Fertigungsmesstechnik

Die Fachzeitschrift „Surface Topography: Metrology and Properties (STMP)“ hat die in der Publikation „Bottom-up Approach for Traceable Calibration of Tip Geometry of Stylus Profilometer“ beschriebenen Forschungsergebnisse als „Paper of the Year 2022“ ausgezeichnet.

Für die messtechnische Rückführung von Partikelgrößen in Aerosolen wurden elektronenmikroskopische Messungen in Transmission an größeren Referenzpartikeln von bis zu 500 nm durchgeführt, abgestützt auf Simulation der elastischen und inelastischen Elektronenstreuung in den Partikeln.

Raue Oberflächen führen zu systematisch kleineren Indentationsmodulen bei der Nanoindentation. Dieser Einfluss wurde nun erstmals an rauen kristallinen Si-Oberflächen systematisch untersucht und ein Korrekturverfahren entwickelt, mit dem es zukünftig möglich ist, den entsprechenden Unsicherheitsbeitrag auf weniger als 1 % zu reduzieren. 

Mit der erfolgreichen Montage und den ersten Funktionstests wurde ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Fertigstellung des metrologischen UHV-STMs erreicht. Das Instrument wird es erlauben, wichtige Erkenntnisse über die Oberflächen von Kristallen zu erhalten sowie den Weg zur Anwendung neuartiger Materialien in der Messtechnik zu ebnen.

Im Rahmen der Initiative QI-Digital soll das Potential der Digitalisierung für neue Möglichkeiten, die Qualitätsinfrastruktur effektiver und effizienter zu gestalten, untersucht und aufgezeigt werden. Am Beispiel der Additiven Fertigung wurden nun die hierfür erforderlichen Schritte für ein optimales Zusammenspiel der QI-Komponenten und des Datenmanagements analysiert und anhand eines additiv gefertigten Demonstrator-Bauteils realisiert.

Es wurde die Entwicklung einer Regelung für Rasterkraftmikroskope (AFM) auf Basis einer Künstlichen Intelligenz (KI) gestartet. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Strategie zur sicheren Realisierung eines KI-basierten Reglers für empfindliche Messgeräte wie Rasterkraftmikroskope sowie die Entwicklung des Reglers selbst. Bisherige Ergebnisse deuten auf ein großes Potential der KI-Reglung hin, zeigen aber auch Schwierigkeiten bei ihrer Realisierung auf.

Das im Rahmen des europäischen EMPIR Forschungsprojekts 18SIB01 GeoMetre entwickelte Absolutinterferometer TeleYAG-II kam an mehreren Orten in Europa zum Einsatz, für die eine hochgenaue Messung von großen Distanzen wichtig ist: die weltweit beste Referenzstrecke für hochgenaue Distanzen in Finnland, an den geodätischen Fundamentalstationen Metsähovi, Finnland, und Wettzell, Deutschland, sowie an einer neuen 200 m Referenzstrecke der Polytechnischen Universität Warschau.

In vielen Bereichen ist für die Sicherstellung des Explosionsschutzes die Kenntnis bestimmter geometrischer Merkmale bei Geräten und Bauteilen von großer Bedeutung. Zur Unterstützung eines von der PTB geleiteten internationalen Ringvergleichs wurden 100 speziell dafür entwickelte und durch den Wissenschaftlichen Gerätebau gefertigte Prüfmuster kalibriert. Die Messungen bilden die Referenz zur Beurteilung der Messergebnisse aller 85 teilnehmenden internationalen Labore.

Es wurde eine einfache and schnelle Methode samt Prüfkörper für die Messung und Korrektur der Strahlaufhärtung in röntgencomputertomographischen (CT) Bildern entwickelt. Zu diesem Zweck wird die Schwächungskurve mit Hilfe eines neuartigen Prüfkörpers ermittelt, der im Durchstrahlungsbild entlang zentraler Radialschnitte einen linearen Anstieg der Durchstrahlungslänge aufweist. Aus der Messung kann eine „Look-up Table“ zur Korrektur des sogenannten Strahlaufhärtungs-Artefaktes erstellt werden.

Für die turnusmäßige Darstellung des Kilogramm (die zweite nach der Neudefinition des SI) wurde das Volumen der nationalen Normale der PTB, zwei ²⁸Si-Kugeln, bestimmt. Die Ergebnisse der Messungen liegen in guter Übereinstimmung mit den Messungen der ersten Darstellung sowie mit einem vorangegangenen Vergleich mit dem Urkilogramm und Bestimmungen der Planckkonstante h.

Für das TransMeT-Projekt „Rückführbare Kalibriereinrichtung für Vektor-Magnetometer“ wurde ein 3D-Spulensystem gefertigt. Hierfür musste ein Spulenkörper konstruiert und gefertigt werden, der jeweils 4 Spulenwicklungen in 3 Raumrichtungen aufnimmt und die Positionierung von verschiedenen, zu kalibrierenden Magnetometern innerhalb des Magnetfeldes ermöglicht.

Maßbänder sind klassische und weit verbreitete Längenmessmittel. Sie werden an vielen Stellen geprüft und kalibriert - weltweit in nationalen Metrologieinstituten wie der PTB, aber in Deutschland auch in Eichämtern oder akkreditierten Laboratorien. Um die Vergleichbarkeit dieser Arbeiten zu sichern, leitet die PTB als Pilotlabor zwei Ringvergleiche: den internationalen Ringvergleich EURAMET.L-S27 sowie einen nationalen Ringvergleich im Rahmen des Deutschen Kalibrierdienstes DKD.

Im Rahmen eines Forschungsprojektes, das im Rahnen des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des BMWK gefördert wurde, konnten in Kooperation mit der Werth Messtechnik GmbH die Messabweichungen des taktil-optischen 3D Mikrotasters (3D-Fasertaster) verringert werden. Hierzu wurde eine neuartige Sensorik für die Tasterauslenkung in z-Richtung realisiert, mit der sich die Antastabweichung auf Werte < 150 nm reduzierte.

Ein MEMS Picokraft-Indenter mit einer maximalen Eindringtiefe von bis zu 10 µm wurde entwickelt, um die mechanischen Eigenschaften von weichen Materialien zuverlässig zu messen. Erste quasi-statische Messungen an weichen PDMS-Proben wurden mit einer geklemmten sphärischen AFM-Spitze als Eindringkörper durchgeführt. Die Datenanalyse zeigt, dass dieser Pikokraft-Indenter mit einem Grundrauschen von 0,2 nN in der Lage ist, weiche Materialien mit Elastizitätsmodulen bis hinunter auf 100 kPa zu messen.

Mikrokraftnormale auf der Basis von Siliziumbiegebalken eignen sich gut für die In-situ-Messung der Antastkraft verschiedener taktiler Oberflächenmessgeräte. Die Messunsicherheit ist jedoch in starkem Maße durch die unbekannte Nulllastbiegung des Biegebalkens begrenzt. Ein schnelles Verfahren unter Verwendung eines Fizeau-Interferometers mit großer Apertur wurde nun erstmals erfolgreich eingesetzt, um die Null-Last-Biegung von Mikrokraftnormalen zu bestimmen.

Die Normen für die profilhafte Rauheitsmessung wurden überarbeitet und in der neuen dreiteiligen Normenreihe ISO 21920 zusammengeführt. Berechnungsvorschriften wurden dem technischen Fortschritt angepasst und an vielen Stellen präzisiert. So werden Kenngrößen nunmehr überwiegend direkt für die Gesamt- und nicht mehr zunächst für Einzelmessstrecken berechnet sowie die Filterung über die Normenreihe ISO 16610 zum Teil neu geregelt, wodurch sich mitunter Differenzen in den Kennwerten alt-neu ergeben.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit wurde eine grundlegende Modernisierung des Endmaß-Messplatzes 1 m-Komparator für mechanische Vergleichsmessungen begonnen. Die damit für Kunden von Kalibrierdienstleistungen angebotene Alternative zu interferometrischen Kalibrierungen ist besonders wegen der Wirtschaftlichkeit durch geringere Messzeit bei gleichzeitig nur etwas größerer Messunsicherheit nachgefragt. Die Modernisierung zielt auf Ausfallsicherheit und Weiterentwicklungsmöglichkeiten ab.

Eine neue Methode zur rückführbaren Kalibrierung der Größe und Form von Mikrokugeln wurde realisiert, indem eine Reihe von rasterkraftmikroskopischen (AFM) Bildern zusammengefügt wurde, die bei verschiedenen Orientierungen von Mikrokugeln gemessen wurden. Die verwendete Stitching-Methode basiert auf der Verwendung eines Punkt-zu-Ebene-Algorithmus, der das Iterative Closest Point (ICP)-Verfahren nutzt. Da die AFM-Spitzengeometrie eine der signifikantesten Fehlerquellen für das entwickelte Verfahren ist, wurde sie rückführbar auf die Gitterkonstante von kristallinem Silizium kalibriert. Die Standardabweichung der gemessenen Radiuswerte von vier wiederholten Messungen erreicht 5 nm.

Ein universelles automatisiertes Verfahren zur Kalibrierung von Rockwell Härtevergleichsplatten wurde im Rahmen eines TransMeT-Projekts entwickelt und durch einen Ringvergleich validiert. Das entwickelte Verfahren ermöglicht wesentlich effizientere Kalibrierungen, vereinfacht die Einhaltung der Norm und benötigt zudem keinen erfahrenen Anwender. 

Zur Rückführung der Gewindemessgrößen werden etablierte und neue Messmethoden und -verfahren verwendet. Ein umfangreicher DKD-Ringvergleich aus dem Jahr 2017 belegt, dass die Vielfalt dieser Varianten oftmals zu Differenzen in den Messergebnissen führt, so dass die Vergleichbarkeit der Messergebnisse nicht erfüllt ist. Unter Berücksichtigung der bestehenden Richtlinien sind Maßnahmen zur Harmonisierung, Verbesserung und Vereinheitlichung der Gewindemetrologie erarbeitet worden, die nun in einem DKD-Expertenbericht veröffentlicht wurden.

Werden bei der Messung mit Koordinatenmessgeräten (KMG) Drehtische eingesetzt, sind die daraus resultierenden Geometrieabweichungen durch geeignete Kalibrierverfahren in allen sechs Freiheitsgraden zu ermitteln. Mit Hilfe eines Kugeltellers kann die Messung der Abweichungen direkt auf dem KMG selbstkalibrierend durchgeführt werden. Durch das neue Verfahren kann der dafür benötigte Messaufwand mithilfe eines unregelmäßig besetzten Kugeltellers im Vergleich zum bisherigen Verfahren deutlich minimiert werden.

Die PTB hat sich erfolgreich an einem EURAMET Schlüsselvergleich von Durchmessernormal-Kalibrierungen beteiligt.