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Innovation und Industrie

Die hohe Bedeutung einer innovativen und damit auch künftig wettbewerbsfähigen Industrie wird sowohl national auch als international immer wieder adressiert. So werden im EU-Forschungsprogramm Horizont 2020 als Schlüsseltechnologien (Key Enabling Technologies, KET) für innovative Produkte die folgenden Bereiche genannt: Nanotechnologie, Mikro- und Nanoelektronik, neue Materialien, Biotechnologie, Photonik und fortgeschrittene Fertigungstechnologien, alles Felder mit unmittelbar metrologischem Bezug. Darüber hinaus eröffnet die aktuelle technologische Entwicklung im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), befeuert durch die europäische und nationale „Digitale Agenda“ sowie insbesondere die rasant wachsende Verknüpfung von innovativer Produktion und Informationstechnologie (Stichwort vierte industrielle Revolution, „Industrie 4.0“), vollständig neue Möglichkeiten mit großen Herausforderungen an die Metrologie, nicht zuletzt auch im gesetzlichen Messwesen. 

  • Die effiziente Steuerung zunehmend komplexer und gleichzeitig flexibler Produktionsabläufe im Rahmen von Industrie 4.0 erfordert eine in Echtzeit aktualisierte, detaillierte Kenntnis der Prozessparameter einerseits und logistischer Information andererseits. Die Vielzahl der dazu erforderlichen Sensoren muss vor allem verlässliche, genaue Messdaten liefern, auf der Basis standardisierter Protokolle kommunizieren, und die erhaltenen Daten müssen so fusioniert werden, dass verschiedene Messmethoden miteinander vergleichbar sind – alles offensichtlich verbunden mit stark wachsenden Anforderungen an die Metrologie.

  • Die PTB modelliert Sensoren, Messgeräte und Messabläufe, bis hin zum sogenannten virtuellen Messgerät. Dabei werden die Charakteristika der zu messenden Objekten sowie die Umgebungsbedingungen der Messungen in die Ermittlung zuverlässiger Messergebnisse inklusive Messunsicherheiten einbezogen. Darüber hinaus ist absehbar, dass Methoden der Datenfusion zukünftig verstärkt angewendet werden, um die Ergebnisse verschiedener Messmethoden miteinander zu vergleichen.

  • Die hochgenaue Verbreitung der gesetzlichen Zeit durch die PTB ist wichtiger Bestandteil der allgemeinen staatlichen Infrastruktur in Deutschland und Europa. Insbesondere in den Bereichen Verkehr und Kommunikation basieren Produkte und Dienstleistungen auf der Nutzung präziser Zeitinformationen. Die Synchronisation verteilter Systeme in flexiblen Fertigungsinfrastrukturen von Industrie 4.0 benötigt zunehmend validierte Zeitinformation. Bei innovativen Anwendungen, z. B. bei der Erzeugung ultrastabiler Mikrowellenfrequenzen für die Raumfahrt- und die terrestrische Industrie und für zukünftige Messmethoden der Geodäsie, begrenzen die traditionellen Techniken der Verbreitung über Langwellensender und Satelliten die beim Anwender verfügbare Genauigkeit der Zeit- und Frequenzsignale, die von neuesten, höchstpräzisen Atomuhren abgeleitet werden können. Es werden deshalb strategische Punkt-zu-Punkt-Glasfaserverbindungen für die moderne Zeit- und Frequenzverbreitung benötigt. Diese Verbindungen werden das Rückgrat eines zukünftigen europäischen Glasfasernetzes für Zeit- und Frequenzvergleiche bilden. In nationalen Forschungskooperationen sowie zusammen mit ihren Partnern aus ausgewählten Metrologieinstituten in Europa wird die PTB diese Entwicklung vorantreiben.

  • In der Mikrosystemtechnik, der Halbleiterindustrie und der Nanotechnologie sind dimensionelle Messungen von Mikro- und Nanostrukturen, also die Bestimmung von Strukturgrößen und -formen, wichtige Charakterisierungsmethoden. Immer kleinere Strukturen benötigen Messverfahren mit gesteigertem räumlichem Auflösungsvermögen und einer geringeren Messunsicherheit sowie 3D-Messfähigkeit. Die Messung kritischer Dimensionen von lithographischen Masken für die Fertigung von Halbleiterbauelementen erfordert heute Unsicherheiten von kleiner als 1 nm mit ständig steigenden Anforderungen u. a. auch im Bereich der Charakterisierung funktionsrelevanter Mikrokomponenten. Die stärkere Verwendung von natürlichen und künstlichen Nanopartikeln, z. B. in Farben, Kleidung, Lebensmitteln und Kosmetika, erfordert die Bewertung der mit Nanopartikeln potenziell verbundenen Risiken. Zuverlässige Verfahren zur Charakterisierung der Nanopartikel sind wesentliche Voraussetzung für eine belastbare Forschung zu möglichen Risiken, eine darauf aufbauende korrekte und gesellschaftlich akzeptierte Risikobewertung sowie schließlich die rechtssichere Durchsetzung von Kontroll- und Schutzmaßnahmen. Verbesserten Methoden für die Größen-, Form- und Konzentrationsbestimmung von Nanopartikeln kommt hier eine besondere Bedeutung zu. Hierzu werden an der PTB optische, elektronen- und röntgenoptische Messmethoden stetig verbessert, Messgeräte speziell für diese Anforderungen weiterentwickelt und Lücken in der messtechnischen Rückführung von industriell eingesetzten Partikelmessgeräten geschlossen. Des Weiteren unterstützt die PTB massiv die Entwicklung der Lithographie im extremen EUV-Bereich bei einer Wellenlänge von 13,5 nm, eine zukünftige Schlüsseltechnologie der Halbleiterindustrie zur Produktion von Strukturbreiten von weniger als 20 nm. Mittels weltweit einmaliger Möglichkeiten und Instrumente an den Synchrotronstrahlungsquellen Metrology Light Source (MLS) und BESSY II werden EUV-Optiken, -Masken und -Detektoren charakterisiert.

    Allgemein ist es in dem breiten Feld der Nanometrologie die Strategie der PTB, neben der Konzentration auf Fokusgebiete durch Bereitstellung modernster generischer Methoden in der Lage zu sein, zeitnah auf spezifische Anforderungen aus Industrie und Gesellschaft reagieren zu können. Erweiterte Möglichkeiten werden sich ab 2017 bieten, wenn das aus Bundes- und Landesmitteln errichtete und von der TU Braunschweig in Kooperation mit der PTB betriebene Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA) den Vollbetrieb aufnimmt.

  • Die Anforderungen an die dimensionelle Messtechnik von Großkomponenten mit Abmessungen bis zu mehreren 10 m, z. B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie insbesondere auch für Windenergieanlagen, steigen ständig. Die Prüfung von Fertigungs- und Montagetoleranzen von kleiner als 0,1 mm an Großkomponenten wie auch an montierten Systemen erfordert neue Messmethoden für die funktionsrelevanten dimensionellen Parameter und die mechanischen Eigenschaften. Es werden neue Referenzmesseinrichtungen, fertigungsbegleitende Messtechniken sowie Verfahren für die Überwachung in der Anwendung benötigt.

  • In Deutschland und Europa hat sich eine starke optische Industrie entwickelt, die Spezial- und High-end-Optiken, Bearbeitungsmaschinen und optische Messgeräte herstellt. Asphärische Linsen und Freiformflächen sind Schlüsselkomponenten dieser Produkte. Sie erlauben es, kleinere Bauformen von Optiken, z. B. Kameras in Mobiltelefonen, zu realisieren und gleichzeitig deren Abbildungsleistung zu verbessern. Methoden der Form- und Strukturmessung mit Nanometergenauigkeit an optischen Funktionsflächen von Freiformkörpern sind bisher noch nicht etabliert und bedürfen der metrologischen Untermauerung.

  • Zunehmend kostengünstigere und leistungsfähigere Kameratechnik wird den Einsatz bildgebender Messtechnik bei der berührungslosen Temperaturmessung, der Prozessüberwachung, -steuerung und -optimierung sowie in der Qualitätskontrolle von Produktkomponenten und Systemen im industriellen Umfeld verstärken. Statt nacheinander ein Feld von Messpunkten abtasten zu müssen, kann nämlich ein metrologisch validiertes Kamerabild unmittelbar und viel schneller die Messinformation über eine große Fläche liefern. Multispektralkameras sind weitere Beispiele für technologische Innovation in der bildgebenden Analytik in Zukunftsmärkten wie der Recyclingindustrie oder im Bereich der autonomen Fahr- und Assistenzsysteme im Automotive-Bereich. Die Charakterisierung bildgebender Messmethoden erfordert spezifische Messgrößen und neue vereinheitlichte metrologische Ansätze, die z. B. die Homogenität der Ansprechfunktion der Messgeräte quantifizieren. Bildgebende Messtechnik ist auch Basis für aus der Medizin bekannte tomografische Messverfahren (CT), die zur Erfassung der 3D-Geometrie zu prüfender Komponenten zunehmend eingesetzt werden.

  • Anorganische und organische Leuchtdioden werden die Lichtquellen der Zukunft sein und in immer vielfältigeren Anwendungen Glühlampen und einfache Gasentladungslampen weitestgehend verdrängen, ein Multimilliardenmarkt mit starker Beteiligung von deutschen Unternehmen. Neben der Bestimmung der Energieeffizienz dieser Lichtquellen wird die Bewertung der Lichtqualität für die Industrie und den Marktzugang zunehmend bedeutender, mit hohen metrologischen Anforderungen z. B. an die Bestimmung farbmesstechnischer Kenngrößen. Darüber hinaus ist die fotobiologische Sicherheit der neuartigen Lichtquellen zu gewährleisten, was gleichfalls deren Charakterisierung mit hoher metrologischer Genauigkeit voraussetzt.

  • Quantenkryptographie ist eine vielversprechende und zukunftsweisende Technik zur Erhöhung der Sicherheit in der Informationstechnik. Ihre kommerzielle Nutzung hat in geringem Umfang bereits begonnen. Zur weiteren Entwicklung und einer breiteren kommerziellen Nutzung dieser Technologie ist eine zuverlässige Metrologie von Einzelphotonenquellen und –detektoren unabdingbar. Effiziente Einzelphotonenquellen ununterscheidbarer Photonen ermöglichen darüber hinaus die Realisierung verschränkter Photonenpaare für vollständig neue Anwendungen im Bereich der quantengestützten Metrologie jenseits der Standard-Quantengrenze.

  • Der Frequenzbereich der Millimeter- und Terahertzwellen wird verstärkt für neue Methoden der Nahbereichskommunikation, Sicherheitstechnik, Medizindiagnostik, Radartechnik und Klimaforschung erschlossen. Damit einher geht ein steigender Bedarf an metrologischen Verfahren zur Feld-Darstellung und zur Bestimmung charakteristischer Messgrößen für diesen Frequenzbereich. Darüber hinaus ergeben sich neue metrologische Aufgaben bei der Entwicklung und Charakterisierung von Referenzmaterialen, z. B. für spektroskopische Anwendung von Terahertzwellen.

  • Für innovative Technologien im Explosionsschutz sind Prüfverfahren, abgestützt auf die Modellierung sicherheitstechnisch relevanter Zündquellen und Verbrennungsvorgänge, zu entwickeln, die spezielle Messaufgaben beinhalten, z. B. die Zündgefahr durch optische Strahlung von Laser- und LED-Lichtquellen oder Zündung durch Ultraschall. Die Priorität liegt hierbei nicht auf der Erreichung der geringstmöglichen Messunsicherheit, sondern auf der Erarbeitung von Messverfahren, die einerseits ausreichende Sicherheit der geprüften Geräte gewährleisten, andererseits nachfolgend von den Explo¬sionsschutzprüfstellen mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand angewendet werden können.