Design und Bau faseroptischer Sonden

Herausforderung

In der modernen industriellen Fertigung, vor allem in der Automobil-, Mikrosystem und Medizintechnik, gibt es einen starken Trend zu immer filigraneren und komplexeren Strukturen. Ein Beispiel für solche Strukturen sind Spritzlöcher von Einspritzdüsen mit Durchmessern im Bereich von 100 μm, die hohen Formtoleranzen unterliegen. Auch in der Mikrosystemtechnik kommen empfindliche Mikrobauteile zum Einsatz, die positionsgenau montiert werden müssen. Um die Toleranzen sicher zu erfüllen, setzt das Fraunhofer IPT auf hochauflösende Messtechnik. Je stärker die Fertigung in den Ultrapräzisionsbereich vordringt, desto dringender wird auch der Bedarf an miniaturisierter Messtechnik mit hoher Messgenauigkeit.

 

Lösungsansatz

Ein neuer Ansatz, um Messungen auf engstem Raum durchzuführen, ist die Verwendung faseroptischer Abstandssensoren. Diese eignen sich besonders zur hochgenauen, berührungslosen Erfassung geometrischer Merkmale wie etwa Rundheit, Geradheit oder Rauheit von kleinen Bohrlöchern.

Ein großer Vorteil der faseroptischen Messsonden ist die Flexibilität des Sondendesigns: Sie können eine vorgegebene Strahlformung erreichen und lassen sich in der Form exakt an die Messaufgabe anpassen.

Das Fraunhofer IPT verfügt über langjährige Erfahrung und eine technisch herausragende Ausstattung, um eine breite Auswahl an Sondengrößen und -konfigurationen für die speziellen Messaufgaben seiner Kunden anbieten zu können.

Mit dem Ziel, immer ein optimales Sondenkonzept zu finden, werden für jede Aufgabe passende Strahlformungs- und Strahlumlenkungsoptiken eingesetzt. Zur Strahlformung (Fokussierung oder Kollimation) dienen Mikrooptiken, GRIN-Optiken und GRIN-Fasern (gradient index fiber). Mit diesen Optiken lässt sich die numerische Apertur erweitern.

Für eine Umlenkung des Lichtstrahls zwischen 0° und 90° werden die Faserendflächen angeschliffen oder Prismen aufgeklebt.

Je nach Anwendung wird mit Sondendurchmessern zwischen 0,08 (nackte optische Faser) und 3 mm (Strahlformungsoptik und Schutzhülse) gearbeitet.

Mit faseroptischen Sonden können nicht nur Abstandsmessungen durchgeführt, sondern auch andere Messgrößen ermittelt werden: Beispiele sind faseroptische Temperatursensoren für die Medizintechnik oder Dehnungssensoren zur Überwachung von Produktionsmaschinen.

Die Sensorik lässt sich dank ihrer hohen Flexibilität und dem miniaturisierten Sensorkopf mit geringem Aufwand in verschiedene Maschinen integrieren. Auf diese Weise gelingt eine Online-Maschinenüberwachung selbst im Präzisions- und Ultrapräzisionsbereich.

Weitere Anwendungsfelder für faseroptische Sonden in Messmaschinen sind Bohrlochmessungen und Messaufgaben mit Toleranzen im Mikrometer- und Nanometerbereich.

 

Leistungen

• Konzeption, Design, Simulation, Konstruktion, Montage und Test faseroptischer Sonden für verschiedenste Messaufgaben
• Montage komplexer Sondenstrukturen mit mehreren Mikrooptiken
• Polieren von Faserendflächen, um bestimmte Strahlumformungscharakteristiken zu erreichen (z.B. 60°-Strahlumlenkungssonden)
• Konstruktion und Montage von Sondenhülsen für bestimmte Aufgaben, die eine erhöhte Steifigkeit der Sonde erfordern
• Sondenminiaturisierung bis zu wenigen Mikrometern (aktuell: Durchmesser von 80 μm)
• Einbindung der Messtechnik in die bestehende IT-Infrastruktur
• Mehrstellenmesstechnik