung
insbesondere von der Präzision und Feinheit der Werkzeuge selbst
ab. Vor allem letztgenannte Voraussetzung ist zu Beginn des Projektes noch nicht bzw. nur
unzureichend gegeben. Die Werkzeuge werden aus Wolframdrahtrohlingen mit einem
Durchmesser von typischerweise 50 µm hergestellt. Diese zylindrischen Rohlinge werden auf
einer einfachen labormäßigen Werkzeuganlage mit statischen Potentialen ohne das Anlegen
von Nanosekundenpulsen elektrochemisch auf den gewünschten Enddurchmesser geätzt
[2]. Das Abbruchkriterium für den Ätzprozess ist dabei die geflossene Ladungsmenge. Insbesondere
bei dünnen Werkzeugdurchmessern ist das Erkennen des Endpunktes des Ätzprozesses
sehr kritisch. Im Bereich von 30 µm–40 µm sind die Werkzeugdurchmesser so nur
mit einer Genauigkeit von ±5 µm herzustellen. Die Rohlinge sind dabei auf den Werkzeugträ-

ger geschweißt, welcher anschließend vom Futter der ECF-Anlage aufgenommen wird. Das
Ablängen der Werkzeuge wurde aufgrund der zur Verfügung stehenden Anlagentechnik bereits
vor Projektbeginn durch das ECF-Verfahren realisiert. Dazu wurde das Werkzeug gegen
die Werkstückoberfläche oder eine Referenzfläche gefahren und abgetragen. Die Werkzeuggeometrie
konnte nur durch Vermessen mittels REM oder Lichtmikroskop außerhalb der
Anlage bestimmt werden. Die Nutzungsrechte des ECF-Verfahrens liegen bei der Firma
ECMTEC, die Mitglied des Projektkonsortiums ist. Des Weiteren sind keine weiteren Rechte
Dritter bekannt, die dieses Vorhaben tangieren.
Die genaue Topografiemessung von Mikroaußenzylinderflächen im Durchmesserbereich von
10 µm bis 500 µm stellte vor Projektbeginn ein ungelöstes Problem dar. Kommerzielle taktile
Zylindertopografen, z.B. der Fa. Mahr, waren für die Vermessung der feinen ECF-
Werkzeuge mit Durchmessern von wenigen 10 µm aufgrund der Antastkräfte nicht geeignet,
da die mechanische Antastung zu Verbiegung bzw. irreversibler Deformation oder Zerstörung
führen würde. Der Cylinder Master der Firma Corning [3] ist ein Messgerät für Zylinderaussenflächen
mit einer Auflösung von 0,01 µm. Jedoch können nur Durchmesser von 3 mm
bis 25 mm gemessen werden. Außerdem ist eine in situ Messung mit diesem Messprinzip
nicht realisierbar [4]. Die Wirescan-Messsysteme der Firma BETA LaserMike [5] sind zwar
geeignet, um den Durchmesser von Mikrozylindern mit einer Auflösung bis zu 0,1 µm zu
bestimmen, ein lateral parallel versetzter Laserstrahl wird dabei durch den Prüfling unterbrochen,
das Messprinzip eignet sich aber nicht zur Topografiebestimmung. Insbesondere stellt
die Vermessung der Zylinder an der Stirnfläche ein Problem dar. Die Anwendung einer Streifenprojektion,
bei der der Schatten eines Sinusgitters auf den zylindrischen Prüfling geworfen
wird, wird in [6] beschrieben: Der Zylinderdurchmesser wird durch Messung der Phasenverteilung
des Intensitätsmusters an den Zylinderkanten bestimmt. Hierbei ergeben sich Probleme
durch Abweichungen der Intensitätsverteilung vom sinusförmigen Verlauf durch den
Abstand zwischen Gitter und Prüfling.
11

6 Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Über die Projektkooperation hinaus erfolgte eine Zusammenarbeit mit dem Institut für Zeitmesstechnik,
Fein- und Mikrotechnik der Universität Stuttgart (IZFM), welches durch das
Aufgreifen der ECF-Technik im Jahr 2001 und durch die anschließende Entwicklung einer
eigenen ECF-Anlage über große Erfahrungen bezüglich des mechanischen und elektrischen
Aufbaus der ECF-Anlagen und des Einsatzes der ECF-Technik verfügt.

7 Erzielte Ergebnisse
Zur Herstellung und Vermessung von rotationssymmetrischen Werkzeugen für das ECF
mussten die folgenden Teilaufgaben gelöst werden, die thematisch den einzelnen Projektpartnern
zugeordnet werden können.
Zunächst galt es, eine hinreichend genaue Werkzeugspindel, die für den ECF-Prozess geeignet
ist, zu entwickeln, zu fertigen und in die ECF-Anlage zu integrieren. Zudem musste
eine Bearbeitungsstrategie zur Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge mittels ECF
entwickelt und implementiert werden. Beide Themenkomplexe wurden durch das HSG-IMAT
bearbeitet.
Der zur Vermessung der Werkzeuge notwendige optische Sensor wurde durch das ITO ausgelegt
und als Laboraufbau realisiert und charakterisiert. Das optimierte System wurde anschließend
auf einem Messsystemträger aufgebaut und gehäust. Die Integration des fertigen
optischen Sensors in die ECF-Anlage erfolgte durch das HSG-IMAT.
Mittels der durch FhG-IZM und CWM entwickelten Software zur korrelationsgestützten Bildverarbeitung
können die Werkzeugbilder hinsichtlich ihrer Geometrie analysiert werden.
Die einzelnen Teilsysteme werden im Folgenden genauer vorgestellt.
7.1 Drehachse und Werkzeuge
7.1.1 Konzepte
Zur Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge, die mittels ECF-Technik gefertigt werden
sollen, muss das Gesamtsystem bestehend aus Drehachse, Werkzeug und pulserzeugender
Elektronik betrachtet werden. Denn zum einen sollen die unbearbeiteten Werkzeuge
in der Drehachse einen möglichst kleinen Rundlauffehler aufweisen, da somit zur Herstellung
von rotationssymmetrischen Werkzeugen nur ein kleines Materialvolumen bearbeitet werden
muss. Dies stellt hohe Anforderungen an die aufzubauende Mechanik. Zum anderen müssen
Drehachse und Werkzeug so aufgebaut sein, dass die für die ECF-Bearbeitung notwendigen
Spannungspulse im Bereich von wenigen Nanosekunden von der Generatorplatine bis zur
Werkstückspitze verlustfrei übertragen werden können.
Somit ergeben sich für die Konstruktion der Drehachse und der Werkzeuge folgende Einzelfragestellungen,
die anschließend genauer diskutiert werden: Elektrische Kontaktierung des
Werkzeugs, Lagerung und Aufbau der Drehachse, Werkzeug bzw. Werkzeugaufnahme. Die

Skizze in Abb. 1 zeigt einen möglichen Aufbau der Drehachse und die zu lösenden Aufgaben.
Zu lösende Aufgaben:
Abb. 1: Schematische Skizze einer Drehachsenanordnung inkl. Werkzeug und zu lösende
Aufgaben
Werkzeughalter
Zunächst wurde sich auf die Konzeption des Werkzeughalters konzentriert, der das eigentliche
Werkzeug, was in der Regel aus einem W-Draht besteht, mit der Drehachse bzw. einem
Werkzeugfutter verbindet. Folgende 4 Varianten wurden erarbeitet und bewertet:
Abb. 2 zeigt den Aufbau der Werkzeuge, wie sie vor Projektbeginn in den ECF-Anlagen verwendet
wurden. Hierbei wird ein 50 µm dicker Wolframdraht mittels Widerstandsschweißen
auf einem 3 mm dicken Stahlzylinder montiert. Beides wird von einem Kunststoffwerkzeughalter
aufgenommen. Der Nachteil dieser Ausführung liegt darin, dass nicht sichergestellt
werden kann, dass sich das Werkzeug auf der Rotationsachse befindet. Zudem stellt die
Schweißverbindung, die während des ECF-Prozesses den korrosiven Dämpfen ausgesetzt
ist, eine Schwachstelle dar. Daraus ergab sich die Notwendigkeit, ein neues Konzept für den
Werkzeughalter zu entwickeln.
14

Abb. 2: Werkzeughalter Variante 1 (Ausführung vor Projekt)
Variante 2
Abb. 3: Werkzeughalter Variante 2
Abb. 3 zeigt den schematischen Aufbau des Werkzeughalters der zweiten Variante. Das
Werkzeug wird hierbei über eine Klebeverbindung fest mit einer Kunststoffführung verbunden.
Die Kunststoffführung wird über eine konische Aufnahme mit der Drehachse verbunden
und zentriert damit das Werkzeug in der Drehachse. Neben der Zentrierung übernimmt die
Kunststoffführung die Aufgabe, das Werkzeug gegenüber der Werkzeugaufnahme elektrisch
zu isolieren. Die elektrische Kontaktierung des Werkzeugs erfolgt über einen Federkontaktstift.
Es ist allerdings zu erwarten, dass das Werkzeug nur sehr schlecht justiert mit der
Kunststoffführung gefügt werden kann.
Bei der Werkzeugvariante, die schematisch in Abb. 4 dargestellt ist, wird das Werkzeug in
einer Spannzange aus Kunststoff aufgenommen, die mittels Überwurfmutter im Werkzeughalter
oder direkt in der Werkzeugspindel verspannt wird. Bei der Verwendung von rotations-
symmetrischen Teilen, die über konische Flächen verspannt werden, ist eine hohe koaxiale
15

Genauigkeit des unbearbeiteten Werkzeugs bezüglich der Spindelachse zu erwarten. Die
elektrische Kontaktierung erfolgt im Inneren des Werkzeugs über einen Federkontaktstift. Die
Kontaktstelle selbst ist somit vor den korrosiven Dämpfen des Elektrolyten geschützt.
Nachteilig wirkt sich die Überwurfmutter aus, da sie in den Raum ragt, den das Werkzeug
einnimmt. Somit muss die Werkzeuglänge erhöht werden, was in einer geringeren Steifigkeit
des Werkzeugs und in größeren induktiven Leitungswiderständen bei der Pulsübertragung
resultiert. Zudem wird durch die Überwurfmutter die Sicht auf den Bearbeitungsbereich versperrt.
Abb. 4: Werkzeughalter Variante 3
Abb. 5 zeigt den schematischen Aufbau der vierten Variante des Werkzeughalters, wie er
auch bei der Firma ECMTEC GmbH zum Einsatz kommt. Hierbei wird das Werkzeug zentrisch
in einem Kunststoffkegel positioniert, der mit Hilfe einer hohlgebohrten Madenschraube
im Werkzeughalter verspannt wird. Aufgrund der Rotationssymmetrie aller verwendeten Teile
ist davon auszugehen, dass der Werkzeugdraht ausreichend genau auf der Rotationsachse
der Dreheinrichtung montiert werden kann. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über einen
Federkontaktstift und die Kontaktstelle befindet sich im Inneren des Werkzeugs und ist so
vor den korrosiven Dämpfen des Elektrolyten geschützt. Die spitz zulaufende Form des
Werkzeugs erlaubt einen freien Blick auf die Bearbeitungsstelle.
16

Abb. 5: Werkzeughalter Variante 4 (ECMTEC)
Da Werkzeughalter Variante 1 und 2 in Bezug auf eine hohe Rundlaufgenauigkeit der Werkzeuge
vor der Bearbeitung sehr kritisch zu bewerten sind, werden diese für die spätere Konstruktion
nicht berücksichtigt. Werkzeughalter Variante 3 und 4 sind in ihrer Funktion und
Aufbau sehr ähnlich. Aufgrund der spitz zulaufenden Form, die die Beobachtbarkeit des Arbeitsbereiches
begünstigt und die Verwendung kürzere Werkzeugdrähte erlaubt, wird Variante
4 bevorzugt und in der Konstruktion des Werkzeugs realisiert.
Pulsübertragung
Eine weitere Fragestellung ist die elektrische Kontaktierung des Werkzeugs. Hierbei muss
der auf der ortsfesten Pulserplatine erzeugte kurze Spannungspuls auf das rotierende Werkzeug
übertragen werden. Wie in Abb. 1 ersichtlich ist, ergeben sich hierbei zwei Kontaktstellen.
Über einen Schleifkontakt wird der Puls auf die rotierende Spindel übertragen. Ein zweiter
Kontakt sorgt für die Kontaktierung des Werkzeugs. Für den Kontakt zwischen Pulserplatine
und rotierendem Werkzeug sind prinzipiell zwei Varianten vorstellbar, die in Abb. 6
schematisch dargestellt sind.
17

Kontaktierung
am Umfang:
Kontaktierung
an Stirnfläche:
Abb. 6: Kontaktieren der Dreheinheit: links: Kontaktierung am Umfang; rechts: Kontaktierung
an Stirnfläche
Bei der rechten Variante erfolgt die Kontaktierung auf der Stirnseite der Drehachse. Es stoßen
ein ortsfester Federkontaktstift und die rotierende Achse aufeinander, so dass an der
Kontaktstelle eine Art „bohrende“ Beanspruchung vorliegt, die aus Verschleißgründen eine
Schwachstelle darstellt. Bei der linken Variante wird die rotierende Achse an ihrem Umfang
über einen federnd gelagerten Goldkontakt kontaktiert. Aus Gründen der Zuverlässigkeit ist
auch denkbar, mehrere Federkontakte parallel anzuordnen und so ein redundantes System
aufzubauen und den Übergangswiderstand zu reduzieren. Zwar sind beide Varianten ohne
großen Aufwand zu realisieren, doch ist die Variante mit Kontaktierung über den Umfang der
Stirnkontaktierung aus Zuverlässigkeitsgründen vorzuziehen. In vorangegangenen Arbeiten
konnte gezeigt werden, dass 30 ns-Pulse über einen derartigen Schleifkontakt zuverlässig
übertragen werden können [7]. Abb. 7 zeigt einen Testaufbau für die Pulsübertragung über
einen Schleifkontakt am Umfang. In Abb. 8 ist die Messung der Übertragung eines 30 ns-
Pulses über den Schleifkontakt zu sehen. Die linke Messung entstand bei stehender Achse,
die rechte bei rotierender Achse. Die Rotationsgeschwindigkeit betrug 1 U/s. Man erkennt,
dass in beiden Fällen der Spannungspuls ohne Veränderung über den Schleifkontakt übertragen
wird.
18

Abb. 7: Testaufbau zur Übertragung von kurzen Spannungspulsen auf eine rotierende
Achse
Abb. 8: Messung von 30 ns-Spannungspulsen vor (dunkelblau/oben) und nach (hellblau/unten)
dem Schleifkontakt: links ohne Rotation; rechts: bei rotierender Welle (1 U/s)
Da bei der zweiten Kontaktstelle sowohl Drehachse als auch Werkzeug mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit
drehen, zwischen ihnen also keine Relativbewegung auftritt, kann die
Kontaktierung des Werkzeugs mit einem einfachen Federkontaktstift realisiert werden. Um
aber auch hier einen möglichst geringen Übergangswiderstand und eine sichere Kontaktierung
zu realisieren, wurden auch hier unterschiedliche Varianten untersucht, die sich im Wesentlichen
in der Form des Werkzeugdrahtes unterscheiden.
19

Goldkontaktstift
Madenschraube
Kunststoffkegel
Werkzeugdraht
6 mm
Abb. 9: Kontaktierung des Werkzeugs
(Konzept 1)
Goldkontaktstift
Madenschraube
Kontaktierblättchen
Kunststoffkegel
Werkzeugdraht
6 mm
Abb. 10: Kontaktierung des Werkzeugs
(Konzept 2)
Abb. 9 und Abb. 10 zeigen zwei mögliche Varianten, die im Wesentlichen aus den gleichen
Elementen bestehen. Ein konischer Kunststoffkegel (grün) wird mittels hohlgebohrter Madenschraube
(rot) im Werkzeugfutter (nicht dargestellt) verspannt, wodurch der Werkzeugdraht
(gold) geklemmt wird. Diese Anordnung entspricht der in Abb. 5 dargestellten Variante
4 des Werkzeughalters. In Abb. 9 wird der Werkzeugdraht direkt über einen Federkontaktstift
mit kegelförmiger Spitze kontaktiert. In Abb. 10 ist an das Ende des Werkzeugdrahtes
zusätzlich ein Kontaktblech montiert, was für einen definierten Kontakt sorgen soll. Allerdings
stellt die Fertigung von Werkzeugdrähten mit Kontaktblättchen ein nicht triviales Problem
dar. Da in beiden Varianten eine zuverlässige Kontaktierung realisiert werden kann, wurde
sich für die Umsetzung der leichter zu realisierenden Variante entschieden, wie sie in Abb. 9
dargestellt ist.
Lagereinbau und Lageranordnung
Für die Lagerung der Spindel wurden zwei Konzepte genauer untersucht. Abb. 11 zeigt die
Skizze des schematischen Aufbaus der ersten Variante. Zentrales Element ist hierbei ein
zweireihiges Rillenkugellager, in dessen Innenring die Antriebswelle (rot) eingepresst wird.
Die Antriebswelle verfügt über eine Längsbohrung, über die die elektrische Kontaktierung
des Werkzeugs erfolgt, und wird mittels Elektromotor (nicht dargestellt) über ein Zahnradgetriebe
angetrieben.
Das Kegelfutter des Werkzeugs (dunkelgrün) wird über eine Spielpassung in den Innenring
des Rillenkugellagers montiert und mittels eines Federmechanismus fixiert.
20

Antriebswelle
Zahnrad-/Zahnriemenantrieb
Madenschraube
Kunststoffkegel
Abb. 11: Lagerung der Spindel (Konzept I)
El. Kontatkierung am Umfang
Federmechanismus
Zweireihiges Kugellager
Werkzeugfutter
Werkzeug
Diese Variante zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus, bei dem nur sehr wenige
Teile gefertigt werden müssen. Die hohe Rundlaufgenauigkeit der Rillenkugellager wird
ausgenutzt und das Werkzeug direkt im Innenring montiert. Die Befestigung des Werkzeugs
im Werkzeugfutter erfolgt nach der oben beschriebenen Variante 4 (vgl. Abb. 5). Allerdings
wird das Werkzeugfutter nicht in der Drehachse zentriert, so dass sich dadurch höhere
Rundlauffehler ergeben könnten.
In Abb. 12 ist die Lagerung der Spindelwelle mit einer Zwei-Lager-Anordnung realisiert, die
zur Reduzierung des Lagerspiels verspannt eingebaut werden. Die Spindel wird von den
Innenringen der Lager aufgenommen und verfügt über eine Längsbohrung, über die das
Werkzeug elektrisch kontaktiert wird. Die Werkzeugaufnahme ist über einen Kegelsitz realisiert,
so dass die Werkzeuge in der Spindel zentriert werden. Die Werkzeughalterung entspricht
der oben beschriebenen Variante 4 (vgl. Abb. 5). Die Kontaktierung des Werkzeugdrahtes
erfolgt entsprechend der in Abb. 9 dargestellten Variante. Die Isolierhülse sorgt für
die elektrische Isolierung des Federkontaktstifts.
21

Zahnradantrieb El. Kontaktierung am Umfang
Madenschraube
Kunststoffkegel
Werkzeug
Abb. 12: Lagerung der Spindel (Konzept II)
7.1.2 Konstruktion und Design
Einreihiges Rillenkugellager
Federkontaktstift
Isolierhülse
Spindel
Einreihiges Rillenkugellager
Aus den in Kap. 7.1.1 angestellten Überlegungen ergibt sich für Werkzeug und Drehachse
folgende Konstruktion, deren Aufbau in Abb. 13 dargestellt ist. Die Dreheinheit stellt eine
eigenständige Baugruppe dar, die an die im Projekt einzusetzenden Bearbeitungsköpfe montiert
werden kann. Kernstück stellen zwei einreihige Schrägkugellager dar, deren Rundlaufgenauigkeit
auf kleiner 2 µm spezifiziert ist. Die Lager nehmen die Hülse der Drehachse auf,
deren Konusfläche als Passfläche zur Aufnahme der Kegelfutter dient. Die Spindelwelle wird
in die Hülse der Drehachse gepresst. Sie enthält den Mechanismus zur elektrischen Kontaktierung
des Werkzeugs in Form einer Schraube mit eingelötetem Kontaktstift, die gegenüber
der Spindelwelle isoliert ist. Die Konusflächen von Kegelfutter und Hülse der Drehachse
werden über einen Federmechanismus aufeinander gezogen (siehe Abb. 14)
22

Elektrische
Kontaktierung
Hülse-
Drehachse
Werkzeughalter
Abb. 13: Schnittzeichnung durch die Dreheinheit
Hülse der
Drehachse
Kegelfutter
Feder
Kunststoffkegel
Spindelwelle
Flanschplatte
Kugellager
Feder
Spindellagerpfanne
Abb. 14: Detailansicht: Aufnahme des Werkzeugs / Kegelfutter in der Dreheinheit und
Entstehung der Haltekraft
Die Haltekraft, mit der die beiden Konusflächen aufeinander gezogen werden, ist in Abb. 15
in Abhängigkeit des Winkels α wiedergegeben.
FH
FH
α
23

Haltekraft FH [N]
12
10
8
6
4
2
0
Haltekraft und Verschiebung über Kegelwinkel
Haltekraft Verschiebung
0 20 40 60 80 100
Kegelwinkel α[°]
Abb. 15: Haltekraft und Einzugweg des Werkzeugs in Abhängigkeit des Winkels α (vgl.
Abb. 14)
Wie dem Graphen entnommen werden kann, können mit dieser Anordnung maximale Haltekräfte
von 10 N bei einem Winkel von 57° realisiert werden. Die Strecke, auf der diese Kraft
wirkt, ist allerdings sehr kurz. Deshalb wurde ein Winkel von 40° realisiert, bei dem eine noch
ausreichende Kraft von 9 N entwickelt wird und diese Kraft über einen längeren Weg wirkt.
Die Montage des Werkzeugdrahtes im Kegelfutter wird über die Werkzeughalter Variante 4
(vgl. Abb. 5) realisiert. Abb. 16 zeigt den Aufbau eines Werkzeugs in Schnittdarstellung. Ein
Kunststoffkegel, der eine koaxiale Bohrung mit einem Durchmesser von 250 µm besitzt, wird
von einer modifizierten Madenschraube im Kegelfutter verspannt und so der Werkzeugdraht
in der Bohrung kraftschlüssig montiert. Die Madenschraube wurde hohlgebohrt und die Innenfläche
durch Einpressen einer Kunststoffhüse elektrisch isoliert. Durch diese zentrische
Bohrung kann der W-Draht über einen Federkontaktstift elektrisch kontaktiert werden.
700
600
500
400
300
200
100
0
dz [µm] bei dx 10µm
24

Abb. 16: Kegelfutter
Kegelfutter
W-Draht
7.1.3 Aufbau des Teilsystems
Kunststoffkegel
Federdraht
Durchbohrte
Madenschraube
Kunststoffhülse
k l
Nachdem alle Komponenten der Dreheinheit gefertigt wurden, wurde die Dreheinheit aufgebaut
und in die ECF-Anlage des HSG-IMAT implementiert. Abb. 17 zeigt ein Bild der fertig
aufgebauten Dreheinheit ohne Gehäuse, so dass die Pulsgeneratorplatine, der Schleifkontakt
und der Zahnriemenantrieb sichtbar sind.
Pulsgenerator
Schleifkontakt
Zahnriemenantrieb
Spindellagerpfanne
Kegelfutter
W-Draht
Abb. 17: Dreheinheit mit Pulsgenerator, Schleifkontakt, Zahnriemenantrieb
Um die Rundlaufgenauigkeit der Drehachse zu bestimmen, wird die Konusfläche der Hülse
der Drehachse, die zur Aufnahme des Werkzeugfutters dient, mit einer Messuhr zu 1-2 µm
bestimmt. Die spezifizierte Rundlaufgenauigkeit der Rillenkugellager beträgt < 2 µm und stellt
25

den minimalen Rundlauffehler der Dreheinrichtung dar, der nicht korrigiert werden kann. Die
Rundlaufgenauigkeit der Drehachse ist damit als ausreichend anzusehen.
7.1.4 Erprobung
Versuche zeigten, dass sowohl bei stehendem als auch bei rotierendem Werkzeug der
Spannungspuls vom Pulsgenerator bis auf den Werkzeugdraht übertragen wird und eine
Bearbeitung möglich ist.
Vermisst man den Rundlauf von Werkzeugen vor der Bearbeitung, fällt auf, dass diese einen
verhältnismäßigen großen Rundlauffehler aufweisen. Hierfür können zwei Ursachen festgestellt
werden.
Aufgrund der kurzen Konusfläche der Spindelwelle und der damit verbundenen kurzen Federwege
werden die Konusflächen von Kegelfutter und Drehachsenhülse nicht mit ausreichender
Kraft aufeinander gezogen, so dass es nicht zur Berührung auf der gesamten Konusfläche
kommt. Die Passung der Konusflächen weist also Spiel auf, wodurch es zum Wackeln
der Werkzeuge kommt.
Als zweite Fehlerquelle konnte der Kunststoffkonus ausgemacht werden, der den Werkzeugdraht
gegenüber dem Werkzeugfutter elektrisch isoliert. Fertigungsbedingt weist die
zentrische Bohrung eine große Toleranz bezüglich Koaxialität auf, so dass der Werkzeugdraht
gegenüber der Rotationsachse verkippt wird. Zudem neigt Kunststoff unter mechanischer
Belastung zum Fließen, was den Rundlauf des Werkzeugs zusätzlich verschlechtern
kann.
7.1.5 Optimierung
Um Werkzeugwackeln zu unterbinden, wurde zunächst die Form der Feder, die die Spannkraft
für die Werkzeuge entwickelt, verändert (vgl. Abb. 18 und Abb. 19).
26

Abb. 18: Feder im Werkzeugfutter Abb. 19: Modifizierte Feder im Werkzeugfutter
Die Modifikation sollte die von der Feder erzeugte Spannkraft erhöhen, brachte aber keine
wesentliche Verbesserung in Bezug auf das Wackeln des Werkzeugs, so dass der bestehende
Spannmechanismus durch ein neues Spannsystem ersetzt wurde. Abb. 20 zeigt den
schematischen Aufbau der Drehachse mit altem und neuem Spannmechanismus. Beide Aufbauten
unterscheiden sich durch die Spindelwelle. Im Gegensatz zur ursprünglichen Version
wurde die neue Spindelwelle aus drei Teilen gefertigt, wobei sich zwei in axialer Richtung
verschieben lassen. Mit Hilfe des Bodenteils werden beide Teile durch eine Spiralfeder so
miteinander verspannt, dass eine Kraft in Einzugsrichtung des Werkzeugs entsteht. Ein Bajonettverschluss
bildet einen Hinterschnitt mit der Feder im Werkzeugfutter, wodurch die
Kraft der Spiralfeder formschlüssig auf das Kegelfutter übertragen wird.
27

Altes Konzept Neues Konzept
Schleifkontakt
Zahnrad
Schraube mit
eingelötetem Kontaktstift
Isolierung
Spindelwelle (neu) I
Druckfeder
Spindelwelle (neu) II
Boden Spindelwelle
Spindelwelle (alt)
Hülse der Drehachse
Kegelfutter
Bajonett-
verschluss
Abb. 20: Dreheinheit; li: alter Spannmechanismus; re: optimierter Spannmechanismus
Durch die Modifikation werden die Kegelfutter der Werkzeuge mit einer definierten Kraft von
25 N in den Kegelsitz gezogen und der Rundlauf der Werkzeugrohlinge konnte erheblich
verbessert werden.
Um den Einfluss der Kunststoffkegel auf den Rundlauffehler zu verkleinern, wurden Kunststoffkegel,
die zunächst aus Gründen der chemischen Beständigkeit aus PTFE gefertigt wurden,
durch Kegel aus PP und POM ersetzt. PP und POM weisen mit einer Zugfestigkeit von
33 N/mm 2 bzw. 60 – 70 N/mm 2 eine höhere Zugfestigkeit auf als PTFE mit 15 – 25 N/mm 2 ,
was sich auch im mechanischen Verhalten widerspiegelt. Durch die Verwendung von steiferen
Kegeln konnte die Rundlaufgenauigkeit der Werkzeugrohlinge weiter gesteigert werden.
Ein Fließen des Werkstoffs konnte aber bei keinem der verwendeten Kunststoffkegel verhindert
werden.
7.2 Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge
7.2.1 Konzepte
Die Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge soll in situ in der ECF-Anlage stattfinden,
wobei der Materialabtrag dabei mittels elektrochemischer Bearbeitung mit ultrakurzen Spannungspulsen
erfolgen soll. Durch Anpassen der elektrochemischen Bearbeitungsparameter
kann der ECF-Prozess derart verändert werden, dass der Materialabtrag nicht am Werk-
28

stück, sondern am Werkzeug erfolgt. Dies wird vornehmlich durch Invertierung der Spannungspulse
und Verschieben des Spannungsniveaus erreicht. Die Form der Gegenelektrode
wird dabei in das Werkstück übertragen.
Ähnlich dem Vorgehen zur Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge für die Funkenerosion
sollen auch in der ECF-Anlage Werkzeuge hergestellt werden. Das rotierende Werkzeug
wird gegen eine ortsfeste Gegenelektrode bearbeitet, deren Form sich auf das Werkzeug
überträgt. Im einfachsten Fall kann ein gespannter Draht als Gegenelektrode dienen.
Die Anordnung der Elektroden zur Werkzeugbearbeitung ist schematisch in Abb. 21 dargestellt.
W-Draht
(∅ 500µm)
Platindraht
(∅ 500µm)
Abdünnen: Ablängen/Abflachen:
W-Draht
(∅ 20µm)
∅ 20 µm
∅ 500 µm
Abb. 21: Elektrodenanordnung zur Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge
Zur Durchmesserreduktion wird das Werkzeug seitlich versetzt oberhalb des Platindrahtes
positioniert und in axialer Richtung zugestellt. Das Werkzeug rotiert dabei und wird ähnlich
der Bearbeitung in einer Drehmaschine abgetragen. Zum Einstellen der Spitzengeometrie
wird das Werkzeug mit dem reduzierten Querschnitt mittig über den Platindraht positioniert
und die Spitze durch eine einfache Bohrbearbeitung abgetragen. Das Resultat ist ein Werkzeug
mit zylindrischer Schneide.
7.2.2 Konstruktion und Design
Wie in 7.2.1 beschrieben, muss zum Herstellen rotationssymmetrischer Werkzeuge das rotierende
Werkzeug gegen eine ortsfeste Gegenelektrode abgetragen werden. Die Herstellung
einer Drehvorrichtung wurde im Kap.7.1 bereits ausführlich beschrieben. Im Folgenden
wird die Konstruktion der Gegenelektrodenanordnung genauer beschrieben.
29

Als Gegenelektrode dient zunächst ein Platindraht mit einem Durchmesser von 500 µm, der
in einem Rahmen aus PTFE geführt wird. Der Rahmen wird samt Draht in einem Becken,
das mit Elektrolyt gefüllt werden kann, eingetaucht, so dass sich der Platindraht dicht unter
der Elektrolytoberfläche befindet.
Platindraht
(∅500µm;
freie Länge: 15mm)
Rahmen (PTFE)
Bad (PTFE)
Abb. 22: Elektrodenanordnung zur Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge in
Variante 1
Im Zuge der Werkzeugherstellung wurde die Anordnung der Gegenelektrode zweimal verändert,
um auch Platindrähte mit dünnerem Querschnitt spannen zu können. Die beiden anderen
Varianten sind in Abb. 23 und Abb. 24 dargestellt. Bei Variante 2 wurde gegenüber Variante
1 der Rahmen derart verändert, dass ein Pt-Draht mit 100 µm Durchmesser zwischen
den beiden Hälften des Rahmens festgeklemmt werden kann. Um die Höhe des Pt-Drahtes
einzustellen, wird dieser über zwei Führungswellen gespannt. Die freie Länge des Drahtes
wurde gegenüber Variante 1 von 15 mm auf 4 mm reduziert. Bei Variante 3 wurde der Pt-
Draht über zwei Zapfen fest mit den beiden Rahmenhälften verbunden. Diese können aber
im Gegensatz zu Variante 2 über zwei Schrauben parallel zueinander verschoben werden,
wodurch der Pt-Draht gespannt werden kann. Die freie Länge des Drahtes beträgt ca.
15 mm.
30

Rahmen (Teil 1)
Rahmen (Teil 2)
Führungswelle
Pt-Draht
(∅100µm)
Abb. 23: Elektrodenanordnung zur Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge in
Variante 2; Pt-Draht-∅ 100 µm
Rahmen (ortsfest)
Gespannter Pt-Draht
(∅100µm)
Rahmen (beweglich)
Schrauben zum Spannen
des Pt-Drahtes
Abb. 24: Elektrodenanordnung zur Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge in
Variante 3; Pt-Draht-∅ 100 µm
7.2.3 Aufbau des Teilsystems
Die oben beschriebenen Varianten der Anordnung der Gegenelektrode wurden aus PTFE
gefertigt und in die ECF-Anlage implementiert. Abb. 25 zeigt die Gegenelektrodenanordnung
in Variante 1 in der ECF-Anlage. Zusätzlich wurde ein Becken zum Abdünnen von
Werkzeugen mit statischen Potentialen und ein Spülbecken mit DI-Wasser in die Anlage integriert.
31

Pt-Spirale zum Ätzen
mit statischen
Potentialen
Pt-Draht zum Ätzen
mit kurzen
Spannungspulsen
Spülbecken
(DI-Wasser)
Abb. 25: Bad- und Elektrodenanordnung zur Herstellung rotationssymmetrischer Werkzeuge
in Variante 1 (links); Becken zum Ätzen mit statischen Potentialen (rechts hinten);
Spülbecken für DI-Wasser (rechts vorne)
7.2.4 Erprobung und Optimierung
Zunächst wurden die elektrochemischen Bearbeitungsparameter für die Werkzeugbearbeitung
in einer 2M NaOH-Lösung optimiert. Hierfür wurden Bearbeitungen mit nicht rotierendem
Werkzeug durchgeführt und das Werkzeug seitlich versetzt neben der Gegenelektrode
positioniert und in horizontaler Richtung auf die Gegenelektrode verfahren, so dass die Gegenelektrode
in Form einer Kerbe im Werkzeug abgeformt wird. Das Ergebnis einer solchen
Bearbeitung mit einem 500 µm dicken W-Draht und einer Gegenelektrode mit 500 µm Durchmesser
ist in Abb. 26 zu sehen. Dem konstanten Werkzeugpotential UTip=300 mV wurden
Spannungspulse mit einer Amplitude von Um=2700 mV und einer Pulsweite PW=100 ns
überlagert.
Abb. 26: Bearbeitungsergebnis zur Optimierung der Bearbeitungsparameter von Wolfram
in 2M NaOH-Lösung
Es ist gut erkennbar, dass die Bearbeitung nur sehr lokal um die Gegenelektrode stattgefunden
hat, so dass diese Parameter für die nächsten Bearbeitungen beibehalten wurden.
32

Als nächster Bearbeitungsschritt sollten die Ergebnisse auf rotierende Werkzeuge übertragen
werden. Hierfür wurde die gleiche Versuchsanordnung wie oben beschrieben aufgebaut.
Die Ergebnisse von zwei Bearbeitungen sind in Abb. 27 und Abb. 28 dargestellt. Die Bearbeitung
des in Abb. 27 dargestellten Werkzeugs erfolgte aber mit Spannungspulsen mit einer
Pulsweite PW=200 ns und rotiertem Werkzeug. Die Bearbeitungsparameter des in Abb.
28 abgebildeten Werkzeugs unterscheiden sich zum vorherigen Werkzeug durch die Wahl
einer höheren Pulsamplitude von Um=4000 mV.
Abb. 27: REM-Bild eines in 2M NaOH bearbeiteten rotierenden Werkzeugs. Stelle mit
größter Unwucht wurde nicht bearbeitet
Abb. 28: REM-Bild eines in 2M NaOH bearbeiteten rotierenden Werkzeugs. Stelle mit
größter Unwucht wurde nicht bearbeitet
Wie in Abb. 27 und Abb. 28 im rechten Bild deutlich zu sehen ist, wurden beide Werkzeuge
nicht auf ihrem gesamten Umfang bearbeitet. Die Stelle mit der größten Unwucht wurde nicht
bearbeitet, was in der Herstellungsstrategie begründet liegt. Das Werkzeug verfährt in horizontaler
Richtung, bis ein Kontakt detektiert wird. In diesem Falle wird die Vorschubbewegung
gestoppt und das Werkzeug wird entgegen der Bearbeitungsrichtung verfahren, bis der
Kontakt gelöst wurde. Bei rotierenden Werkzeugen löst die Stelle mit der größten Unwucht
den ersten Kontakt aus. Der Kontakt wird detektiert, aber nicht durch Zurückfahren entgegen
der Vorschubrichtung sondern durch das „Weiterdrehen“ der Unwucht gelöst. Die Maschine
33

setzt nach dem Lösen des Kontaktes die Bearbeitung fort, bis nach einer vollen Umdrehung
die Unwucht den nächsten Kontakt auslöst. Da der Strom im Kontaktfall nicht über den Elektrolyten
fließt, sondern über den Kurzschluss direkt zur Gegenelektrode, findet an der Stelle
mit der Unwucht keine elektrochemische Reaktion und damit auch kein Materialabtrag statt.
Ein ähnliches Bearbeitungsbild ergibt sich, wenn man das Werkzeug seitlich versetzt oberhalb
der Gegenelektrode positioniert und mit Hilfe der bereits installierten Funktion „Autobohren“
bearbeiten lässt. Hierbei wird bei rotierendem Werkzeug kontinuierlich in z-Richtung
zugestellt, bis ein Kontakt detektiert wird und dann entgegen der Bearbeitungsrichtung verfahren,
bis der Kontakt gelöst wurde. Abb. 29 zeigt das Ergebnis einer solchen Bearbeitung,
wobei UTip=300 mV, Um=2700 mV und PW=200 ns gewählt wurde.
Abb. 29: REM-Aufnahmen eines Werkzeugs, das mit der Funktion „Autobohren“ hergestellt
wurde.
Auch hier erkennt man, dass die Stelle mit der größten Unwucht, die eigentlich abgetragen
werden sollte, nicht bearbeitet wurde. Als Ursache ist der schon oben beschriebene Effekt zu
nennen, nämlich dass der Kontakt nicht durch die Ausweichstrategie sondern durch das
„Weiterdrehen“ der Unwucht gelöst wurde.
Aufgrund dieser Tatsache wurde die Fertigungsstrategie derart geändert, dass sichergestellt
ist, dass der Kontakt nicht durch das „Weiterdrehen“ der Unwucht sondern durch das Zurückfahren
der Maschinenachsen entgegen der Bearbeitungsrichtung gelöst wird. Folgender Ansatz
wurde verfolgt:
Das rotierende Werkzeug nähert sich der Gegenelektrode, bis ein Kontakt detektiert wird.
Das Werkzeug verfährt entgegen seiner Bearbeitungsrichtung, bis der Kontakt gelöst ist und
bleibt an dieser Stelle für eine bestimmte Bearbeitungszeit stehen. Während dieser Bearbeitungszeit
wird das Material am Werkzeug, was sich innerhalb des Arbeitsabstandes befindet,
abgetragen. Anschließend wird wieder in Bearbeitungsrichtung zugestellt bis ein Kontakt
auftritt und anschließend wieder bearbeitet, bis alles Material im Arbeitsspalt abgetragen
wurde.
34

In einer ersten Bearbeitung wurde diese Strategie durch manuelles Verfahren der Achsen
umgesetzt (siehe Abb. 30). Das Werkzeug wurde seitlich versetzt neben der Gegenelektrode
platziert und radialer Richtung verfahren. Als Werkzeugpotential wurde eine Spannung
von UTip=300 mV angelegt und es wurden 200 ns Spannungspulse mit einer Amplitude von
Um= 2700 mV überlagert.
Abb. 30: Werkzeug mit rotationssymmetrischem Einstich, hergestellt durch manuelle
Zustellung der Achsen (W0011)
Wie man in Abb. 30 gut erkennen kann, wurde das Werkzeug auf seinem gesamten Umfang
bearbeitet. Die angewandte Strategie wird deshalb für eine automatisierte Herstellung programmiert
und in die Anlage implementiert.
Alle bisher gezeigten Bearbeitungsergebnisse wurden mit der Gegenelektrodenanordnung
der Variante 1 mit einem Pt-Draht mit 500 µm Durchmesser hergestellt. Da sich hierbei relativ
große Flächen des Werkzeugs innerhalb des Arbeitsabstandes befinden, sind die fließenden
Ladeströme verhältnismäßig groß. Der Pulsgenerator ist aber auf einen Maximalstrom
von 2,5 A begrenzt.
Um die umzuladenden Flächen bei der Bearbeitung zu verkleinern, wurde die Gegenelektrodenanordnung
in Variante 2 mit einem Pt-Draht mit 100 µm Durchmesser verwendet. Um die
Bearbeitungsparameter zu überprüfen und auf die geänderten geometrischen Verhältnisse
anzupassen, wurde das Werkzeug seitlich versetzt neben der Gegenelektrode positioniert
und bezüglich der Werkzeugachse in radialer Richtung verfahren, so dass sich die Gegenelektrode
im Werkzeug abbildet. Das Ergebnis der Bearbeitung eines Werkzeugs mit einem
W-Draht mit 500 µm Durchmesser ist in Abb. 31 dargestellt. Als konstantes Werkzeugpotential
wurde eine Spannung UTip= -100 mV angelegt, der 400 ns Spannungspulse mit einer
Amplitude von Um= 2700 mV überlagert wurden.
35

Abb. 31: Werkzeug mit eingebrachter Kerbe
Wie man in Abb. 31 gut erkennen kann, hat sich die Gegenelektrode sehr scharfkantig in
den W-Draht abgeformt. Die Kerbe weist eine Breite von 135 µm, so dass sich hieraus ein
Arbeitsabstand von 17,5 µm folgern lässt.
Nachdem gezeigt werden konnte, dass sich Werkzeuge mittels schrittweiser Bearbeitung
rotationssymmetrisch herstellen lassen, wurde folgende Herstellungsstrategie für die automatische
Werkzeugherstellung programmiert und in die ECF-Anlage implementiert:
Durch Antasten der Gegenelektrode mit dem W-Draht und Messen des Kurzschlussstroms
lässt sich die relative Lage des Werkzeugsdrahtes zum Pt-Draht bestimmen. Dies erfolgt bei
rotierendem Werkzeug, so dass der Berührpunkt der Stelle mit der größten Unwucht entspricht.
Der W-Draht wird seitlich versetzt oberhalb des Pt-Drahtes positioniert und verfährt
dann bei ausgeschaltetem Pulser in z-Richtung, d.h. axial zur Werkzeugachse, bis der W-
Draht den Pt-Draht berührt. An dieser Stelle stoppen die Achsen und der Kontakt wird durch
Zurückfahren entgegen der Bearbeitungsrichtung gelöst, so dass gerade keine Berührung
mehr stattfindet (vgl. Abb. 32 Schritt 1).
36

z
Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3 Schritt n
y
x
W-Draht
Pt-Draht
1. Kontakt Pulse einschalten
bis Material bis zum
Arbeitsabstand
entfernt
In z-Richtung
zustellen bis
Kontakt detektiert
Nach n
Zustellungen in
z-Richtung
Abb. 32: Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses rotationssymmetrischer
Werkzeuge (Durchmesserreduktion)
An dieser Stelle verweilt das Werkzeug bei eingeschalteten Spannungspulsen für die Bearbeitungszeit,
so dass das Material des Werkzeugs, was in den Arbeitsspalt ragt, aufgelöst
wird (vgl. Abb. 32 Schritt 2). Nach erfolgter Bearbeitung verfährt das Werkzeug einige Male
zwischen Bearbeitungshöhe und Rückzugsebene hin und her, um frischen Elektrolyten um
das Werkzeug und den Pt-Draht zu pumpen und verfährt anschließend in z-Richtung bis es
den Pt-Draht berührt (vgl. Abb. 32 Schritt 3), löst den Kontakt und bearbeitet das Werkzeug
für die Bearbeitungszeit, wobei das Material im Arbeitsspalt gelöst wird. Diese Schleife setzt
sich solange fort, bis die zuvor eingestellte Schneidenlänge erreicht ist.
Die Spitzengeometrie des Werkzeugs wird in einem zweiten Bearbeitungsschritt hergestellt.
Das Vorgehen zum Herstellen zylindrischer Werkzeuge ist in Abb. 33 dargestellt. Das im
Durchmesser reduzierte Werkzeug wird mit der Spitze neben dem Pt-Draht positioniert und
horizontal über diese verfahren, wobei die Werkzeugspitze abgetragen wird. Das Resultat ist
eine zylindrische Werkzeugspitze.
37

z
y
x
Pt-Draht
Werkzeug seitlich
neben Pt-Draht
positionieren
W-Draht
Pt-Draht
W-Draht
Werkzeug horizontal
über Pt-Draht verfahren
und Spitze abtragen
Abb. 33: Schematische Darstellung der Bearbeitung der Werkzeugspitze zum Herstellen
von zylindrischen Werkzeugen
REM-Aufnahmen von Werkzeugen, die mit dieser Bearbeitungsstrategie hergestellt wurden,
sind in Abb. 34 bis Abb. 36 dargestellt.
Abb. 34 zeigt die REM-Aufnahme eines Werkzeugs, das aus einem W-Draht mit 500 µm
Durchmesser hergestellt wurde. Der Durchmesser wurde auf einer Länge von 802 µm auf
283 µm reduziert. Als Gegenelektrode wurde ein Pt-Draht mit 100 µm Durchmesser verwendet.
Als konstantes Werkzeugpotential wurde eine Spannung von UTip= -100 mV angelegt,
der 400 ns Spannungspulse mit einer Amplitude von Um= 2700 mV überlagert wurden.
283 µm
802 µm
500 µm
Abb. 34: REM-Aufnahme eines rotationssymmetrischen Werkzeugs. Werkzeugdurchmesser:
283 µm, Schneidenlänge: 802 µm
38

In den Aufnahmen ist ein scharfer Übergang zwischen bearbeitetem und unbearbeitetem
Bereich erkennbar. Die Oberfläche im Bereich mit dem reduzierten Durchmesser ist im Vergleich
zur unbearbeiteten Oberfläche ähnlich rau. Insgesamt weist das Werkzeug eine rotationssymmetrische
Form auf, die lediglich durch eine Einschnürung in der Mitte der Schneide
gestört wird. Die Zylinderform an der Werkzeugspitze ist sehr scharfkantig ausgeprägt.
Das in Abb. 35 dargestellte rotationssymmetrische Werkzeug wurde aus einem W-Draht mit
200 µm Durchmesser gefertigt und weist in seinem bearbeiteten Bereich einen Durchmesser
von 46,4 µm auf. Die Schneidenlänge beträgt nach der Bearbeitung der Werkzeugspitze
233 µm. Dem statischen Werkzeugpotential UTip= -100 mV wurden 100 ns Spannungspulse
mit einer Amplitude von Um= 2700 mV überlagert.
233 µm
46,4 µm
200 µm
Abb. 35: REM-Aufnahme eines rotationssymmetrischen Werkzeugs. Werkzeugdurchmesser:
46,4 µm, Schneidenlänge: 233 µm
Die Qualität der Bearbeitung entspricht der des zuvor gezeigten Werkzeugs. Die Übergänge
zwischen bearbeitetem und unbearbeitetem Bereich sind sehr scharfkantig. Allerdings ist die
Oberfläche des bearbeiteten Bereichs im Vergleich zum unbearbeiteten eher rau und kraterförmig.
Wie groß der Offset zwischen der Rotationsachse des unbearbeiteten W-Drahtes und
des bearbeiteten Bereichs ist, der dem Rundlauffehler des ursprünglichen Werkzeugs entspricht,
ist in Abb. 35 besonders in der isometrischen Ansicht des Werkzeugs gut erkennbar.
Ein weiteres Beispiel für ein rotationssymmetrisches Werkzeug ist in Abb. 36 dargestellt.
Der 200 µm W-Draht wurde auf einen Durchmesser von 48,0 µm reduziert. Hierfür wurde
eine Spannung von UTip= -100 mV als konstantes Potential am Werkzeug angelegt, der
100 ns Spannungspulse mit einer Amplitude von Um= 2700 mV überlagert wurden.
39

48,0 µm
220,9 µm
200 µm
Abb. 36: REM-Aufnahme eines rotationssymmetrischen Werkzeugs. Werkzeugdurchmesser:
48 µm, Schneidenlänge: 220 µm
Auch dieses Werkzeug weist im reduzierten Bereich eine hohe Zylindrizität auf. Der Übergang
der Zylindermantelfläche zur Stirnfläche ist allerdings nicht scharfkantig sondern besitzt
einen relativ großen Radius.
Es stellte sich bei der Bearbeitung der Werkzeuge heraus, dass die reproduzierbare Herstellung
guter Werkzeuge problematisch ist, was vor allem im elektrochemischen Herstellungsprozess
begründet liegt. Zum einen verändert sich über die Bearbeitungszeit durch Verdunsten
von Wasser die Elektrolytkonzentration und damit seine Leitfähigkeit, die einen entscheidenden
Einfluss auf den sich ergebenden Arbeitsabstand hat, zum anderen reduziert sich
mit kleineren Werkzeugdurchmessern deren Werkzeugoberfläche, was zu einem Anstieg der
elektrischen Feldstärke vor dem Werkzeug führt, die wiederum die elektrochemische Reaktion
stark beeinflusst. Aus diesem Grund erscheint besonders die Herstellung von Werkzeugdurchmessern
kleiner 40 µm als schwierig und konnte in diesem Projekt nicht realisiert werden.
40

7.3 Optiken zur Vermessung der Werkzeuge
7.3.1 ITO-Optik
Die vom ITO zu bearbeitenden Arbeitspakete umfassten die Erstellung eines flächig messenden
optischen Sensors zur hochgenauen Ermittlung des Werkzeugdurchmessers sowie
darüber hinaus zur Erkennung von lokalen Defekten am Werkzeug. Das Messsystem soll in
die Werkzeugmaschine integriert werden, damit die Messergebnisse direkt in den Fertigungsprozess
rückgekoppelt werden können, um z.B. die Bearbeitungsparameter an den
aktuellen Zustand des Werkzeugs anpassen zu können.
7.3.1.1 Konzepte
Zunächst wurde ein Messsystem mit zwei Beleuchtungseinrichtungen geplant. Es sollte eine
Auflichtbeleuchtung und eine Durchlichtbeleuchtung verwendet werden können. Die Durchlichtbeleuchtung
sollte zur Messung des Werkzeugdurchmessers eingesetzt werden und die
Auflichtbeleuchtung zur Defekterkennung. Es hat sich jedoch frühzeitig bei der Projektbearbeitung
herausgestellt, dass eine Durchlichtbeleuchtung in Kombination mit der geplanten
Drehvorrichtung des Werkzeugs ausreichend ist, da auch so die Defekte am Werkzeug sicher
erkannt werden können.
WLQ
Blende
Schutzgläser
ECM-Wzg.
MO
Abb. 37: Erstes Konzept des flächig messenden optischen Messsystems mit Auflichtund
Durchlichtbeleuchtung.
Auf Grund des begrenzten Bauraums sowie der guten Ergebnisse der ersten Durchlichtmessungen
wurde daher auf eine Auflichtbeleuchtung verzichtet. Es wurde im weiteren Verlauf
nur die Durchlichtbeleuchtung weiterverfolgt.
EP
10x
0,3
BS
WLQ
CCD

Für die Abbildung wurde ein Objektiv von der Firma Zeiss gewählt (s. Abb. 38). Das Objektiv
hat folgende Daten:
� Vergrößerung 10,0x,
� Arbeitsabstand 45 mm,
� Numerische Apertur 0,2,
� verzeichnungsfrei,
� Bildweite ca. 120 mm,
� Baulänge 163 mm,
� Gewicht ca. 600g,
� Preis ca. 2000,-€.
Abb. 38: Bild des eingesetzten Zeiss-Objektives.
Der große Arbeitsabstand des Objektives von 45 mm ist notwendig, da zur Vermessung ein
Teil der Werkzeugaufnahme zwischen die Beleuchtung und die Abbildungsoptik gefahren
werden muss. Da das Objektiv jedoch relativ große Abmaße aufweist und einen hohen Teil
der Gesamtkosten des Sensors ausmacht, sollte geprüft werden, ob es möglich ist, das Objektiv
durch eine Kombination mehrerer Standardlinsen zu ersetzen. Hierfür wurde eine Simulation
mit dem Optikberechnungsprogramm Zemax durchgeführt. Es konnte eine Kombination
aus Einzellinsen gefunden werden, welche ähnliche Abbildungseigenschaften bietet
wie das Zeiss-Objektiv. Allerdings ist die Montage auf Grund der einzuhaltenden Positionierungstoleranzen
schwierig. Außerdem werden ebenfalls sieben Linsen benötigt (s. Abb. 39),
so dass die Kosten für das Abbildungssystem inklusive der noch benötigten mechanischen
Komponenten nicht wesentlich geringer ausfallen als die des gekauften Objektives.
42

Abb. 39: Strahlengang des Abbildungssystems, welches als Ersatz des Zeiss-Objektives
zum Einsatz kommen sollte.
Als Bildsensor wurde eine 12 Bit CCD-Kamera der Firma PCO gewählt. Diese bietet eine
hervorragende Dynamik und eine sehr hohe Sensitivität bei geringen Gehäuseabmessungen
(s. Abb. 40). Die Daten der PCO Pixelfly Kamera sind:
� 1392 x 1024 Pixel,
� Pixelgröße 6,45 µm quadratisch,
� sensitive Fläche 9,0 x 6,6 mm².
Abb. 40: Bild der PCO Pixelfly Kamera.
Eine weitere wichtige Komponente ist die Beleuchtungseinrichtung. Zunächst wurde, wie bei
mikroskopischen Messsystemen üblich, eine Köhler'sche Beleuchtung vorgesehen (s. Abb.
41). Diese bietet den Vorteil, dass die Numerische Apertur der Beleuchtung sowie die Beleuchtungsstärke
getrennt voneinander einstellbar sind. Ermöglicht wird dies durch einen
sog. verflochtenen Strahlengang. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass hierfür ebenfalls eine
recht komplexe Beleuchtungseinheit mit mehreren Linsen und Blenden benötigt wird.
43

Abb. 41: Schema der Köhler'schen Beleuchtung.
Da der zur Verfügung stehende Bauraum klein ist und die Kosten für das einzusetzende
Messsystem gering gehalten werden sollten, wurden verschiedene Beleuchtungsvarianten
untersucht. Es wurden folgende Varianten betrachtet:
• Köhler'sche Beleuchtung mit weißer LED (s. Abb. 42),
• weiße LED direkt,
• farbige LED direkt,
• LED-Array aus weißen LEDs, direkt (s. Abb. 43).
Abb. 42: Laboraufbau mit Köhler'scher Beleuchtungseinheit.
44

Abb. 43: Laboraufbau mit direkter Beleuchtung mit einem LED-Array.
Durch die unterschiedliche numerische Apertur und zeitliche Kohärenz der Lichtquellen ergaben
sich einige Besonderheiten. Bei der Köhler'schen Beleuchtung konnten keine Effekte
einer kohärenten Beleuchtung, wie z.B. Überschwinger an Kanten, festgestellt werden. Die
Kanten des abgebildeten Werkzeugs ergeben hierbei einen gleichmäßigen Hell-
Dunkelübergang. Bei der Verwendung einer einzelnen LED ohne eine zusätzliche Abbildungsoptik
treten Effekte einer kohärenten Abbildung an den Werkzeugkanten auf. Es entstehen
Überschwinger. Die Höhe der Überschwinger unterscheidet sich in Abhängigkeit von
der verwendeten LED. Mit einer einfarbigen, also spektral schmalbandigen LED sind die auftretenden
Überschwinger sehr groß, mit einer einzelnen Weißlicht-LED sind die Überschwinger
bereits deutlich reduziert. Beim Einsatz des Weißlicht-LED-Arrays treten, wie bei der
Köhler'schen Beleuchtung auch, keine Überschwinger an Kanten auf.
Abb. 44 und Abb. 46 zeigen Messungen mit einer einzelnen grünen LED, einer einzelnen
weißen LED, dem LED-Array und der Köhler'schen Beleuchtung. Man sieht, dass die auftretenden
Überschwinger an den Kanten stark von der Position des Werkzeugs relativ zur Fokusebene
des Messsystems abhängen. In der Fokusposition treten keine relevanten Überschwinger
auf, während intra- und extrafokal deutliche Überschwinger zu sehen sind. Die
Überschwinger sind darüber hinaus asymmetrisch.
45

a) b)
Abb. 44: Linienschnitt durch die aufgenommenen Intensitätsbilder eines ECF-Werkzeuges
in a) intrafokaler Lage, b) Fokuslage und c) extrafokaler Lage. Es wurde eine einzelne, grüne
LED zur Beleuchtung verwendet. Man kann deutlich die an den Kanten auftretenden
Überschwinger erkennen.
Es wurde daraufhin detailliert untersucht, ob sich die auftretenden Überschwinger für eine
hochgenaue Subpixel-Kantendetektion nutzen lassen. Hierfür wurden Simulationsrechnungen
mit der Lightpipes-Toolbox mit dem Programm Matlab durchgeführt. Die Simulationsergebnisse
stimmen im Wesentlichen mit den Messergebnissen überein (s. Abb. 45). Einzig
das Verschwinden der Überschwinger in der Fokusposition und die auftretende Asymmetrie
können mittels der Simulationsrechnung nicht ganz nachvollzogen werden. Da die Überschwinger
jedoch stark von der lokalen Werkzeuggeometrie, wie z.B. Verschmutzungen und
Ausbrüchen, abhängig sind, wurde eine mögliche Nutzung für eine hochgenaue Kantendetektion
ausgeschlossen.
c)
46

a) b)
Abb. 45: Linienschnitte durch simulierte Intensitätsbilder eines ECF-Werkzeuges bei direkter
Beleuchtung mit einer schmalbandigen Lichtquelle, in a) intrafokaler Lage, b) Fokuslage
und c) extrafokaler Lage.
c)
47

a)
Abb. 46: Linienschnitte durch aufgenommene Bilder eines ECF-Werkzeugs. a) Beleuchtung mit
einer einzelnen weißen LED, b) Beleuchtung mit dem weißen LED-Array und c) Köhler'sche Beleuchtung.
Es werden stattdessen die von den Projektpartnern erarbeiteten Algorithmen zur Subpixelkantendetektion
verwendet.
7.3.1.2 Konstruktion und Design
Neben der zu lösenden messtechnischen Aufgabe lag ein großer Schwerpunkt in diesem
Projekt auf der konstruktiven Gestaltung der Messvorrichtung. Der kleine zur Verfügung stehende
Bauraum, der bei der benötigten Vergrößerung und Auflösung sehr große geforderte
Arbeitsabstand, das aggressive Flusssäure-Milieu und die möglichst geringen Systemkosten
stellten schwer zu erfüllende Rahmenbedingungen dar.
Auf der Seite der Beleuchtung konnte die vorgegebene maximale Sensorbaulänge durch
eine zweifache Faltung des Strahlengangs eingehalten werden. Für die Beleuchtungsseite
c)
b)
48

wurden verschiedene Konzepte erarbeitet. Zuerst der Ansatz mit einer Köhler'schen Beleuchtung,
da diese die besten Abbildungseigenschaften bietet. Da jedoch der vorhandene
Bauraum hierfür nicht ausreicht (s. Abb. 47), wurde schließlich das Array aus weißen LEDs
eingesetzt (s.Abb. 48).
Zum Schutz gegen die bei der Bearbeitung entstehenden Flusssäuredämpfe wurde das
Messsystem mit einem geschlossenen Gehäuse gekapselt. Eine Schwierigkeit hierbei war
der Schutz des Objektives. Dieser sollte mittels einer speziellen Kunststoffplatte oder -folie
realisiert werden. Diese wiederum beeinträchtigt aber die Abbildungseigenschaften. Deshalb
wurden Versuche am Laboraufbau mit unterschiedlichen Folien durchgeführt. Es wurde
letztendlich eine 50 µm dünne, flusssäurebeständige FEP-Folie der Firma Novofol verwendet,
welche mittels einer Spannvorrichtung möglichst eben eingespannt vor dem Objektiv
angeordnet wurde.
Das konstruierte Blechgehäuse wurde mit dem Messsystemträger fest verschraubt und mit
Silikon abgedichtet. Hierdurch sollte ein über längere Zeit stabiles Messsystem gegeben sein
(s. Abb. 49).
Abb. 47: Variante des Beleuchtungssystems mit Köhler'scher Beleuchtung. Der Strahlengang
ist hierbei zweifach gefaltet.
49

Abb. 48: Endgültige Konstruktion des Abbildungssystems und des Beleuchtungssystems.
Der Strahlengang des Abbildungssystems ist innerhalb des Gehäuses zweifach
gefaltet.
7.3.1.3 Aufbau des Teilsystems
Es wurden zunächst mehrere Laboraufbauten zur Erprobung des Messprinzips erstellt und
aufgebaut. Nach erfolgreichem Abschluss der Testmessungen und Rücksprache mit den
anderen Projektpartnern wurde die abschließende Konstruktion erstellt und mit Hilfe der Institutswerkstatt
gefertigt. In der Abb. 49 ist das aufgebaute Messsystem, fertig montiert auf
dem Messsystemträger, dargestellt. Der Gehäusedeckel ist hierbei geöffnet, so dass die
Komponenten (Kamera, Objektiv, Strahlumlenkung) zu sehen sind.
PCO Kamera
Objektiv
Schutzfolie (Novofol FEP 50 µm)
LED-Array
Abb. 49: Erstelltes Messsystem mit geöffnetem Gehäuse, auf dem Messsystemträger
montiert.
50

7.3.1.4 Erprobung
Vor der Integration des Sensors in die ECF-Anlage wurden zahlreiche Testmessungen mit
dem Sensor durchgeführt. Es wurden Werkzeuge mit verschiedenen Durchmessern untersucht
sowie mehrere Messserien mit verkippten Werkzeugen und Werkzeugen in verschiedenen
Abständen zur Fokusebene. Die Abb. 50 zeigt ein mit dem endgültigen Messsystem
aufgenommenes ECF-Werkzeug.
Abb. 50: Ergebnis einer Messung eines stark verschmutzten ECF-Werkzeugs und zugehöriger
Linienschnitt.
7.3.1.5 Optimierung
Durch die im Laufe des Projekts aufgebauten und schrittweise optimierten Laborsysteme war
eine abschließende Optimierung des Beleuchtungs- oder Abbildungssystems nicht mehr
notwendig. Einzig für die zum Schutz der Optik eingesetzte FEP-Folie mussten mehrere
Spannvorrichtungen getestet werden, um eine ausreichend ebene Spannung der Folie zu
erreichen.
7.3.1.6 Integration des Sensors in die ECF-Anlage und Testen
Der Messsystemträger samt optischem Sensor wurde in der ECF-Anlage des HSG-IMAT
implementiert (siehe Abb. 51) und in Betrieb genommen.
51

Abb. 51: Platzierung der optischen Systeme zur Werkzeugvermessung in der ECF-
Anlage des HSG-IMAT
Um die Messgenauigkeit des Systems zu untersuchen, wurde ein Referenzobjekt, dessen
Durchmesser durch die Fa. Mahr mit Hilfe einer optischen Koordinatenmessmaschine zu
102,88 µm bestimmt wurde, verwendet. Abb. 52 zeigt eine Aufnahme des Referenzobjektes,
das mit der ITO-Optik aufgenommen wurde. Das Bild zeigt einen hohen Kontrast und die
Kanten des Werkzeugs lassen sich gut erkennen. Die Pixelpositionen der Kanten des Werkzeugs
wurden in einer Entfernung von 140 µm von der Spitze mit Hilfe einer Bildsoftware
manuell ausgelesen. Nominell weist ein Pixel eine Fläche von 0,645 x 0,645 µm 2 auf. Legt
man diesen Abbildungsmaßstab zugrunde, erhält man durch Differenzbildung den Durch-
140 µm
589 px
748 px
159 px
∅=102,55 µm
Abb. 52: Aufnahme eines Referenzobjektes mit 100 µm Durchmesser
ITO-Optik
(Beleuchtung)
ITO-Optik
(Objektiv und Kamera)
BLUM-Laser
Drehachse
52

messer des Referenzobjektes. Die so ermittelten 102,55 µm stimmen gut mit dem durch die
Firma Mahr bestimmten Durchmesser von 102,88 µm überein.
Abb. 53 zeigt eine Aufnahme des oben beschriebenen Werkzeugs (vgl. Abb. 36), die mit
der ITO-Optik aufgenommen wurde. Das Bild zeigt einen hohen Kontrast und das Werkzeug
wird von scharfen Kanten begrenzt. Dies erlaubt eine Auswertung der Werkzeuggeometrie
mit bildverarbeitender Software.
Abb. 53: Aufnahme des in Abb. 35 dargestellten Werkzeugs, aufgenommen mit ITO-
Optik
Die Auswertung der aufgenommenen Bilder erfolgt mit der von FhG-IZM und CWM im Rahmen
dieses Projektes erarbeiteten Korrelationsoftware (vgl. Kap. 7.4)
7.3.2 BLUM-LaserControl nano NT
Neben der ITO-Optik wurde das in Abb. 54 dargestellte Lasermesssystem „LaserControl
NanoNT“ der Fa. BLUM-Novotest GmbH als Referenzsystem in die ECF-Anlage integriert
und in Betrieb genommen (vlg. Abb. 51).
53

Abb. 54: BLUM-Lasermesssystem LaserControl nanoNT
Es handelt sich hierbei um ein kommerziell verfügbares Lasermesssystem zur Werkzeugeinstellung
und Bruchkontrolle, was speziell für die Anforderungen in Bearbeitungszentren der
Mikrobearbeitung konzipiert wurde. Eine der Standardanwendungen für dieses System ist
die Durchmesserbestimmung von Werkzeugen. Dabei wird der Laserstrahl einmal von links
und einmal von rechts gegen das Werkzeug verfahren (vgl. Abb. 55). Das System detektiert
die Abschattung des Laserstrahls und gibt ein Schaltsignal an den Steuer-PC der Anlage.
Die Achspositionen werden zum Zeitpunkt der Laserstrahlabschattung dokumentiert und aus
diesen der Werkzeugdurchmesser berechnet.
A
W-Draht
Laserstrahl
Antasthöhe
z
Antasten der Werkzeugwand
re. Wand li.
Wand
Abb. 55: Vermessen eines Werkzeugs mit dem BLUM-Lasermesssystem
Wie aus Abb. 55 B ersichtlich ist, entspricht die Differenz der Schaltpunkte nicht ausschließlich
dem Werkzeugdurchmesser. Vielmehr geht der Laserstrahldurchmesser unter Berücksichtigung
der Schaltschwellen des Lasermesssystems als Offset in das Messergebnis mit
ein. Um den Offset zu bestimmen, wird das in Abb. 52 dargestellte Referenzobjekt vermessen.
Analog zur Messung mit der ITO-Optik beträgt die Messhöhe 140 µm von der Spitze
des Referenzobjektes. Der Objektdurchmesser wurde in zwei Messreihen zu je 100 Mes-
y
x
B
54

sungen bestimmt. In Abb. 56 sind die x-Koordinaten der Schaltpunkte für jede Messung aufgezeichnet.
Als Mittelwert ergibt sich für den Werkzeugdurchmesser in Messung 1 ein Wert
von 110,47 µm, in Messung 2 ein Wert von 110,39 µm. Die Standardabweichung beträgt in
beiden Fällen 0,18 µm. Besonders bei der ersten Messung (roter und schwarzer Graph) ist
ein Drift der Schaltpunkte von annähernd 5 µm erkennbar. Da beide Schaltpunkte parallel
driften, wirkt sich dieser nicht auf den ermittelten Objektdurchmesser aus. Ursache des Drifts
ist vermutlich eine zu geringe mechanische Steifigkeit des Messsystemträgers für das
BLUM-Lasermesssystem.
Nr. der Messung
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
V1 re. Wand
V1 li. Wand
V2 re. Wand
V2 li. Wand
85235
85236
85237
85238
85239
85240
85241
85242
85445
85446
85447
85448
85449
85450
85451
85452
x-Koordinate [µm]
Abb. 56: Wiederholte Durchmesserbestimmung eines Referenzobjektes mit dem BLUM-
Lasermesssystem
Durch Vergleich dieser Messergebnisse mit dem zuvor bestimmten Objektdurchmesser von
102,88 µm durch die Fa. Mahr ergibt sich ein Offset des BLUM-Lasermesssystems von
7,85 µm. Dieser Wert konnte durch eine zweite Messreihe mit einem Referenzobjekt mit
200 µm Durchmesser verifiziert werden.
Das in Abb. 35 dargestellte Werkzeug wurde ebenfalls mit dem BLUM-Lasermesssystem
100 mal vermessen. Das Messergebnis ist in Abb. 57 dargestellt.
55

Nr. der Messung
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Wiederholgenauigkeit bei 100 Messungen
Antasthöhe 140 µm
Durchmesser [µm]
46 48 50 52 54
85338 85340 85342 85344 85346 85348
x-Koordinate re. Wand [µm]
85382 85384 85386 85388 85390
x-Koordinate li. Wand [µm]
re.Wand
li. Wand - offset
Durchmesser
Abb. 57: Bestimmung des Werkzeugdurchmessers des in Abb. 35 dargestellten ECF-
Werkzeugs in einer Messhöhe von 140 µm
Dabei entspricht die mit Dreiecken gekennzeichnete Kurve der rechten Werkzeugwand, die
mit Kreisen der linken. Dargestellt sind die Koordinaten der x-Achse zum Schaltzeitpunkt.
Die mit Quadraten gekennzeichnete Kurve stellt den daraus bestimmten Werkzeugdurchmesser
dar. Im Mittel ergibt sich unter Berücksichtung des oben ermittelten Offsets des
BLUM-Lasermesssystems ein Werkzeugdurchmesser von 45,7 µm. Die Standardabweichung
über 100 Messungen beträgt 0,27 µm. Die Drift der dargestellten Kurven der Werkzeugwände
von ca. 4 µm ist vermutlich auf eine zu geringe mechanische Steifigkeit des
Messsystemträgers zurückzuführen. Auch bei diesem Werkzeug ergibt sich eine gute Übereinstimmung
des mit dem BLUM-Lasermesssystem bestimmten Durchmessers mit dem mittels
REM und ITO-Optik bestimmten Durchmessers.
Mit dem BLUM-Lasermesssystem lässt sich auch die Form des Werkzeugs ermitteln. Hierzu
wird der Werkzeugdurchmesser in unterschiedlicher Entfernung von der Werkzeugspitze
56

estimmt. Das in Abb. 35 dargestellte Werkzeug wurde auf diese Weise vermessen, wobei
der Abstand zur Werkzeugspitze sukzessive um 20 µm erhöht wurde (vgl. Abb. 58). Analog
zu Abb. 57 zeigt der mit Dreiecken markierte Graph die rechte Werkzeugwand, der mit Kreisen
die linke. Beide Graphen zusammen geben die Werkzeugform in der vermessenen Ebene
wieder. Der durchmesserreduzierte Bereich, von der Spitze bis etwa 160 µm, ist gut erkennbar.
Der mit den Quadraten gekennzeichnete Graph stellt den ermittelten Werkzeugdurchmesser
dar. Von der Spitze bis zu einem Abstand von 160 µm beträgt der mittlere
Werkzeugdurchmesser 46,51 µm, die Standardabweichung 0,71 µm.
Abstand von Werkzeugspitze [µm]
350
300
250
200
150
100
50
Bestimmung der Werkzeugform
Werkzeugdurchmesser [µm]
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
0
85250 85300 85350 85400 85450 85500 85550
x-Koordinate [µm]
re. Wand
li. Wand
Durchmesser
Abb. 58: Bestimmung des Werkzeugdurchmessers in unterschiedlicher Entfernung von
der Werkzeugspitze (vgl. Abb. 35)
7.3.3 Grenzen der Messverfahren
Um die Grenze der Messverfahren zu bestimmen, wurde der Durchmesser eines Wolframdrahtes
mittels Ätzen mit konstanten Potentialen in einem Elektrolyten aus 2 M NaOH reduziert.
Der Ätzprozess wurde mehrmals unterbrochen und die Eintauchtiefe des Werkzeugs
57

variiert, so dass sich das Werkzeug wellenförmig stufenweise verjüngt. Das so hergestellte
Werkzeug wurde anschließend mittels BLUM-Lasermesssystem von der Werkzeugspitze bis
in eine Höhe von 1,5 mm in 20 µm-Schritten vermessen und der Durchmesser bestimmt.
Das Messergebnis ist in Abb. 59 dargestellt. Zudem wurde das Werkzeug mittels ITO-Optik
dokumentiert. Aufgrund der hohen Länge wurde das Werkzeug schrittweise durch das Kamerafeld
der ITO-Optik verfahren, dokumentiert und mittels bildverarbeitender Software manuell
wieder zusammengesetzt. Es ist gut erkennbar, dass die mit dem BLUM-
Lasermesssystem bestimmte Werkzeugform gut mit der mittels ITO-Optik dokumentierten
Form übereinstimmt.
Abstand von Werkzeugspitze [µm]
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
re. Wand
li.Wand - 7,8 µm
Werkzeugform
-800
84600 84800 85000 85200 85400 85600 85800
Werkzeugdurchmesser
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
-800
Werkzeugdurchmesser W0082
0 20 40 60 80 100 120 140
Abb. 59: Bestimmung der Werkzeugform mit dem BLUM-Lasermesssystem bei einem
Werkzeug, dass mit konventioneller Ätztechnik hergestellt wurde.
Abb. 60 zeigt die Detailansicht der Spitze des in Abb. 59 dargestellten Werkzeugs. Das
Werkzeug weist in diesem Bereich einen Werkzeugdurchmesser von 20 µm und kleiner auf.
In der linken Abbildung ist gut erkennbar, dass selbst im Bereich der Werkzeugspitze die mit
dem BLUM-Lasermesssystem bestimmte Werkzeugform gut mit der durch das ITO-System
dokumentieren Form übereinstimmt, so dass davon ausgegangen werden kann, dass mittels
58

BLUM-Lasermesssystem Werkzeuge mit Durchmessern kleiner 10 µm vermessen werden
können. Die gleiche Aussage gilt auch für das ITO-Messsystem.
Abstand von Werkzeugspitze [µm]
-500
-550
-600
-650
-700
Werkzeugform
-750
-750
re. Wand
li.Wand - 7,8 µm
Werkzeugdurchmesser W0082
-800
-800
85350 85400 85450 85500 85550 85600 85650 0 5 10 15 20 25
x-Koordinate [µm]
Werkzeugdurchmesser [µm]
Abb. 60: Detailansicht der Werkzeugspitze (vgl. Abb. 59).
Antasthöhe [µm]
-500
-550
-600
-650
-700
Werkzeugdurchmesser
59

7.4 Software zum Auswerten der Werkzeugform
7.4.1 Konzepte
Die Aufgabenstellung zur Vermessung der Werkzeugform mit Mitteln der digitalen Bildverarbeitung
lässt sich grob in drei Aufgabenbereiche gliedern:
1. Einbindung der Kamera, Bilderfassung
2. Messung der Werkzeugposition in allen drei Komponenten im Messraum, um eine
optimale Positionierung des Werkzeugs für die Vermessung nach 3. herstellen zu
können.
3. Vermessung der Werkzeugform durch Lokalisierung der Werkzeugkanten in ausreichend
vielen Stellungen des Werkzeugs, ausgehend von der durch die ITO-Optik und
die Kamera bereitgestellte Schattenprojektionsabbildung. Ableitung von Globalwerten,
die das gesamte Werkzeug hinsichtlich seiner Maße und Formabweichungen
hinreichend beschreiben, wie Werkzeugdurchmesser, Abweichungen vom Werkzeugdurchmesser,
Defektoskopie (im Sinne der Detektion gravierender Abweichungen
von der Sollform).
Im Folgenden soll die Aufgabenstellung gem. 3. der Lokalisierung der Werkzeugkanten näher
charakterisiert werden, um anschließend die hierzu erforderlichen Werkzeuge verständlich
darstellen zu können. Diese Aufgabe stellt den innovativen Kernbereich der Projektbearbeitung
durch IZM und CWM dar.
Die genaue Vermessung von Objektkanten zählt zu den anspruchsvolleren Aufgaben der
digitalen Bildverarbeitung, die durch klassische Methoden oft nur unzureichend zu bewältigen
sind. Eine „ideale“ Kante in einem digitalisierten Bild wäre gekennzeichnet durch einen
abrupten Übergang der Grauwerte, z.B. von „Schwarz ( = gehört zum Objekt) zu Weiß ( =
Hintergrund) von einem Bildpunkt zu dessen Nachbarn. In einem solchen Fall reduziert sich
die Aufgabe der Kantendetektion auf die Auffindung der Grenze zwischen „schwarzem“ und
„weißem“ Bildbereich.
Eine solche Kantenrepräsentation kann es in digitalisierten Bildern realer Objekte nicht geben.
Einerseits wird im allgemeinen Fall die optisch exakte Abbildung einer Kante nie genau
auf den Übergang zwischen zwei Pixeln fallen, sondern ein „Zwischenpixel“ treffen, dass
dann partiell beleuchtet wäre, d.h. einen bestimmten Grauwert zwischen „schwarz“ und
„weiss“ empfängt. Andererseits gibt es die hier angenommene exakte optische Abbildung in
der Praxis nicht. Vielmehr wirken sich normale Unschärfen und Beugungserscheinungen an
den Kanten so aus, dass der Grauwertübergang einen größeren Bereich zwischen „Objekt“

und „Hintergrund“ einnimmt. Dies ist in Abb. 61 deutlich erkennbar, die einen vergrößerten
Ausschnitt einer Werkzeugabbildung zeigt.
Abb. 61: Vergrößerter Ausschnitt eines Werkzeugbildes mit unscharf abgebildeteten
Kanten in Schattenprojektion
Der Grauwertverlauf an der Kante ist von einer Reihe verschiedener Parameter der Aufnahme
abhängig und kann nur schwer mathematisch erfasst (etwa simuliert) werden. Einen typischen
Kantengrauwertverlauf stellt Abb. 62 dar.
61

160
140
120
100
80
60
40
20
Grauwertverlauf an Kante in Schattenprojektion
Objekt Hintergrund
0
255 260 265 270 275
Pixel (Y)
280 285 290 295
Abb. 62: Grauwertverlauf an einer real abgebildeten Objektkante
Deutlich erkennbar ist der sanfte, nichtkontinuierliche Übergang sowie ein typisches beugungsbedingtes
Überschwingen der Grauwerte am Rand des Übergangs. Es ist offensichtlich
kaum a priori möglich, aus einem solchen Grauwertverlauf die tatsächliche Lage der Objektkante
auf das Pixel genau abzuleiten, da der eigentliche Abbildungsmechanismus unbekannt
ist und daher kaum eine mathematisch korrekte Beschreibung möglich ist.
Die klassische Bildverarbeitung versucht an dieser Stelle unterschiedliche, mehr oder weniger
anspruchsvolle Herangehensweisen. Im einfachsten Fall erfolgt eine Grauwertdiskriminierung
mit einem mehr oder weniger willkürlich zwischen dunkel und hell gewählten
Schwellwert (für Abb. 62 etwa „60“) und sucht in dem so berechneten S/W-Zweitonbild den
Übergang zwischen dem Schwarz- und dem Weißwert. (Randlage in Abb. 62 wäre dann
etwa 251). Aus Abb. 62 wird ohne weiteres verständlich, dass eine solche Herangehensweise
je nach Wahl des Schwellwerts zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen für die Kantenlage
führen wird, die sich um einige Pixel unterscheiden können.
Genauere Analysen suchen beispielsweise den Wendepunkt der Grauwertkurve in einer approximierten
polynomischen Kurve oder bestimmen denjenigen Punkt, bei dem die Fläche
62

zwischen Grauwertkurve und Mittelwert auf beiden Seiten gleich groß ist – ohne jedoch im
Allgemeinen wirklich berechtigten Anspruch auf subpixelgenaue Angabe der Kantenlage
beanspruchen zu können.
Die langjährigen Erfahrungen von FhG IZM und Chemnitzer Werkstoffmechanik GmbH auf
dem Gebiet der Grauwertkorrelation [8 und 9] in unterschiedlichen metrologischen Aufgabenstellungen
(Verschiebungs- und Deformationsanalyse, motion analysis, Mustererkennung
für Identitätdsnachweis und Authentifizierung) ließen es nahe liegen, einen Weg zu finden,
die außergewöhnlichen Eigenschaften dieses Verfahrens (hohe Genauigkeit, sehr geringe
Anfälligkeit gegenüber äußeren Störungen) für die vorliegende Aufgabenstellung nutzbar zu
machen.
Die typische digitale Bildkorrelation geht von Grauwertmustern (Patterns) in der lokalen Umgebung
eines interessierenden virtuellen Messpunktes in einem Referenzbild aus. Sie löst
die Aufgabe, dieses Pattern in einem Vergleichsbild in einer lokalen Suchumgebung um die
Position des virtuellen Messpunkts herum wieder aufzufinden. Als Maß für die Ähnlichkeit
des Vergleichspatterns mit dem Referenzpattern hat sich der Korrelationskoeffizient bewährt,
durch dessen Normierung das Verfahren weitgehend unempfindlich gegen Beleuchtungsunterschiede
und andere Störungen wird.
Das für WM-Elf entwickelte Konzept geht davon aus, dass auch die Abbildung einer Kante in
einem digitalisierten Bild ein Muster im Sinne der digitalen Korrelationsanalyse ist und daher
mit den grundsätzlich gleichen Mitteln behandelt werden kann. Selbstverständlich setzt der
Einsatz die Reproduzierbarkeit des Kantenmusters unter vergleichbaren experimentellen
Bedingungen voraus.
7.4.2 Algorithmen und Softwaredesign
7.4.2.1 Kantendetektion mit digitaler Bildkorrelation – der Basisalgorithmus
Für die Zielstellungen des Vorhabens war der bei IZM und CWM gebräuchliche Algorithmus
entsprechend anzupassen und in Software zu integrieren.
Grundgedanke des Verfahrens ist, einen aktuell vom bearbeiteten Werkzeug aufgenommenen
Kantenbereich mit einem gespeicherten Pattern eines Kantenbereichs zu korrelieren,
wobei eine Suche nur entlang einer horizontalen Verschiebung, d.h. senkrecht zum Kantenverlauf
vorgenommen werden muss. Dieser gespeicherte Kantenbereich liegt im Rechner als
sogenanntes „Minibildchen“ bereit und muss aus vorangehenden Experimenten gewonnen
oder simuliert worden sein.
63

Minibildchen vom Kantenverlauf können künstlich generiert werden (Abb. 63 und Abb. 64)
oder in Einmessexperimenten von Werkzeugen gewonnen werden, deren Maße genau bekannt
sind oder die nach der Bildaufnahme exakt (z.B. im Anschliff) vermessen werden (Abb.
65)
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255
Abb. 63: einfachste Variante: diskreter s-w-Übergang
0 0 0 0 0 0 25 51 76 102 127 127 153 178 204 229 255 255 255
Abb. 64: kontinuierlicher Übergang linear
255 255 249,9 239,7 224,4 204 178,5 153 127,5 102 76,5 51 30,6 15,3 5,1
Abb. 65: kontinuierliche Kantenübergang gefiltert (durch Dreipunktglättung, Verlauf ist
quasi-stetig)
X
Abb. 66: Realbild eines Werkzeugs rot gekennzeichnet: ein für ein Mini-Referenzbild
auszuschneidender Bereich (schematisch)
Die Lage der Mini-Referenzbildmatrix im Gesamtbild wird durch die bildbezogene horizontale
Pixelkoordinate der linken oberen Minibildecke bezeichnet. Um aus dieser Position die Lage
Y
64

der Kante zu ermitteln, muss noch bekannt sein, wo im Minibild die Kante des Referenzobjekts
zuzuordnen ist. Bei synthetischen Minibildern ist dies einfach die Lage, die zu deren
Synthese vorausgesetzt wird – in Abb. 63 also die exakte Grenze Schwarz-Weiß. Wird das
Minibild aus einem Einmessexperiment an einem Kalibrierdorn bekannten Durchmessers
gewonnen, so kann der sogenannte „Minibildoffset“ aus der bekannten Geometrie und dem
ebenfalls bekannten Abbildungsmassstab exakt ermittelt werden. Wird nun an einem realen
Werkzeug mittels dieses Minibilds gemessen, so kann die Kantenlage (exakte Patternreproduzierbarkeit
vorausgesetzt) subpixelgenau unter Zugrundelegung des Minibildoffsets bestimmt
werden.
Da von den Optik-Spezialisten des ITO erwartet wird, dass die Struktur der Abbildung der
Kanten wegen der Lichtbeugung vom Werkzeugdurchmesser abhängig sein wird, kann es in
der Anwendungspraxis sinnvoll sein, eine Bibliothek durchmesserabhängiger Konturengrauwertverläufe
zugrunde zu legen. Für die Vermessung eines Werkzeugs mit dem Durchmesser
d wird dann „der „passendste“ Verlauf nach dem Zieldurchmesser verwendet.
Jeder Mini-Kantenverlauf ist daher durch eine Reihe numerischer Parameter gekennzeichnet:
• H: Höhe: Zeilenanzahl (Pixel)
• B: Breite: Spaltenanzahl (Pixel)
• O: Kantenoffset: x-Position im Minibild, auf dem die Kante vorausgesetzt wird (in
Pixel, subpixelgenau)
• R: Ursprungsradius: Radius des Werkzeugs, an dem der Referenzverlauf gewonnen
wurde (Pixel, subpixelgenau, wird durch Einmessexperimente gewonnen.
Für virtuelle Bilder sinngemäß zu definieren.)
R und O können in der Dateibezeichnung codiert sein (z.B. Kante200,21_6,21: bezeichnet
ein Kantenbild eines Werkzeugs von 200,21 Pixel Radius, dessen Miniaturbild 6,21 Pixel vor
der Kantenlage ausgeschnitten wurde (d.h. beginnend bei einer Position 194 Pixel rechts
von der zentrierten Werkzeugmittellinie)
Die eigentliche Kantenvermessung erfolgt folgendermaßen:
Das jeweils verfügbare (evtl. gemäß dem angestrebten Zieldurchmesser d aus einer Bibliothek
ausgewählte) Minireferenzbild wird in der Umgebung der (mittels Schwellwertdiskriminierung)
grob vorbestimmten Kantenlage horizontal verschoben (bei Seitenkantenbestim-
65

mung also z.B. Minibildposition ab 5 Pixel vor (x-Kantenkoordinate –O) der grob bestimmten
Kante bis 5 Pixel nach (x-Kantenkoordinate-O) der grob bestimmten Kante) und der jeweilige
Korrelationskoeffizient bestimmt. Die Lage mit dem höchsten Korelationskoeffizienten Kmax
sei xmax. Danach wird die subpixelgenaue Maximumlage xmaxsub mittels Parabelalgorithmus
bestimmt. Der Parabelalgorithmus besteht in der Approximation der drei Korrelationskoeffizienten
in Maximumumgebung und in der Bestimmung des Maximums der Approximationsparabel.
Da bekannt ist, wo die Referenzkante im Referenzminibild lag (nämlich um O neben
dem linken Mini-Bildrand), kann mittels xkante = xmaxsub + O die Lage der zu findenden Werkzeugkante
subpixelgenau angegeben werden. Soweit von bildaufnahmetechnisch reproduzierbaren
Verhältnissen ausgegangen werden kann (d.h. eine zur Referenzbildaufnahme
analoge Kantenabbildung vorliegt), ist auch der Subpixelanteil messtechnisch gültig.
Dies hat an beiden Werkzeugkanten zu erfolgen, die Differenz ergibt den subpixelexakten
Durchmesser.
Achtung: Eine Radiusbestimmung an einer Seite des Werkzeugs reicht nicht aus, da das
Werkzeug ja nur grob positioniert wurde und daher nicht von einer exakt symmetrischen Lage
der Werkzeugmittellinie zum Bild ausgegangen werden darf.
Die Geometrie im Spitzenbereich kann in analoger Weise bestimmt werden, nur dass die
Korrelation mit einem senkrecht orientierten Minibild in senkrechter Richtung ausgeführt wird.
7.4.2.2 Hilfsalgorithmen – Zusammenarbeit der Bildverarbeitung mit der Maschinensteuerung
zur Werkzeugpositionierung und Scharfstellung
7.4.2.2.1 Allgemeines
Das zu erstellende Programm soll u. a. als Voraussetzung für die korrelationsgestützte Feinvermessung
die vorherige optimale Positionierung des Werkzeugs für die ordnungsgemäße
und reproduzierbare Bilderfassung ermöglichen. Dies geschieht in z-Richtung über eine
Schärfebewertung, in xy-Richtung über eine klassische Konturfindung und Berechnung der
Korrekturwerte für die Repositionierung.
Das Programm ist einerseits durch einen Bediener manuell bedienbar, andererseits über
eine geeignete Schnittstelle auch von einem anderen Programm steuerbar (RS232-
Schnittstelle zur Maschinensteuerung des HSG-IMAT). Auf dem Bildverarbeitungsrechner
läuft gleichzeitig ein Bilderfassungsprogramm, das ebenfalls mit dem „Maschinensteuerprogramm“
kommuniziert und die Erfassung und Abspeicherung der Bilder für das Bildauswertungsprogramm
vornimmt.
66

WZM
PC WZM RS
Ste ue run g
RS 232
Be d ie n e rin te rfa c e
Bild ve ra rb e itung
Kom m unika tion Bild e rfa ssu n g
PC Bild vera rb eitung
HDD: Bild file s
Abb. 67: Zusammenwirken der Programmkomponenten zwischen Maschinensteuerung
und Bildbearbeitung. Die vorliegende Konzeption betrifft die Komponente „Bildverarbeitung“
7.4.2.2.2 Bilder laden und speichern
Konvention: Als Koordinatensystem wird im Folgenden ein Weltkoordinatensystem verwen-
det, dessen z-Achse in Richtung der optischen Achse der Kamera verläuft. x-und y-Achse
verlaufen entsprechend ihrer Projektion in die Bildebene. Als 0-Punkt wird willkürlich die op-
timale Position der Werkzeugspitze (entsprechend deren Abbildung exakt in der senkrechten
Bildmittellinie) festgelegt. Maßeinheit ist, wenn nicht anders angegeben, Pixel in x-y-Richtung
(gemeint ist die jeweilige Projektion auf die Bildebene, solange nicht die Bildebene selbst
betrachtet wird.) und ein Normabstand zwischen zwei Schärfe-Objektebenen in der z-Ebene
(willkürlich, je nach Messkontext, z.B. entsprechend 0,05 mm Kameraverfahrweg).
Bildkoordinatensystem: 0:obere linke Bildecke, x nach rechts, y nach unten, Pixel)
Es wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die WZM-Steuerung den exakten Maßstab
kennt und daher aus übergebenen Pixelwerten metrische Werte berechnen kann. Ein weiter
unten dargestellter Hilfsalgorithmus enthält eine Möglichkeit zur Selbsteinmessung (automa-
tisierte Bestimmung des Umrechnungsfaktors Pixel in metrische Einheiten) des Systems.
Es wird davon ausgegangen, dass alle Eingabebilder eine Stammbezeichnung und eine lau-
fende Nummerierung aufweisen. (also z.B. Werkzeugnnnn.bmp). Es erfolgt eine unkompri-
mierte Bildspeicherung im bmp-Format der erfassten hochauflösenden 12-Bit-Bilder unter
Reduzierung der Grauwertauflösung auf 8 Bit.
67

Das Programm enthält im Modul „Bildverarbeitung“ im Menü „Datei“ ein Kommando, um ein
oder nacheinander mehrere Ausgangsbilder für die weitere Verarbeitung laden zu können
(z.B. den Bildstapel aus n Bildern, der für die z-Positionierung nach dem Kriterium maximaler
Schärfe benötigt wird, oder ein Einzelbild für die Konturerkennung und die Berechnung der
Korrekturwerte für die x-y-Positionierung). Ein weiteres Kommando erlaubt das Abspeichern
(für Dokuzwecke) eventueller Ergebnisbilder bzw. grafischer Veranschaulichungen oder der
in Messwerttabellen organisierten alphanumerischen Ergebnisdateien.
Alle für die Maschinensteuerung relevanten Messfunktionen sind auch über die externe
Steuerung über die RS 232-Schnittstelle durch die Werkzeugmaschinensteuerung veranlassbar,
indem ein vereinbartes Kommando übergeben wird.
7.4.2.2.3 Bearbeitungsalgorithmus auswählen
In einem Menüpunkt „Verarbeitung“ kann der Bediener zwischen den unterschiedlichen Algorithmen
wählen, die in den Folgeabschnitten dargestellt werden. Je nach Kontext startet die
Wahl des entsprechenden Kommandos den jeweiligen Algorithmus oder öffnet ein Dialogfenster
zur Eingabe weiterer benötigter Parameter. Soweit die vorher gewählten Einzelbilder
den Anforderungen des Algorithmus nicht entsprechen (z.B. nur ein Bild vorhanden bei
Schärfestapelbearbeitung), wird eine Fehlermeldung ausgegeben. In diesem Fall hat der
Bediener den Schritt 2.1 (Wahl der Eingangsbilder) korrekt zu wiederholen.
7.4.2.2.4 Bearbeitungsalgorithmus „Schärfeebene bestimmen“
Dieser Algorithmus sucht aus einem Stapel von Einzelbildern dasjenige Bild mit dem höchsten
Kontrast heraus und ermittelt durch Interpolation einen exakten Wert für die Lage der
Schärfeebene „zwischen den schärfsten“ Bildern. Voraussetzung für den korrekten Ablauf
ist, dass eine Anzahl n von Bildern zur Verfügung steht (d.h. vorher auf Befehl der Maschinensteuerung
geladen wurde), die von der Kamera bei unterschiedlichen z-Lagen des Werkzeugs
aufgenommen wurden:
Ablauf: Für jedes Bild wird ein „Schärfewert“ berechnet: Aus den vorgeschlagenen Algorithmen
auf Basis:
Alg.a): Streuung aller Grauwerte
Alg b): Streuung aller Differenzen zwischen Nachbarpixeln
Alg c): Streuung nach Normierung der vorhandenen Grauwertverteilung.
In einem eingegrenzten AOI wurde Variante a erfolgreich realisiert und erprobt. Gesucht wird
das Maximum.
68

Dieses Maximum sei gefunden für das Bild Werkzeugj.
Betrachtet wird nun die Nachbarschaft Werkzeugj-1…Werkzeugj+1. Zwischen diesen drei
Werten wird durch Parabelapproximation der Positionswert für das „Schärfeoptimum“ k, (j-
1

Abb. 68: Grobbestimmung der Werkzeuglage zur Ermittlung der Korrekturfahrwege in
einem AOI, der vorher durch Schwellwertdiskriminierung auf die nutzbare Werkzeugspitze
eingeschränkt wurde. Dieser AOI wird auch für die Schärfebewertung eingesetzt, so
dass die Werkzeugspitze exakt abgebildet wird.
Eine Abwandlung dieses Algorithmus kann auch für die exakte automatische Bestimmung
des Abbildungsmaßstabs eingesetzt werden. Hierzu werden zwei Werkzeugbilder verwen-
det, zwischen denen eine metrisch exakt bekannte Werkzeugverschiebung vorliegt
(Aufnahme 1 - Maschine verfährt um einen mm in x-Richtung – Aufnahme 2)
Nach Konturlagebestimmung in beiden Bildern wird die bildbezogene Verschiebung in Pixel
aus der bildbezogenen Lagedifferenz bestimmt, der Quotient aus bekannter metrischer Ver-
schiebung und berechneter bildbezogener Pixelverschiebung ist der gesuchte Abbildungs-
maßstab in der Schärfeebene und kann für die Folgeberechnungen eingesetzt werden.
Ggf. ist eine solche „Kalibrierfahrt“ vor jedem Messvorgang sinnvoll, um den ordnungsgemä-
ßen Zustand der Maschinenjustage zu testen.
7.4.3 Implementierung und Integration des Teilsystems
7.4.3.1 Allgemeines
Im Folgenden wird die Integration des Basisalgorithmus in das Bildverarbeitungssystem dargestellt.
Die dabei dem Projektziel entsprechend erforderlichen Arbeitschritte der Kantenverlaufsvermessung,
der Rundlaufbestimmung und der Defektoskopie werden dabei jeweils auf
den Basisalgorithmus zurückgeführt, der mehrfach – ggf. in verschiedenen Stellungen und
Drehwinkeln des Werkzeugs - ausgeführt wird.
70

7.4.3.2 Gesamtgeometrie: Kantenverläufe
Kantenverläufe werden aus dem Werkzeugbild durch mehrfache Ausführung des Basis-
Algorithmus in verschiedenen Schnittlinien ermittelt. Die Ergebnisse stehen rechnerintern als
Tabelle zur Verfügung. Globalwerte zur Übergabe an die Maschinenschnittstelle sind aus
den numerischen Tabellen der Einzeldurchmesser ableitbar: Durchmesserdurchschnitt,
Streuungen, Maximum, Minimum.
Zur Gesamtgeometriebeschreibung wird dieser Vorgang für eine Vielzahl von Winkelstellungen
des Werkzeugs um die Rotationsachse aufgenommen.
Abb. 69: An den Werkzeugkanten werden in geringen Abständen die Durchmesser gemessen
(gelbe Kreise)
7.4.3.3 Gesamtgeometrie: Rundlauf
Der Rundlauf kann in einem bestimmten Höhenschnitt durch mehrfache und beidseitige Ausführung
des Basisalgorithmus in verschiedenen Werkzeugdrehwinkeln (muss daher durch
WZM gesteuert werden) ausgeführt werden. Die grafische Darstellung für den Nutzer erfolgt
als Polardiagramm, in dem die jeweils ermittelten Radien in Abhängigkeit vom Drehwinkel
skaliert wiedergegeben werden.
Abgeleitete Globalparameter können wiederum aus der Messwertschar berechnet und an die
Maschinensteuerung übergeben werden.
71

Durchmesser Rundlauf
Schnittebene
Abb. 70: Grafische Anzeige von Durchmesser (rot) und Rundlauf (blau) für eine vorgegebene
Messebene, beide Parameter stimmen hier gut mit dem idealen Verlauf (gestrichelte
Linie) überein
Abb. 71: Werkzeug mit schlechter Durchmesserkonstanz und starker Rundlaufabweichung
72

Die Ergebnisse zur Defektoskopie beruhen nicht auf einer separaten Messung, sondern sind
von der Gesamtgeometriebeschreibung ableitbar, die durch das Verfahren nach Abschnitt
7.4.3.2 geliefert wird.
Als Defekt werden signifikante lokale Abweichungen vom geraden Kantenverlauf angesehen.
Das Vorhandensein starker Abweichungen kann aus dem Maximum- und Minimumwert der
Durchmessertabelle geschlussfolgert werden.
7.4.4 Erprobung
Das implementierte Programm wurde manuell und in Kopplung mit dem Maschinenprogramm
erfolgreich erprobt. Die in Abb. 72 sichtbaren tabellarischen Anzeigen und grafischen
Darstellungen erlauben dem Bediener einen anschaulichen Überblick über das Arbeitsergebnis.
Im Rahmen der Untersuchungen zur industriellen Tauglichkeit spricht die Firma
ECMTEC GmbH dem Verfahren wegen der Anschaulichkeit, der schnellen Datenerfassung
und des offenbar vorhandenen Potentials auch für die Vermessung noch kleinerer
Objekte eine gute Eignung für die projektgemäßen Aufgabenstellungen zu.
1 2 3 4 5 6 7
Abb. 72: Messwerte in Messwerttabelle: 1.: Mittlerer Durchmesse, 1.: Minimum D, 3.:
Maximum D, 4.:Standardabweichung des Durchmessers, 5.:Mittlere Position der Drehachse,
6.: kleinste Position der Drehachse, 7.: größte Position der Drehachse … im jeweiligen
Höhenschnitt. Die Tabelle kann als ASCII-Datei exportiert werden.
73

Zur Analyse der Genauigkeit der Werkzeugvermessung wurden Untersuchungen an Kalibrierdornen
vorgenommen. Abb. 73 zeigt die Ergebnisse für die Durchmessermessung für
unterschiedliche Drehwinkel. Die Streuung liegt unterhalb 1 µm, das absolute Ergebnis unter
Berücksichtigung der Streuung innerhalb der für die Dorne angegebenen Toleranzen.
Durchmesser [µm]
220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
Kalib 100µm - 0°
Kalib 100µm - 90°
Kalib 200µm - 0°
Kalib 200µm - 90°
90
0 100 200 300 400 500 600
Position (y) [µm]
Abb. 73: Ergebnisse der Testmessungen für zwei Kalibrierdorne,
Normmaße: 200 +/-1 µm, 100 +/- 1 µm
Mittlerer Durchmesser
über die Werkzeuglänge:
201,2 µm ±0,2µm
Mittlerer Durchmesser
über die Werkzeuglänge:
101,9 µm ±0,2µm
Im Rahmen der industriellen Erprobung der Systeme zur Werkzeugvermessung durch die
Firma ECMTEC GmbH wurden darüber hinaus Tests zur Wiederholgenauigkeit der Messung
vorgenommen, die ebenfalls Streuungen unter 1 µm ergaben (vgl. Abb. 74).
74

Abweichung in µm
0,500
0,400
0,300
0,200
0,100
0,000
-0,100
-0,200
-0,300
-0,400
-0,500
Wiederholmessung, Abweichung Durchmesser
vom Mittelwert (47,25µm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
Nummer der Messung
Abb. 74: Bestimmung der Widerholgenauigkeit bei der Durchmesserbestimmung mit
Hilfe des ITO-Optik und CWM-Auswertesoftware
7.4.5 Optimierung, zukünftige Anpassungsarbeiten
Die Integration in das Maschinensystem wird fortgeführt. Im Laufe der weiteren Produktentwicklung
wird vor allem die Kommunikation über die Schnittstelle zu verbessern sein, so
dass aussagekräftige Parameter für die automatische Bearbeitung abgeleitet und für die Maschinensteuerung
genutzt werden können. Die Bildverarbeitungssoftware ist zum gegenwärtigen
Stand weitgehend nutzbar, weiterzuführen ist die Integration mit der Maschinensteuersoftware
unter besonderer Beachtung der funktionsfähigen Schnittstelle.
75

8 Voraussichtlicher Nutzen
Die Ergebnisse, die im Rahmen des hier berichteten Projektes erzielt wurden, finden bei den
Projektpartnern unmittelbar Anwendung.
So bedeutet insbesondere die Kenntnis der exakten Werkzeuggeometrie für Firma ECMTEC
und für HSG-IMAT als Anwender der ECF-Technik einen bedeutenden Fortschritt, da hierdurch
der aktuelle Werkzeugdurchmesser als Grundlage zur CAM-Daten-Erstellung herangezogen
werden kann, was zu einer genaueren Bearbeitung führt. Zudem kann durch den
Einsatz der Werkzeugvermessung zur Kontrolle der Werkzeuggeometrie während der Bearbeitung
der Automatisierungsgrad der ECF-Bearbeitung weiter erhöht werden und somit letztendlich
ein sichererer mannloser Betrieb realisiert werden. Die Herstellung von zylindrischen
rotationssymmetrischen Werkzeugen und deren Einsatz bei der Werkstückbearbeitung
führt zu einem verbesserten Elektrolytaustausch im Arbeitsspalt und damit zu einer
schnelleren und qualitativ besseren Bearbeitung, so dass auch großvolumigere Bearbeitungen
wirtschaftlich sind.
Beides führt zu einer erhöhten Wertschöpfung durch die ECF-Technik und eröffnet somit den
Anwendern neue Marktperspektiven z.B. für die Herstellung von Mikrospritzgussteilen in der
Mikrosystemtechnik, wodurch ECMTEC einen gesteigerten Absatz von ECF-Anlagen und
Dienstleistungen erwarten kann.
Aufbauend auf den in diesem Projekt erarbeiteten Strategien zur Vermessung von Zylindergeometrien
mit Durchmessern von 500 µm bis in den Bereich kleiner 10 µm kann die Fa.
Mahr Messeinrichtungen für Form- und Durchmesserbestimmung an Mikrozylindern und Mikrokegeln
anbieten, die mit herkömmlichen optischen oder taktilen Sensoren bisher nicht ausgeführt
werden konnten, woraus ein Wettbewerbsvorsprung in Bereich der Mikrotechnik resultiert.
Ein solches System zur Vermessung kleinster Zylindergeometrien, insbesondere
deren Abweichung von der Sollgeometrie, z. B. durch Verschleiß, Ablagerungen und Grate,
kann auch in Fertigungs- und Produktionseinrichtungen vom Stand der Technik eingesetzt
werden, um sie im Hinblick auf Miniaturisierung und Präzision zu verbessern.
Der Vergleich von Soll- und Ist-Strukturen über ein optisches System und deren Auswertung
mit den hier entwickelten Algorithmen kann im Weiteren auch in anderen Bereichen der Fertigung
oder Vermessung verwendet werden. CWM sieht ein besonderes Potential bei der
Analyse kleinster Objekte bis in den Nanometerbereich. Andererseits ist die hochgenaue
Vermessung von Topographien nicht auf die Mikrosystemtechnik beschränkt.

Für das Lasermesssystem der Fa. BLUM konnten die Grenzen des Systems an realen Objekten
überprüft werden. So konnte die vom Hersteller angegebene Wiederholgenauigkeit
bei der Durchmesserbestimmung von ±0,2 µm erreicht werden. Bei der minimalen Größe
des zu vermessenden Objektes konnten sogar kleiner als die vom Hersteller angegebenen
Durchmesser noch reproduzierbar vermessen werden. Durch diese Untersuchungen konnte
der Einsatzbereich des Lasermesssystems weiter vergrößert werden, wodurch die Fa. BLUM
einen Wettbewerbsvorteil erlangt.
77

9 Fortschritte auf dem Gebiet bei anderen Stellen
Den Projektpartnern sind keine Fortschritte durch andere Stellen auf dem in diesem Projekt
bearbeiteten Themengebiet bekannt.

10 Erfolgte und geplante Veröffentlichungen
Die Ergebnisse, die im Rahmen des hier berichteten Projektes erzielt wurden, wurden in dem
öffentlichen Workshop „Herstellung und Vermessung genauester Werkzeuge für das elektrochemische
Fräsen mit ultrakurzen Spannungspulsen“ am 08.07.2008 am HSG-IMAT präsentiert.
Darüber hinaus werden die Ergebnisse der Werkzeugherstellung („Manufacturing and verification
of tools for ECF“) im Rahmen 4M2008 Conference im September 2008 einem internationalem
Publikum in Cardiff vorgestellt.

Literatur
[1]
[2]
CAGNON, L.; KIRCHNER, V.; KOCK, M.; SCHUSTER, R.; ERTL, G.; GMELIN, TH.; KÜCK, H.: Electrochemical micromachining
of stainless steel by ultrashort voltage pulses. Z. Phys. Chem. 217 (2002) 299-313
REMBOLD, V.: Entwurf und Aufbau einer Vorrichtung zum reproduzierbaren Herstellen von Wolframwerkzeugen
für das elektrochemische Mikrofräsen mit gepulster Spannung. Universität Stuttgart, Studienarbeit, 2004
[3] http://www.corning.com/
[4] BRINKMANN, S.; DRESEL, T.; SCHREINER, R.; SCHWIDER, J.: Axicon-type interfermoter for cylindrical surfaces.
Optik 102, 106-110 (1996).
[5] http://www.betalasermike.com/
[6] SASAKI, O.; HASHIMOTO, K.; FUJIMORI, Y.; SUZUKI, T.: Measurement of cylinder diameter by using sinusoidally
vibrating sinusoidal gratings, in: Optical Engineering for Sensing and Nanotechnology, K. Iwata, ed., Proc.
SPIE 4416, 35-38 35 (2001).
[7]
[8]
HOFMANN, K.: Untersuchungen zur Optimierung der Mikrobearbeitung mit ultrakurzen Spannungspulsen unter
Verwendung eines rotierenden Werkzeugs. Universität Stuttgart, Diplomarbeit, 2004
DOST, M., VOGEL, D., WINKLER, T., VOGEL, J., ERB, R., KIESELSTEIN, E., MICHEL, B.: How to Detect Edgar Allan
Poe's 'purloined letter'-or: Cross correlation algorithms in digitised video images for object identification,
movement evaluation and deformation analysis, in Proceedings of SPIE Vol. 5048 Non-destructive Detection
and Measurement for Homeland Security (SPIE, Bellingham, WA, 2003)
[9] KÜHNERT, R., SCHUBERT, A., DOST, M., VOGEL, D., KÄMPFE, B., MICHEL, B.: Verfahren zur feldmäßigen Bestimmung
von Deformationszuständen in mikroskopisch dimensionierten Prüflingsbereichen, Offenlegungsschrift
DE 196 14 896 A1, Beschluss zur Erteilung des gemeinsamen Patents von Fraunhofer-Gesellschaft und
CWM vom 11.10.2004.
80

Danksagung
Dieses Forschungsvorhaben wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft
und Technologie (BMWi) im Rahmen des Programms „Förderung von innovativen
Netzwerken“ (InnoNet) unter dem Förderkennzeichen 16IN0372 gefördert. Für diese Förderung
sei gedankt.
Dem projektbegleitenden Ausschuss sei für seine Unterstützung und die Hinweise aus den
zahlreichen Diskussionen gedankt.
81