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3D-Rauheitsmesstechnik

Arbeitsgruppe 5.14

Profil

Rauheitsmesstechnik wird in der Qualitätssicherung des Maschinenbaus traditionell durch taktile Antastung mit Tastschnittgeräten realisiert. Diese messen profilweise und erfordern größere Messzeiten als optisch und flächenhaft messende Systeme. Der mechanische Kontakt einer Tastspitze kann je nach Material bleibende Spuren hinterlassen. Deshalb haben die Messgerätehersteller während der vergangen fünfzehn Jahre Entwicklungen zur optischen Topographiemessung mit großem Nachdruck vorangetrieben. Für die industriellen Anwender ist das Thema Rauheitsmessung von zentraler Bedeutung, insbesondere hinsichtlich der Funktion von Maschinenteilen. Optische Verfahren zur Messung von Rauheit und Textur auf Maschinenteilen stellen eine größere Herausforderung dar als taktile, weil die Ergebnisse in Abhängigkeit vom Messprinzip stark voneinander abweichen können. Diesem Problem stellt sich die Arbeitsgruppe 5.14 mit Untersuchungen und Entwicklungen zur Charakterisierung und Rückführung optischer Messverfahren für Topographien. Dies schließt die Entwicklung von entsprechenden Prüfkörpern ein.

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Forschung/Entwicklung

Entwicklung optischer Verfahren zur Messung von Texturen und Topographien

Die Arbeitsgruppe 3D-Rauheitmesstechnik unterstützt die Entwicklung optischer Verfahren zur Messung von Texturen und Topographien dadurch, dass sie

  1. Prüfkörper zur Charakterisierung topographisch messender Mikroskope entwickelt, oder an Entwicklungen beteiligt ist;
  2. VDI-Richtlinien (Opens external link in new windowVDI 2655-Serie) und ISO-Normen (Opens external link in new windowISO 25178-Serie) zur Spezifizierung der Messprinzipien und Kalibriernormale, sowie für Verfahren zur Charakterisierung und Kalibrierung der Geräte erarbeitet oder an der Erarbeitung mitwirkt;
  3. Verfahren zur Analyse der flächenhaften Topographiemessungen, wie sie in den Normen der ISO 16610-Reihe definiert sind (für die Filterung) und in der Norm ISO 25178-2 definiert sind zur Bestimmung von Rauheitsparameter implementiert;
  4. die optische Abbildung zum besseren Verstehen des Übertragungsverhaltens, der Bandbegrenzung und Signaltreue mit vereinfachten Modellen theoretisch berechnet und diese mit experimentellen Beobachtungen vergleicht;
  5. Vergleichsmessungen und vergleichende Auswertungen mit anderen Staatsinstituten organisiert und durchführt, sowie mit Messgeräteherstellern hinsichtlich der Gerätecharakterisierung mittels Prüfkörpern kooperiert.

Die zentrale Fragestellung für alle Anwendungen, also für die Messung von mikrostrukturierten Topographien sowie von Texturen, was die Rauheit einschließt, betrifft die Signaltreue. Bildet ein Gerät mit seinem Übertragungsverhalten eine Topographie im Rahmen der geforderten Genauigkeitsklasse originalgetreu ab? Wie groß und welcher Gestalt sind die kleinsten geometrisch korrekt wiedergegebenen Merkmale? Zur Beantwortung dieser Fragestellung beziehungsweise zur Spezifizierung der Bandbreite der dimensionellen Messung müssen vertikale und laterale Auflösung gemeinsam betrachtet werden. Deshalb muss das Aspektverhältnis von Strukturen gemeinsam mit Steigungen und Krümmungen in das Kriterium zu Strukturauflösung einbezogen werden. Für die Untersuchung der Strukturauflösung werden verschiedene, definierte Strukturen als Prüfkörper realisiert.  Die Prüfkörper unterscheiden sich danach, ob die Strukturen definierte Geometrien wie beispielsweise Sinusformen, Stufen und Liniengitter mit rechteckigem Profil, Pyramiden mit Terrassen darstellen, oder ob die Topographie aus stochastischen bzw. pseudostochastischen Strukturen besteht.

Dazu kommen unterschiedliche Fertigungsverfahren zum Einsatz:

Diamantdrehen (Zusammenarbeit mit AG 5.56 Fertigungstechnologie)

Die mit dem Diamantdrehverfahren gefertigten Strukturen werden durch Plandrehen in eine 100 µm dicke Nickelphosphorschicht, die auf einer Kupferscheibe aufgebracht wird, eingearbeitet. Jede Scheibe wird nach der Fertigung in mehrere Segmente getrennt. Durch das Verfahren sind die Strukturen innerhalb des Messfeldes eines Mikroskops aufgrund der großen Drehradien näherungsweise 1D-Profile in radialer Richtung.

Oberflächenbearbeitung durch die Kombination von Schleif- und Läppprozessen auf Silizium (Zusammenarbeit mit Fa. SiMetricS)

Material wird mit gebundenen Körner mittels einem von SiMetricS entwickelten Verfahren auf Nass-Schleifpapier abgetragen, bei dem der Siliziumchip entlang einer geraden Kante, eine definierte Schleifstrecke geführt wird. Material wird mit rollenden Siliziumcarbidkörnern abgetragen, wobei der Läppteller eine wohldefinierte, kreisende Bewegung macht.

Focused ion beam (FIB) Milling (Zusammenarbeit mit Fa. Pointelectronics)
Im Rahmen des Projektes Opens external link in new windowMircroparts des Europäischen Förderprogramms für die Metrologie EMRP/EMPIR wurden Mikrogeometrien (Zylinder und Kugeln) hergestellt, auf die mittels dieses Ionenstrahlfertigungsverfahrens eine Textur aufgebracht wurde. Dieses Verfahren wird ferner eingesetzt, um Raunormale im Bereich der Mirkorauheit zu fertigen.

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Dienstleistungen

Optische 3D-Mikroskope für Dienstleistungen

Die Arbeitsgruppe 5.14 verfügt über optische 3D-Mikroskope unterschiedlicher Messprinzipien, die für Dienstleistungen eingesetzt werden:

  1. Scannendes Laserkonfokalmikroskop (CLSM) Olympus Lext OLS 4100;
  2. Sensofar S-Neox, auf dem mit einem statischen Konfokalmessmodus und mit verschiedenen interferenzmikroskopischen Modi (Vertical Scanning Interferometry VSI, Phase Shifting Interferometry PSI, extended PSI) gemessen werden kann;
  3. MicroMap der Fa. Atos mit verschiedenen interferenzmikroskopischen Modi (VSI, PSI).


So konnten beispielsweise mit Hilfe des CLSM die Untersuchungen der Arbeitsgruppe 3.62 Explosionsgeschützte Kommunikations- und Sensorsysteme zur Bildung von Funken beim Trennen von Elektroden unterstützt werden, indem die Bereiche der Kontaktstellen dimensionell vermessen wurden, [Uber et al]

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Informationen

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