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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Fertigungsmesstechnik

Abteilung 5

Nachrichten aus Jahresbericht 2017

Grundlagen der Metrologie

Hochgenaue Winkelmessungen mit Autokollimatoren werden signifikant von der Luftbrechzahl und hierbei insbesondere vom Luftdruck beeinflusst. Luftdruckunterschiede durch Wetter und geographische Höhe sind beim Vergleich von Kalibrierungen an unterschiedlichen Standorten zu berücksichtigen. Die PTB hat hierfür geeignete Strategien entwickelt, sowohl die Korrektur der Messergebnisse als auch die Evaluierung der Messunsicherheit betreffend.

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Ein heterodynes Doppelplanspiegelinterferometer mit getrennter Strahlzuführung wies periodische Nichtlinearitäten von 0,63 nm auf, die durch Mehrfachreflektionen hervorgerufen wurden. Mit einem neu entwickelten Verfahren konnten diese anhand des Amplitudenspektrums ohne zusätzliche Referenz bestimmt werden. Mit einer Spline-Interpolation der Messdaten auf Basis der mittleren Geschwindigkeit wurde die Bedingung einer konstanten Geschwindigkeit durch die an eine konstante Zeitbasis ersetzt.

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Für die Neudefinition des Kilogramm ist eine genaue Volumenbestimmung der 28Si-Kugeln erforderlich. Durch eine Modellierung des optischen Aufbaus und eine Simulation der Messabfolge konnten die Einflüsse von Fehlstellungen der Optiken sowie von realen Oberflächen berechnet werden. Dadurch war es möglich, diese Unsicherheiten erstmals genauer zu bestimmen und so die Gesamtunsicherheit deutlich zu reduzieren.

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Metrologie für die Wirtschaft

Im Rahmen des EMPIR-Projektes „Strength-ABLE“ wurde ein Pikoindenter auf der Basis eines Mikro-Elektro-Mechanischen Systems (MEMS) entwickelt. Das System soll die messtechnische Lücke zwischen Rasterkraftmikroskopen (AFM) und Nanoindentationsgeräten überbrücken. Es weist Indentationskräfte bis 400 µN auf und erreicht Indentationstiefen bis 9 µm bei einer Kraftauflösung von 9 nN. Kommerziell verfügbare AFM-Cantilever mit Diamantspitze können als Eindringkörper eingesetzt werden.

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Für einen DKD-Ringvergleich in der Rauheitsmesstechnik wurden Testdatensätze zum Vergleich von Algorithmen entwickelt, die zur Berechnung von für die Qualitätsbewertung funktionaler Oberflächen relevanten Kenngrößen RSm, Rc dienen. Die Implementierung der neu entwickelten Verfahren zu RSm, Rc in die Referenz-Software RPTB wurde abgeschlossen und der Algorithmus wurde verifiziert. Für hochbeanspruchte Funktionsober-flächen wurde auch ein optimierter Filterungsalgorithmus in RPTB implementiert.

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In einer Kooperation mit der TU Braunschweig im Rahmen des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA) wurden die mechanischen Eigenschaften von Silizium und Gallium-Nitrid Mikro- und Nanosäulen mittels Nanoindentation gemessen. Eine besondere Schwierigkeit ergab sich durch die geringen Durchmesser der Säulen von < 1,6 µm, die zudem während der Indentationsmessungen zu einer zusätzlichen Kompressibilität führen sollte. Dieser Effekt konnte erstmals experimentell bestätigt werden.

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Die aus der Rasterkraftmikroskopie bekannte Kontaktresonanzmethode wurde am Profilscanner der PTB mit 5 mm langen piezoresistiven Mikrotastern erfolgreich erprobt. Mit Hilfe einer Polycarbonat-Referenzprobe, deren E-Modul mittels Nanoindenation bestimmt wurde, konnte das E-Modul einer SU-8 Polymerprobe erfolgreich bestimmt werden. Damit sind zukünftig nicht nur Rauheitsmessungen, sondern auch E-Modulmessungen in Mikrobohrungen < 100 µm Durchmesser möglich.

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Die präzise Messung der Dicken von z.B. Folien oder Wafern im Bereich von einigen Mikrometer bis zu ca. einem Millimeter wird bei verschiedenen industriellen Anwendungen benötigt. Zunehmende Nachfrage seitens der Industrie machten eine Überarbeitung und Modernisierung des hierfür eingesetzten Messplatzes notwendig. Fokus der Modernisierung lag auf der Vereinfachung und Automatisierung der Messung, verbunden mit einer Kostenreduktion.

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In Zusammenarbeit mit dem Advanced Mask Technology Center (AMTC) wurde ein neues EUV-Maskennormal entwickelt. Mittels 3D/CD-AFM und HR-TEM wurden die Maskenstrukturen bzgl. der Parameter Strukturbreite (CD), CD-Gleichförmigkeit (CDU), Abstand, Höhe, Flankenwinkel, Linien- und Kantenbreite bzw. -rauheit (LER/WR) u.a. kalibriert. Als Messunsicherheit für CD wurde U = 2,5 nm erreicht. Das Normal dient als „Golden Standard“ für mehrere CD-Messgeräte am AMTC.

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Die Anwendung einer positionsabhängigen Korrektur des homodynen Gierwinkelinterferometers des Nanometerkomparators versetzt die PTB in die Lage, Geradheitsabweichungen mit sub-nanometer Unsicherheiten zu bestimmen. Dies wurde genutzt, um die Begrenzungen von Geradheitsinterferometern, speziell den Einfluss des Divergenzwinkels auf selbige, zu untersuchen. Für Bewegungsbereiche bis 250 mm konnte gezeigt werden, dass eine Vergrößerung des Divergenzwinkels zu kleineren Messunsicherheiten führt.

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Im Rahmen des Projektes Erhöhung der Verfügbarkeit und Qualitätsoptimierung von Triebstrangkomponenten und Verzahnungen für Windenergieanlagen (EVeQT) entstand das weltweit größte Verzahnungsnormal (Außendurchmesser von etwa 2 m). In einem erfolgreich abgeschlossenen nationalen Ringvergleich wurden die verschiedenen Innen- und Außenverzahnungen auf zwölf unterschiedlichen Geräten gemessen und mit den Kalibrierwerten der PTB verglichen. 

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Erstmals seit 2002 wurde von der PTB ein nationaler Ringvergleich für Gewindemessgrößen erfolgreich realisiert. In Zusammenarbeit mit dem Fachausschuss Länge des Deutschen Kalibrierdienstes (DKD) konnten 20 DAkkS-Labore in ihren akkreditierten und nicht akkreditierten Messverfahren Vergleichsmessungen an vier Gewindenormalen durchführen, um die Qualität ihrer Ergebnisse zu sichern.

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Das Anwendungsgebiet der Referenzwand für 3D-Koordinaten-Messsysteme wurde über die Prüfung von Lasertrackern hinaus auf die Untersuchung der 3D-Längenmessabweichungen von terrestrischen Laserscannern (TLS) erweitert. Die 3D-Längenmessabweichungen verschiedener Laserscanner dienen u.a. zur Unterstützung der Eichbehörden bei der Auswahl geeigneter Messsysteme als Ersatz für bestehende Systeme zur Bestimmung von Tankvolumina.

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Im Projekt CT-ÜW, das die PTB zusammen mit der Volume Graphics GmbH, Heidelberg, bearbeitet hat, wurde eine aufgabenspezifische Überwachung für industrielle CT-Messungen entwickelt und implementiert. Mit dem entwickelten Verfahren können nicht nur verschiedene Messergebnisse mit fest vorgegebenen Toleranzen verglichen werden, sondern zusätzlich kann auch die Anwendbarkeit der Analysen überprüft und somit die Zuverlässigkeit von Ergebnissen bewertet werden.

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Für die Kalibrierung von Gewinden wurde im Rahmen eines MNPQ-Projektes ein flächenhafter Ansatz entwickelt, der sowohl eine spezielle Antaststrategie auf taktilen Koordinatenmessgeräten als auch die mathematische Auswertung beinhaltet. Das neu entwickelte Konzept erlaubt eine ganzheitliche Kalibrierung von Gewinden auch unter Verwendung neu definierter Messgrößen auf universellen Koordinatenmessgeräten und wird nun in Normung und Kalibrierwesen transferiert.

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Im EU Marie Curie Projekt INTERAQCT wurde von der PTB ein neues Annahmeverfahren zur Spezifikation der Leistungsfähigkeit von Computertomographie (CT) Systemen bei der dimensionellen Messung von Multimaterial-Objekten entwickelt. Hierzu sind beispielsweise für die Bestimmung der Längenmessabweichung Multi-Material Lochwürfel realisiert und deren Anwendung in verschiedenen CT-Systemen erfolgreich erprobt worden.

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Nockenwellen beeinflussen in entscheidendem Maß die Leistung von Verbrennungsmotoren. Um die Qualität der Nockenform beurteilen zu können, ist es erforderlich ein gemessenes Nockenprofil mit dem zugehörigen Sollprofil zu vergleichen. Das Sollprofil wird dazu durch ein B-Spline-Verfahren rekonstruiert und auf die Messdaten transformiert. Auf diese Weise kann die Abweichung von der Nockenform und daraus abgeleiteter Nockenparameter bestimmt werden.

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Der DVW e.V. (Deutscher Verein für Vermessungswesen - Gesellschaft für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement e.V.) veröffentlicht in seinem neuesten Merkblatt 09-2017 „Metrologie für die Entfernungsmessung mit GNSS und EDM“ zwei sogenannte „Good practice guides“, welche im Rahmen des von der PTB koordinierten EMRP Projekts „SIB60 Surveying: Metrology for long distance surveying“ erarbeitet wurden.

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Bei der Tieftemperatur-CTE-Messung im Ultrapräzisionsinterferometer (UPI) trat durch die Kondensation von CO2 auf der Probe bei der Messung eine Längenänderung auf. Zur Vermeidung musste die Probe täglich aufgewärmt werden, um damit das CO2 zu entfernen. Durch den Einsatz eines Aktivkohleabsorbers um die Probe herum, konnte die Kondensation von CO2 auf der Probe unterdrückt werden und damit die Aufwärmphase entfallen, so dass die mehrwöchige Messdauer um mehr als ein Drittel verringert wurde.

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In der PTB steht jetzt ein neues Referenzmesssystem für die rückführbare Messung von großen Bauteilen mit Abmessungen bis zu 2 m × 2 m × 10 m bereit. Eingesetzt wird das System derzeit für die messtechnische Prüfung von Messanlagen für Rohholz in der Forstwirtschaft und holzverarbeitenden Industrie. Es stellt mit genau vermessenen Abschnitten von Baumstämmen die metrologische Rückführung dieser Messgeräte in der Holzwirtschaft sicher.

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Metrologie für die Gesellschaft

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Internationale Angelegenheiten

Die PTB hat den weltweit ersten Ringvergleich mit einem Autokollimator als Transfernormal abgeschlossen, an dem 25 Metrologieinstitute teilgenommen haben. Der Vergleich ermöglichte die Evaluierung der Kalibriermöglichkeiten der beteiligten Partner. Zudem konnten neue Erkenntnisse über die Einflüsse veränderlicher Umweltbedingungen auf die Winkelmessung mit Autokollimatoren gewonnen werden.

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