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Komplexe Messdatenanalyse in der Fertigungsmesstechnik

Fachgebiet 5.10

Profil

Dieses Fachgebiet unterstützt Abteilung 5 mit der Modellierung und Auswertung von Messdaten.

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Forschung/Entwicklung

Simulation von Elektronenstreuprozessen

Derzeit werden Elektronenstreuprozesse in Festkörpern zur Beschreibung rasterelektronenmikroskopischer Signale simuliert. Die synthetisch erzeugten Elektronenmikroskopbilder unterstützen die quantitative Analyse und die Abschätzung von Unsicherheiten der Größe von Nanopartikeln. Die Transmission von Elektronen durch Kohlenstoffpartikel wird für das EMPIR-Projekt Black Carbon berechnet, und für das EMPIR-Projekt nPSize wird die Transmission von Elektronen durch Gold und Titanoxid bestimmt. Titanoxid gehört nicht zu den Materialien, zu denen inelastische Streuquerschnitte allegemein verfügbar sind. An der PTB wurden doppelt differenzielle Streuquerschnitte empirisch abgeschätzt, ebenfalls auch für Polystyrol. Wichtiges Anwendungsgebiet ist die Kalibrierung von Aerosolmessgeräten, wofür Polystyrolnanokugeln als Referenz eingesetzt werden. Ihre Größe wird mittels Elektronenmikroskopie kalibriert. Der Opens external link in new windowGrößenbestimmung der Polystyrolpartikel liegen Monte-Carlo Simulationen unter Verwendung entsprechender Streuquerschnitte zugrunde. Die Ergebnisse konnten durch Vergleich mit Daten aus internationalen Ringvergleichen verifiziert werden.

Charakterisierung von Topographiemessgeräten

Zur Charakterisierung des Übertragungsverhaltens von Topographiemessgeräten, insbesondere von optischen 3D-Mikroskopen, werden Prüfkörper eingesetzt, die zeigen, wie Höhen unterschiedlich breiter Strukturen, sowie deren Steigungen und Krümmungen wiedergegeben werden. Dazu laufen derzeit umfangreiche Studien im Rahmen des von AG 5.14 koordinierten EMPIR-Projektes Opens external link in new windowTracOptic. Algorithmen zur Auswertung von Initiates file downloadCosinuswellen unterschiedlicher Wellenlängen (Chirpsequenzen mit jeweils konstanter Wellenlänge innerhalb einer Welle) und von Initiates file downloadLinienstrukturen mit rechteckförmigen Stegen, sowie Algorithmen zur Analyse von flächenhafter Rauheit und von Aberrationsfehlern werden in FG 5.10 entwickelt.

Bestimmung funktionsrelevanter Eigenschaften von Oberflächen

Es werden Messmethoden und Auswerteverfahren zur Bestimmung funktionsrelevanter Eigenschaften von Oberflächen (Form, Welligkeit, Rauheit) entwickelt. Beispielsweise wurde im Rahmen eines Kooperationsprojekts mit Industriepartnern, einem Messgerätehersteller und einem Hersteller von Verzahnungen, und mit den Fachbereichen 5.3 Koordinatenmesstechnik, 5.5 Wissenschaftlicher Gerätebau und 5.1 Oberflächenmesstechnik ein Opens external link in new windowVerzahnungs-Raunormal entwickelt. Dies ist ein Prüfkörper, der ein Zahnrad mit unterschiedlich texturierten einzelnen Zähnen darstellt, wobei die Zähne als Raunormale dienen. Fachgebiet 5.10 liefert dazu Unterstützung und Berechnungsmethoden zur Filterung und zur Ermittlung von Rauheitskenngrößen.

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Dienstleistungen

Entwicklungen und Implementierungen für Kalibrieraufgaben

  • Die Implementierung der Analysemethoden der im ISO/TC 213 entwickelten Normen zur Filterung und Bestimmung von Rauheitskenngrößen erfolgt normungsbegleitend. Für die Auswertung von Rauheitsprofilen für Kalibrierzwecke in AG 5.15 sowie als weltweiter online-Service wird die Software RPTB (Opens external link in new windowwww.ptb.de/rptb) gewartet und weiterentwickelt. Neue Filterverfahren sowie eine neue, eindeutige Methode zur Bestimmung der Kenngrößen Rsm und Rc wurden gemäß der neu heraus gekommenen Norm ISO 21920-2 aktualisiert. Ferner wurde die Implementierung der auf Profilelemente basierenden Kenngrößen wie Rz, Rv, Rp entsprechend erneuert. Die Kenngröße Rmax ist abgelöst worden durch eine etwas anders spezifizierte Größe Rzx. Eine Reihe neuer Kenngrößen, wie beispielsweise die Autokorrelationslänge Ra, wurde hinzugefügt. Die RPTB-Implementierungen aller Kenngrößen wurde mittels Opens external link in new windowSoftwarenormale im Rahmen eines Ringvergleichs und bei Verwendung teils unabhängiger Implementierungen validiert. Ein Artikel dazu wurde bei Metrologia eingereicht, der Entwurf dazu ist Initiates file downloadhier.
     
  • Automatisierung von Kalibrierprozessen:   Entwicklung von Software zur Integration der Analyse von Messdaten, der Bestimmung von Messunsicherheiten bis hin zur Erstellung der Kalibrierscheine ohne die Notwendigkeit manueller Datenübertragung.


  • Für die Auswertung flächenhafter Topographiedaten, insbesondere aus der optischen Rauheitsmesstechnik der AG 5.14, sind sowohl Filteralgorithmen als auch Algorithmen zur Bestimmung von Kenngrößen gemäß ISO 25178-2 und von Leistungsdichtespektren implementiert worden. Es sind weitere Schritte notwendig, diese Funktionen besser zu dokumentieren und für viele Nutzer gut einsetzbar zu machen.

Lehre an der TU Braunschweig und der IGSM

Dorothee Hüser und Gerd Ehret, Leiter des Fachbereichs Opens external link in new window4.2 Bild- und Wellenoptik und Leiter der Arbeitsgruppe 4.22 Ebenheitsmetrologie, halten im Rahmen der Metrologieinitiative Braunschweig am Institut für Produktionsmesstechnik der TU die Vorlesung Messdatenauswertung und Messunsicherheit.

Das in LaTeX gesetzte Vorlesungsskript wird fortlaufend weiter entwickelt und steht als Opensourceprojekt auf dem öffentlichen Repository github zur Verfügung. Dies bietet die Möglichkeit, dass Studierende und andere Interessierte sich an der Verbesserung des Skriptes beteiligen können, um Inhalte und die didaktische Aufbereitung der Inhalte zu optimieren.

Während der Sommerschule der IGSM im Jahre 2023 wurde eine Zusammenfassung der wesentlichen Inhalte zur Messunsicherheitsbestimmung in Form einer Darstellung der drei verschiedenen Herangehensweisen gegeben: (1) Fortpflanzung für explizite, univariate indirekte Messgrößen mit linearisierbaren Modellen, (2) Monte-Carlo-Verfahren für beliebige Modelle mit der Annahme, dass das Modell selber keine Unsicherheit hat, (3) Verwendung der bayesischen Statistik mit der Möglichkeit eines endlichen breit verteilten Modellpriors und des Informationsgewinns aufeinander folgender Messkampagnien. Die Vorlesungsfolien dazu stehen zur Verfügung: Initiates file downloadVorlesung 1: Überblick über die verschiedenen Konzepte; Initiates file downloadVorlesung 2: Illustrierung der drei unterschiedlichen Ansätze.

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