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Membrandicke messen – Vorprojekt statt Maschinenkauf

Keramikmembranen für Drucksensoren werden auf eine definierte Dicke geschliffen.

01Ausgangslage

Keramikmembranen für Drucksensoren werden auf eine definierte Dicke geschliffen. Die Dicke bestimmt den Druckbereich des fertigen Sensors – und weil der Schleifprozess breiter streut als die Klassen, die dabei herauskommen sollen, muss jedes Teil einzeln gemessen und sortiert werden. Gefordert waren ±1,5 µm bei 3σ, berührungslos, an fünf Messpunkten, in unter 3 s Taktzeit. Die zwei engsten Klassen sind gerade 20 µm breit. Und offen war nicht nur, mit welchem Sensor man das misst, sondern überhaupt, was man misst: die Dicke selbst oder die Auslenkung der Membran unter Druck.

02Vorgehen

Wir haben beides durchgerechnet, bevor jemand eine Maschine konstruiert hat. Die kapazitive Variante ist an der eigenen Geometrie gescheitert: Wegen der fünf Messpunkte schrumpft die Elektrode auf 2 mm, die Kapazität auf 0,09 bis 0,26 pF, die Empfindlichkeit auf 0,08 % pro µm – die Fehlerrechnung landet bei ±47 µm statt ±0,5 µm. Kein Optimierungsproblem, sondern das falsche Verfahren für diese Teilegrösse. Die chromatisch konfokale Messung kam nahe an die Spezifikation heran, und dann haben wir sie in einer sechsfachen Gage-R&R zerlegt: drei Teile, beide Seiten, drei Prüfer, zehn Messpunkte, drei Wiederholungen.

03Ergebnis

Das Ergebnis war eindeutig und nicht das erwartete. Die Wiederholbarkeit liegt in fünf von sechs Läufen bei 0,020 bis 0,032 µm – der Sensor ist um ein Vielfaches besser als nötig. Die Reproduzierbarkeit liegt bei 0,11 bis 0,77 µm, also bis zum Sechsunddreissigfachen. Gemessen an einem Toleranzband von 10 µm frisst die Messung zwischen 6,7 % und 51,3 % – bei identischem Sensor. Damit war klar, wo das Geld hingehört: nicht in einen besseren Messkopf, sondern in die Aufnahme und die reproduzierbare Anfahrt der fünf Messpunkte. Nebenbei fiel auf, dass die geschliffene und die rohe Sinterseite sich messtechnisch nicht unterscheiden.

Was steckt drin

Eine Machbarkeitsstudie mit zwei geprüften Messprinzipien samt vollständiger Fehlerrechnung, eine Oberflächenanalyse aus akkreditiertem Labor über 2 × 2 mm² mit 50 µm Linienabstand, sechs Gage-R&R-Auswertungen mit den Rohdaten – und zwei ausgearbeitete Anlagenkonzepte: Dickenmessung an fünf Punkten oder Auslenkungsmessung unter bis zu 4 bar, jeweils mit Zeitplan, Gates und Kosten. Dazu der Vergleich, der die Entscheidung trägt: Die Auslenkungsvariante braucht 5 statt 3 s Takt, 26 statt 20 Wochen und rund das 1,9-Fache.

Und wie ging es weiter

Bestellt wurde die erste von zwei Projektphasen: die Entwicklung des Messkopfs für die Dickenmessung, zehn Wochen, mit dem einzigen Ziel, Genauigkeit, Wiederholbarkeit, Reproduzierbarkeit und Taktzeit nachzuweisen, bevor eine Maschine darum herum entsteht. Bemerkenswert bleibt der Nebenbefund aus der Oberflächenanalyse: Was «Dicke» heisst, hängt vom Messfleck ab – über zwei Messpunkte gefiltert ergibt dasselbe Profil 3 µm Spitzenwert, über zwanzig gefiltert 20 µm. Diese Frage gehört ins Pflichtenheft, nicht ins Messgerät.

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