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Technologietransferpreis der IHK Braunschweig: Innovative Massenormale für den weltweiten Transfer der neu definierten Einheit Kilogramm

05.12.2019

Auf Grund der erfolgten Neudefinition und der neuen Möglichkeiten zur Weitergabe der Einheit Kilogramm für eine praxisgerechte und stabile Rückführungskette ist der Bedarf an Siliziumkugeln bei Nationalen Metrologischen Instituten, Kalibrierlaboratorien und Waagenherstellern sehr hoch. Hier etablierte das Transferprojekt „Si-kg“ mit den beteiligten Unternehmen eine schlüsselfertige Infrastruktur für ein Verfahren zur Erstellung einer komplexen Fertigungskette, Handhabung hochreiner Siliziumkugeln, sowie deren Lagerung und Transport. Das Transferprojekt ist somit für die Unternehmen ein Schritt in einen attraktiven Wachstumsmarkt, den Sie ohne den Know-how Transfer nicht hätten erschließen können.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) war an der Neudefinition des Internationalen Einheitensystems maßgeblich beteiligt. Im Bereich der Masse wurde das 130 Jahre alte „Urkilogramm“ unter anderem durch mehrere einzigartige Kugeln aus monokristallinem Silizium abgelöst. Eine wesentliche Herausforderung bei dieser neuen Herangehensweise war die Fertigung und Bereitstellung von Kugeln mit bisher nicht erreichter Genauigkeit.

Sowohl das Herstellungsverfahren für die Kugeln als auch das Handling der Kugeln wurde an zwei mittelständische Unternehmen im Rahmen des dreijährigen Transferprojekts Si-kg für den industriellen Bedarf erweitert und mit großem Erfolg am Markt platziert. Hierfür wurden zunächst die Fertigungsvorrichtung und das Fertigungsverfahren an J. Hauser GmbH & Co. KG transferiert [Metrologia, 2019]. Das patentierte Polierverfahren [Patent] ermöglicht es, die Kugeln trotz der robusten Kristallstruktur mit geringen Formfehler rund zu fertigen. Das bedeutet solide Ecken und Kanten zu entfernen ohne die weichen Flächen zu beschädigen. Zudem ermöglicht das Verfahren, Atome rein physikalisch von der Oberfläche zu entfernen, so dass weder Kratzer entstehen noch die monokristalline Struktur des Siliziums zerstört wird. Die monokristalline und kratzerfreie Oberfläche verhindert das Eindringen bzw. Ausgasen von (Fremd-) Atomen. Hierdurch erlangen Massenormale aus Silizium eine bis dahin nicht erreichbare Langzeitstabilität. Damit verfügt die Industrie über ein Fertigungsverfahren, mit dem Kugeln mit zehnfach geringerer Formabweichung (RONt ~10 nm) sowie einer sehr geringen Rauheit (Ra < 0,5 nm) für den nationalen und internationalen Markt angeboten werden [CPEM, 2018]. Einzigartig ist hierbei, dass diese Spezifikationen über die gesamte Kugeloberfläche eingehalten werden.

Das Herstellungsverfahren für Kugeln ist eine komplexe mehrstufige Prozesskette [Euspen, 2015], welche aus den Einzelschritten Schneiden, Drehen, Läppen und Polieren besteht (siehe Opens external link in new windowhttps://www.ptb.de/cms/fileadmin/internet/video_podcast/allg_video/avogadro/Trailer_Avogadro.mp4)

An die Firma Häfner GmbH wurde das Know-how für die Handhabung von Siliziumkugeln weitergegeben. In mehrjährigen Versuchen und Praxistests hat die PTB Materialien identifiziert, mit denen sich Siliziumkugeln sicher handhaben, lagern und transportieren lassen. Um die extrem hohe Massestabilität zu gewährleisten lagern die Siliziumkugeln auf speziellen Ringen, die die Kugel weder verkratzen noch Anhaftungen an der Kugeloberfläche zurücklassen. Insbesondere beim Transport der Kugeln ist dies von herausragender Bedeutung, da die Massenormale hierbei ständigen Stößen und Mikrobewegungen ausgesetzt sind. Zusätzlich wurde, basierend auf den Vorentwicklungen der PTB, ein gemeinsamer Transportbehälter und Transportkoffer sowie ein umfassendes Kalibrierkonzept entwickelt [IMEKO, 2018]. Die Kugeln können auf einfache, effiziente und kostengünstige Weise mit speziellen Tüchern und einem empfohlenen Universalreiniger gereinigt werden. Auch hier ist es notwendig Verunreinigungen zu entfernen, ohne dabei die Kugeloberfläche zu beschädigen. Mittlerweile bietet die Firma Häfner neben den Kugeln, den Reinigungs- und Handhabungsutensilien auch Schulungen zum fachgemäßen Umgang mit den Siliziumkugeln an.

Mit dem Transfer der Kugelfertigung an die Firma Hauser und dem Transfer der Handhabung an die Firma Häfner ist weltweit eine einzigartige schlüsselfertige Infrastruktur geschaffen worden, die es erlaubt, hochstabile und exakte Massenormale anzubieten. Das Transferprojekt Si-kg wurde mit dem diesjährigen Technologietransferpreis der IHK Braunschweig ausgezeichnet [IHK, 2019].

Bild 1: Technologieempfangende Unternehmen J. Hauser GmbH & Co. KG und Häfner Gewichte GmbH sowie die Preisträger der PTB. Von links nach rechts: Wolfgang Hauser, Stephan Hauser, Katharina Lehrmann, Thomas Wiedenhöfer, Martin Häfner, Katrin Häfner, Dr. Frank Härtig, Dr. Rudolf Meeß.

Literatur:

[Metrologia, 2019]    Knopf, Dorothea; Wiedenhöfer, Thomas; Lehrmann, Katharina; Härtig, Frank; A quantum of action on a scale? Dissemination of the quantum based kilogram; Metrologia, 2019. DOI: Opens external link in new window10.1088/1681-7575/ab0851

[CPEM, 2018]    Lehrmann, Katharina; Knopf, Dorothea; Härtig, Frank; Status of the realization and dissemination of the unit kilogram via silicon spheres; Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM); Paris, 08-13, July, 2018. DOI: Opens external link in new window10.1109/CPEM.2018.8501162

[IMEKO, 2018]    Härtig, Frank; Hackel, Siegfried; Hutzschenreuter, Daniel; Lehrmann, Katharina; Meeß, Rudolf; Scheibner, Alexander; Wiedenhöfer, Thomas; Mass standards made of silicon and their machine-readable Digital Calibration Certificate; XXII World Congress of the International Measurement Confederation (IMEKO 2018); Belfast, 03-06, September, 2018. DOI: Opens external link in new window10.1088/1742-6596/1065/8/082005

[Euspen, 2015]    Meeß, Rudolf, Hinzmann, Günter; Lück, Alexander; Improved manufacturing process chain for silicon spheres; Euspen's 15th International Conference & Exhibition of the European Society for Precision Engineering & Nanotechnology, Leuven, Belgium, 01-05, June, 2015

[IHK, 2019]    35. Technologietransferpreis der IHK, IHK Wirtschaft, Ausgabe Dezember 2019

[Patent]    Meeß, Rudolf; Hinzmann, Günther; Lück, Alexander; Müller, Michael; Maschine zum Herstellen von Kugeln, Kugel und Verfahren zum Herstellen einer Kugel; DE 10 2015 110 712 A1; Priorität 02.07.2015

Ansprechpartner:

Katharina Lehrmann, FB 1.1, AG 1.15, E-Mail: Opens window for sending emailkatharina.lehrmann(at)ptb.de