Ziel der Entwicklung
Die Härtemessung nach dem Verfahren instrumentierter Eindringversuch erfordert eine wegaufgelöste Kraftmessung. Es wird sowohl ein präziser Kraftsensor, ein präziser Wegsensor, als auch eine präzise Diamantspitze benötigt. Bei den bisherigen Applikationen übernimmt das Grundgerät des Messsystems die Wegmessung mit einer im Nanometerbereich liegenden Genauigkeit. Die Messung der Kraft erfolgt mittels Kraftmessdose. Die Wegmessung im Nanometerbereich erhöht den konstruktiven Aufwand und die damit verbundenen Gerätekosten überproportional.
Ziel war es daher, eine Lösung zu finden, die sich durch folgende Bedingungen erfüllt: Zwei unabhängig arbeitende Kraft- und Wegsensoren, davon dient ein Sensor überwiegend zur Kraft, beziehungsweise zur Wegmessung / Die Messstrecken und die Wirklinie der Messkraft liegen auf einer Geraden, wodurch das Abbesche Komparatorprinzip gewahrt bleibt / Wahlweise kann eine Diamantspitze, Hartmetallkugel oder Robinkugel verwendet werden / Die Konformität zu den einschlägigen Industrienormen wird gewahrt.
Vorteile und Lösungen
Der entwickelte Indenter ist in der Lage, die Härte von Werkstoffen schnell und präzise zu bestimmen. Für industrielle Anwendungen ist es erforderlich, dass die Messung den einschlägigen Normen entspricht. Hierzu ist die ausschließliche Verwendung von Härtevergleichsplatten nicht ausreichend. Somit ist es notwendig, das System auf Kraft und Weg zu kalibrieren. Das eigentliche Sensorelement besteht aus einem Substrat, piezoresistiven Elementen und einer Platte mit einem biegesteifen Zentrum.
Die Nanoindenter-Baugruppe besitzt zwei baugleiche Kraftsensoren, die auf einem Verdrahtungsträger (rewiring substrate) gefügt werden. Der als Wegsensor verwendete Kraftsensor (displacement sensor) wird mittels einer Flip-Chip-Fügetechnik mit dem Träger verbunden. Der als Kraftsensor (force sensor) eingesetzte Sensor, wird gleichgerichtet auf die gegenüberliegende Seite mit einem Klebstoff gefügt. Der Eindringkörper (indenter), beispielsweise Diamant, wird in den Intender eingeklebt. Die Position wird durch das Distanzelement (distance element) festgelegt, Diamantspitzen und die äußere Begrenzung des Elementes liegen in einer Ebene.
Der Verdrahtungsträger wird anschließend durch einen Flip-Chip-Prozess auf die Leiterkarte (PCB) gefügt. Der Kraftsensor ist elektrisch über Drahtbondungen (wire bond) mit der PCB verbunden. Die PCB dient dazu, den Sensor mittels einer Halterung an einem Aktor zu befestigen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Für die entwickelten Sensoren / Technologien kommt als Markt die industrielle oder FuE-Anwendung in Betracht. Die Endkundenmärkte liegen im Bereich der mobilen Härtemesstechnik und Koordinatenmessmaschinen.
Industrielle Anwendungen liegen vorwiegend im Präzisionsmaschinenbau. Direkten Ansprechpartner für die Sensoren sind Hersteller von Messgeräten zur Qualitätskontrolle sowie für wissenschaftliche Messausrüstung. Die Projektergebnisse werden durch die Akquise und Durchführung von kundenspezifischen Entwicklungsprojekten für industrielle Geräte- und Systemhersteller (Transferunternehmen) verwertet, deren Ergebnisse Sensorkomponenten sind, die in Produkte des Transfer-unternehmens einfließen. Im Anschluss können diese Komponenten je nach Kundenwunsch vom CiS Forschungsinstitut auch für diese Transferunternehmen gefertigt werden.
