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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Fertigungsmesstechnik

Abteilung 5

Während der Herstellung von Siliziumkugeln mit sehr geringen Formabweichungen muss die Geometrie täglich kontrolliert werden. Es wurde eine neuartige Messeinrichtung mit kompakter Struktur und optischen Sensoren entwickelt. Die besondere Handhabungsstrategie vermeidet die Beschädigung der sehr wertvollen superpolierten Kugeln. Die Messzeit für die Bestimmung der Durchmesservariation mit Sub-Nanometer-Auflösung entlang eines Äquators konnte auf drei Minuten reduziert werden.

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Mutaib Zackaria, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Härtemesstechnik der PTB, hat den IX internationalen Wettbewerb „The Best Young Metrologist of COOMET“ im Bereich der angewandten Metrologie gewonnen. Sein Bericht und die Präsentation seiner Arbeit zu einem automatisierten Ansatz zur Durchführung von Rockwell-Härteprüfungen überzeugten das renommierte wissenschaftliche Komitee des Wettbewerbs, das sich aus Vertretern internationaler (BIPM, BIML) und regionaler (COOMET, AFRIMETS, EURAMET, SIM) Metrologieorganisationen zusammensetzte.

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Um die kleinstmögliche Messunsicherheit bei der Rückführung von Verzahnungsmessgrößen zu erreichen, wurden die Verzahnungen auf Koordinatenmessgeräten bisher in Einzelpunktantastung kalibriert. Zur Beschleunigung der Messungen wurden in den letzten Jahren zahlreiche Testmessungen im Scanningmodus an Verzahnungen unterschiedlicher Abmessungen und Verzahnungsparameter durchgeführt. Durch eine optimierte Messstrategie ist es nun gelungen, die gleichen Messunsicherheiten wie in Einzelpunktantastung, jedoch mit einem Zeitgewinn von mehr als einem Faktor 10 zu erreichen.

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Anni Röse aus der PTB wurde als DPG-Physikerin der Woche vorgestellt. Sie studierte Physik in Göttingen, Deutschland. Im Jahr 2018 erhielt sie ihren Master-Abschluss an der Georg-August-Universität. Seit 2019 promoviert sie im Fach Maschinenbau an der Technischen Universität Ilmenau und ist Teil der Arbeitsgruppe 5.42 "Mehrwellenlängeninterferometrie für geodätische Längen" in der PTB.

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Im Juni 2020 startete das EMPIR-Netzwerkprojekt "Support for a European Metrology Network on Advanced Manufacturing".Ziel ist die Stärkung der europäischen fertigenden Industrie durch innovative Metrologie. Erstmals wird eine gezielte Koordinierung der benötigen Messtechnik auf europäischer Ebene erfolgen und damit eine Infrastruktur für den grenzübergreifenden metrologischen Wissensaustausch etabliert. Darüber hinaus wird im Dialog mit Stakeholdern aus verschiedenen Industriesektoren eine Forschungsagenda erarbeitet, welche die Entwicklung und Einführung von Metrologie für innovative Fertigungsverfahren unterstützt und beschleunigt.

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Hochgeschwindigkeits-Rauheitsmessungen mit piezoresistiven Silizium-Mikrotastern erfordern gute dynamische Eigenschaften der Taster. Dazu wurden nun Spitzenflug-Untersuchungen mit diesen Mikrotastern an Rechteckstrukturen durchgeführt, bei denen die Flugweite der Mikrotastspitzen in den rechteckigen Vertiefungen in Abhängigkeit von der Antastkraft und der Verfahrgeschwindigkeit gemessen wurden. Für die untersuchten Antastkräfte von 2 µN bis 12 µN und die untersuchten Verfahrgeschwindigkeiten von 20 µm/s bis 10 mm/s wurde an den untersuchten 5 mm langen Mikrotastern kein Spitzenflug beobachtet, sie weisen daher ein ausgezeichnetes dynamisches Verhalten auf.

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Ein elektronenmikroskopisches 3D-Messverfahren auf Basis des „shape from shading“ 3D-Rekonstruktionsverfahrens wurde zur Messung der Form von Mikrotastspitzen erprobt. Es konnte gezeigt werden, dass es einen optimalen Arbeitsabstand gibt, Verkippungen bis 2 ° tolerierbar sind, die Rotation der Probe bei flachen Proben unkritisch ist, es jedoch bei topographischen Strukturen zu Randabweichungen im Bild kommt. Das System ist zur qualitativen Bewertung von Mikrotastspitzen und deren Morphologie im vordersten Spitzenbereich geeignet und ermöglicht hochauflösende 3D-Rekonstruktionen innerhalb weniger Sekunden.

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Die exzentrische Nanoindentation von Siliziummikrosäulen wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass eine Abweichung des gemessenen Indentationsmoduls von 10 % auftritt, wenn der Ort der Indentation um bis zu 40 % des Radius der Säule von deren Mitte abweicht. Während dieser Messungen bleibt die gemessene Eindringhärte nahezu konstant, während der gemessene Indentationsmodul einer parabolischen Abhängigkeit von der Exzentrizität folgt. Weitere Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, sind die elastische Kompression und ein Biege- oder Knickeffekt während der Experimente.

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Für die instrumentierte Eindringprüfung bzw. die Nanoindentation kann zukünftig die Kalibrierung von Eindringkörpern durchgeführt werden. Dabei wird die Kontakt- bzw. projizierte Fläche, die sogenannte „Flächenfunktion“ ermittelt. Die Eindringkörper werden mittels Rasterkraftmikroskopie rückgeführt gemessen und eine selbst entwickelte Software wertet die ermittelten Geometriedaten weitgehend automatisch aus.

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Der neuartige Picoindenter aus der PTB, der die Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM) als Eindringkörper verwendet um Nanomaterialien dimensionell und mecha¬nisch zu charakterisieren, wurde jetzt entscheidend erweitert: Im „Laboratory for Emerging Nanometrology“ (LENA) der TU-BS wurden mittels fokussiertem Ionenstrahl (FIB) pyramiden¬förmige Berkovich-Spitzen auf AFM-Cantilevern hergestellt, die auch im Picoindenter zum Einsatz kommen können. Im Vergleich zu den herkömm¬lichen, konisch geformten AFM-Spitzen, sind solche Eindringkörper mechanisch stabiler und ermöglichen schnelle dynamische Messungen sowie aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit erstmals auch elektrische Messungen.

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Zur Bestimmung der topographischen Ortsauflösung von optischen Mikroskopen für die Messung von Strukturen mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen wurden sinusförmige Chirp-Normale mit Oberflächenwellenlängen von 3,2 µm bis 12 µm mit drei unterschiedlichen Amplituden (0,4 µm, 0,7 µm, 1 µm) erprobt. Erste Ergebnisse mit einem Weißlicht-Interferenzmikroskop und einem konfokalen Mikroskop weisen auf eine Sensitivität der Ortsauflösung in Abhängigkeit vom Aspektverhältnis der zu messenden Strukturen hin.

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Flächenhafte Rauheitsmessungen v. a. mit optischen Verfahren spielen für viele Anwendungen in der Industrie eine immer größere Rolle. Dabei stellt sich die Frage, wie Einflussgrößen auf die Rauheitsmessungen sicher erkannt werden können. Hierzu wurden die Eigenschaften speziell der Konfokal¬mikroskopie durch Vergleich mit der örtlich höher auflösenden Rasterkraftmikroskopie systematisch erforscht. Dabei kommen unterschiedliche neu entwickelte Raunormale zum Einsatz, die markierte Referenzfelder für die flächenhafte Messung aufweisen und damit eine direkte Vergleichbarkeit unterschiedlicher Geräte und Verfahren ermöglichen.

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Im Rahmen des von der PTB koordinierten EURAMET-Projekts 1242 "Messung der flächigen Rauheit mit optischen Mikroskopen" wurden erstmals vergleichende Messungen der Flächenrauheit mit verschiedenen optischen Oberflächen-Messverfahren an 6 Metrologie-Instituten durchgeführt. Dabei zeigten sich, abhängig vom Messprinzip, Ortsfrequenzspektrum und den Flankenwinkeln der Textur, z. T. sehr große Abweichungen von bis 60 % vom Referenzwert. Durch eine enge Verknüpfung von Experiment und Modellierung soll künftig gemeinsam mit Forschungspartnern ein besseres Verständnis der Einflussgrößen erzielt werden. Ziel ist die Entwicklung praxisnaher Anleitungen zur sicheren und rückgeführten Messung der flächenhaften Rauheit.

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Ein neuartiger Typ von Maßverkörperung zur Charakterisierung zweidimensionaler (2D) Instrumenten-transferfunktionen (ITF) von optischen flächenhaft messenden Topographiemessgeräten wurde entwickelt. Die mit dem metrologischen Rasterkraftmikroskop der PTB kalibrierte Maßverkörperung wurde bereits sowohl in der Forschung als auch in der Industrie erfolgreich angewendet. Dabei zeigten sich die Vorteile ihrer Applikation wie z. B. die hervorragende Flexibilität, ihre Benutzerfreundlichkeit sowie die hohe Wiederholbarkeit und Robustheit der mit ihr durchgeführten Messungen.
(Der vollständige Bericht ist nur in englischer Sprache verfügbar)

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Anstelle eines einzelnen, hoch aufgelösten Messbildes, welches stark durch Drift beeinflusst ist, werden in einem neuen Ansatz mehrere niedrig aufgelöste Messbilder aufgenommen. Diese zeigen weniger Drifteinflüsse und können genutzt werden, um den zeitlichen Verlauf der Drift zu rekonstruieren. Die niedrig aufgelösten Messbilder können mit dem rekonstruierten Driftverlauf korrigiert und mittels Datenfusion zu einem hochaufgelösten, fast vollständig Drift-freien Datensatz kombiniert werden.

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Nach dem Ausfall einer zentralen Elektronikkomponente der Messdatenerfassung des primären Winkelkomparators WMT 220 der PTB wurde mit wesentlicher Unterstützung der Firma Dr. Johannes Heidenhain GmbH eine komplette Renovierung der Steuerung und der Datenerfassung des Winkeltisches durchgeführt. In diesem Zusammenhang musste auch die Software zur Steuerung der Antriebe und zum Auslesen der neuen Zähler- und Phasenmesselektronik unter Windows neu erstellt werden. Erste Messungen mit der neuen Elektronik wurden durchgeführt. Die nun signifikant höhere Datenerfassungsrate schafft neue Möglichkeiten bei der Datenanalyse.

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Mittels Monte-Carlo-Simulation der Bildentstehung im Elektronenmikroskop konnten umfangreiche, qualitativ hochwertige Trainingsdatensätze generiert werden, die für Machine Learning von zentraler Bedeutung sind. Auf dieser Grundlage wird im Rahmen zweier europäischer Projekte Machine Learning zur Detektion von Partikeln sowie zur morphologischen Charakterisierung von Ruß eingesetzt.

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Derzeitige 3D-Rasterkraftmikroskope (3D-AFM) besitzen nur eingeschränkt die Fähigkeit echt dreidimensionale Strukturen zu erfassen. Ein neuartiges Design eines strukturierten Cantilevers, die 3D-Nanoprobe, wurde optimiert, die Verschiebung der Spitze der Sonde in allen drei Raumrichtungen zu messen. Die Verschiebungen können mit einem doppelten Lichtzeigerprinzip oder einer Kombination aus Lichtzeiger und Interferometer detektiert werden.

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Im Bereich Koordinatenmesstechnik konnten zwei wichtige Projekte auf ISO Ebene zu einem ersten Abschluss gebracht werden. Für den Einsatz der Computertomographie im Bereich der dimensionellen Messtechnik wird erstmals ISO 10360-11 DIS als öffentlicher Entwurf die Annahme- und Bestätigungsprüfung sowie Spezifikationen beschreiben. Für die optische 3D Messtechnik erscheint für den gleichen Zweck ISO 10360-13 als FDIS.

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Im Rahmen eines industriellen Kooperationsprojektes wurde ein Normal zur Rückführung von Rauheitsmessungen auf evolventischen Zylinderradverzahnungen entwickelt. Dazugehörige Auswertealgorithmen ermöglichen die Ermittlung der Abweichungen der gekrümmten Profile und deren Umrechnung in die etablierten Parameter der ebenen Rauheitsmesstechnik. Die Software kann sowohl die Messdaten von Koordinaten- als auch von Tastschnittgeräten verarbeiten.

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Ein neuartiger 3D-Prüfkörper für Koordinatenmessgeräte wurde in einem ZIM-Projekt vom Industriepartner entwickelt und in der PTB untersucht. Der Prüfkörper aus einer Industriekeramik hat Abmessungen von 0,8 m x 0,8 m x 0,3 m und verkörpert eine Vielzahl von 3D- und 2D-Kugelabständen. Mit dem Prüfkörper sollen zukünftig Koordinatenmessgeräte in einem begrenzten Volumen eingemessen und korrigiert werden. Das Ziel ist eine deutliche Reduzierung der Messunsicherheit von Kalibrierdienstleistungen.

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Hersteller und Nutzer von industriellen Computertomographen benötigen für rückführbare Koordinatenmessungen eine praktikable Methode und Normale zur Kalibrierung der geometrischen Vergrößerung. Für ihre hochgenaue Bestimmung wurde daher eine zeitsparende Methode unter Verwendung von kostengünstigen 2D-Rasterfolien entwickelt. Die Rückführung der geometrischen Vergrößerung gelang auf 2 · 10-5 genau. Im EMPIR-Projekt „AdvanCT“ wird dieses Verfahren aktuell getestet, um anschließend eine weite Verbreitung zu erreichen.

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Im September 2020 startete das EMPIR-Forschungsprojekt 19ENG07 "Metrology for enhanced reliability and efficiency of wind energy systems - Met4Wind". Ziel ist die Verbesserung der industrienahen Fertigungsmesstechnik für mechanische Komponenten von Windenergieanlagen wie Verzahnungen, Wellen und Lager sowie Rotorblätter, um Produktionsprozesse zuverlässiger bewerten zu können und damit schließlich die Lebensdauer und Effizienz der Anlagen zu erhöhen.

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Häufig müssen Strahlen mehrerer Lichtquellen für Sensorsysteme räumlich übereinandergelegt werden, sodass sie sich entlang derselben Richtung ausbreiten. In einer Studie wurden Wellenleiterarchitekturen zur Überlagerung spektral weit voneinander getrennter Strahlen systematisch miteinander verglichen. Die Ergebnisse tragen zur Entwicklung neuer Normale in der Längenmetrologie mit verringerten Messunsicherheiten bei.

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Die absolute Länge eines einkristallinen Siliziumendmaßes wurde im Temperaturbereich zwischen 285 K und 320 K und bei Luftdrücken von Atmosphärendruck bis hinunter zu 10-5 hPa gemessen. Das Verfahren basierte auf abbildender Interferometrie und erreichte Messunsicherheiten der relativen Längenänderungen von besser als 10-9. Das Ergebnis zur thermischen Ausdehnung konnte die bisher empfohlenen Referenzdaten von CODATA mit einer kleineren Messunsicherheit bestätigen als bisher gültig war.

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„Structure from Motion“ ist ein photogrammetrisches Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung von Objekten, das sich gut für die berührungslose Messung von Rundholzpoltern auf Fahrzeugen eignet. In Zusammenarbeit mit der Firma Dralle A/S (Hørsholm/Dänemark) hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ein neu entwickeltes System messtechnisch erprobt. Für die Prüfung wurde Rundholz eingesetzt, dessen Länge und Durchmesser mit dem Streifenprojektionssystem gemessen wurde, das die PTB als Referenzsystem für Messungen an Rohholz im gesetzlichen Messwesen bereithält.

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