NanoSense - Entwicklung eines Härtemesskopfes auf Basis eines neuartigen kombinierten Kraft-Wegsensors mit einer Auflösung von 100 pm zur Ermittlung der Härte von Oberflächen im Nanometerbereich

24.02.2021

Aktuelle Geräte zur Vermessung der Oberflächenhärte weisen zur Ermittlung des zurückgelegten Wegs beim Eindringen in den zu prüfenden Körper einen separat in die Maschine integrierten Wegsensor auf. Dadurch sind die Härteprüfmaschinen sehr steif ausgelegt, extrem teuer und können nur kleine Bauteile vermessen. Im gerade gestarteten Forschungsprojekt „NanoSense“ wird ein neuer Messkopf zur flexiblen Integration in Universalprüfmaschinen und XY-Achsen Manipulatoren entwickelt. Dabei werden erstmals Sensoren zur Kraft- und Wegmessung als neuartige Elemente kombiniert und in die Prüfmaschine integriert. Ein steifer und teurer Maschinenrahmen wird somit entbehrlich.

Die neue Sensoreinheit ermöglicht dabei erstmals die Auflösung der Kraft von bis zu 5 µN bei einer Auflösung der Wegstrecke von 100 Pikometern. Sie erlaubt eine präzise, quasi zerstörungsfreie Prüfung jeglicher Werkstoffe, einschließlich extrem dünner Schichten. Durch die modulartige Verbindung des Messkopfes zu gängigen Universalprüfmaschinen, kann der kombinierte Kraft-Weg Sensor an Bauteilen beliebiger Größe und beliebiger Position die Härte erfassen.

Ein zweistufiges Antriebskonzept mit Piezostapelaktoren sowie die Elektronik zum Auswerten und Verarbeiten der Sensorsignale ist ebenfalls Gegenstand der Entwicklungen mit Partnern aus der Industrie. Die Kalibrierung erfolgt über ein innovatives Autokalibrierverfahren auf Basis von Siliziumblattfedern.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Projekt "Entwicklung eines Härtemesskopfes auf Basis eines neuartigen kombinierten Kraft-Wegsensors mit einer Auflösung von 100 pm zur Ermittlung der Härte von Oberflächen im Nanometerbereich" (NanoSense) wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.
FKZ: KK5085702SN0