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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Fertigungsmesstechnik

Abteilung 5

In der ICT beschränkt die nutzbare Dynamik der Röntgenbilder, d. h. der sinnvoll nutzbare Kontrast, die maximale Materialdicke und die Genauigkeit der Oberflächenbestimmung. Im EMPIR-Projekt „AdvanCT“ wurden verschiedene Einflüsse auf die Bildgebung, wie parasitäre Quellbereiche und die Lichtstreuung im Szintillator des Detektors, überprüft und modellbasierte Korrekturen implementiert. Hierdurch wurde es z. B. möglich, sogar bei einer Anordnung von überlappenden Stahl-Endmaßen die Oberflächen auf bis zu 1/10 der Voxelgröße genau zu bestimmen.

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Im WIPANO Projekt CTSimU wurde eine Basisqualifizierung von Röntgen CT Simulationssoftwares für dimensionelle Messungen an makroskopischen Bauteilen entwickelt, in der die korrekte Umsetzung von grundlegendenphysikalischen Effekten und die Software-Funktionalität betrachtet werden. Die Ergebnisse des Projekts finden Eingang in eine VDI/VDE Richtlinie zur Basisqualifizierung von CT Simulationssoftwares. Die Basisqualifizierung stellt den ersten Schritt in Richtung Normung zur Messunsicherheitsbestimmung bei dimensionellen CT Messungen mittels Simulation dar.

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Die veröffentlichte Norm ISO 10360-13 beschreibt erstmals Annahme- und Bestätigungsprüfungen für optische 3D-Koordinatenmesssysteme (3D-KMS) wie sie z. B. in der Automobilindustrie für Messungen an Autokarosserien eingesetzt werden. An der Erstellung der Norm waren deutsche Hersteller und Anwender von optischen 3D-KMS und die PTB beteiligt. Die PTB hat diese Arbeiten in Deutschland koordiniert und die Ergebnisse in das internationale Normungsgremium ISO TC 213 eingebracht.

Die deutsche Version der Norm wird Anfang 2022 erscheinen.

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Im EMPIR-Projekt „Standards for the evaluation of the uncertainty of coordinate measurements in industry (EUCoM)“ wurden neue Methoden zur Bestimmung der Unsicherheit von taktilen Koordinatenmessungen entwickelt. Eine der Methoden nutzt spezielle Messdaten, um die Messunsicherheit im Anschluss an die Messung ("a posteriori") abzuschätzen. Zwei weitere Methoden schätzen die Unsicherheit anhand von Vorabinformationen ("a priori") ab. Die Methoden sollen in der Reihe ISO 15530 genormt werden, wenn die aktuell durchgeführte Validierung der Verfahren erfolgreich ist.

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Kristalline Normale auf Basis des Gitterparameters des Siliziumkristalls sind ein vielversprechender Weg zur Weitergabe der Längeneinheit im Sub-Nanometerbereich. Zur Beschleunigung der komplexen Probenpräparation sowie zur Realisierung von neuen Probengeometrien wurde eine neue Präparationsanlage entwickelt und deren Prozessparameter wurden optimiert.

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Mit dem Vorteil der hohen Dynamik sind Mikrotaster vielversprechende Kandidaten für Hochgeschwindigkeits-Rauheitsmessungen. Allerdings beobachtet man einen sehr schnellen Verschleiß der Siliziumspitzen. Ein in der PTB entwickelter Spitzencharakterisierer mit rechteckigen Strukturen wurde verwendet, um die Verschleißmechanismen zu erforschen. Erste Ergebnisse zeigen, dass der hauptsächliche Verschleißmechanismus auf Spitzenbruch und nicht auf Spitzenverschleiß beruht.

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Das Virtuelle Koordinatenmessgerät VCMM der PTB wird als Digitaler Metrologischer Zwilling von Koordinatenmessgeräten in der fertigenden Industrie und in akkreditierten Laboren zur Bestimmung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit für komplexe Messaufgaben eingesetzt. Zur Verbesserung der Nutzungsmöglichkeiten und kontinuierlichen Weiterentwicklung der Software sowie der Identifikation neuer Anwendungsgebiete in der Längenmesstechnik hat die PTB eine langfristige Kooperation mit den Entwicklern, Herstellern und Anwendern von Koordinatenmessgeräten begonnen.

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Im Juni 2021 startete das EU EMPIR-Projekt TracOptic. Ziel ist die Entwicklung praxisnaher Anleitungen für rückführbare flächenhafte Rauheitsmessungen mit optischer 3D-Mikroskopie und für dimensionelle Messungen mit optischen Distanzsensoren. Durch die enge Verknüpfung von experimenteller Charakterisierung von Geräten und der Modellierung der Geräte soll zudem gemeinsam mit Forschungspartnern ein besseres Verständnis der Einflussgrößen erreicht werden.

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Für die Rückführung der Messergebnisse großer Distanzen mit geringen Unsicherheiten wurde in der PTB ein feldtaugliches Mehrwellenlängeninterferometer entwickelt und gefertigt. Die Optik wurde für Distanzen von bis zu 5 km ausgelegt und das ganze Systemkonzept hinsichtlich größtmöglicher Stabilität unter Freiluftbedingungen ausgelegt. Im Herbst 2021 fanden erste Messkampagnen auf Referenzstrecken in Europa zur Verifikation der Messeigenschaften des Systems statt.

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Der von der Internationalen Association of Geodesy (IAG) seit 1999 offiziell empfohlene Algorithmus zur Kompensation der Gruppenbrechzahl elektromagnetischer Wellen in Luft, der u.a. für optische Distanzmessungen z.B. in Tachymetern essenziell wichtig ist, enthält in einer Teilformel einen subtilen Vorzeichenfehler. Je nach verwendeter Lichtwellenlänge kam es dadurch zu Messfehlern von bis zu einigen µm/m. Dieser Fehler wurde von der PTB im Rahmen des EMPIR Projekts GeoMetre aufgedeckt und es wurde eine korrigierte Version des Algorithmus veröffentlicht.

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Als Alternative zur Monte-Carlo Methode wird ein GUM-kompatibler Ansatz entwickelt und untersucht, der die Unsicherheitsbeiträge von Messungen möglichst systematisch und separat simuliert und dessen Ziel es ist, im Vergleich zur Monte-Carlo Methode in deutlich reduzierter Zeit simulativ Messunsicherheiten abzuschätzen und gleichzeitig eine höhere Flexibilität für die alltägliche Arbeit zu bieten.

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Für die Bestimmung des Volumens von Siliziumkugeln zur Darstellung des Kilogramms nach der Neudefinition von 2019 wurden bisher Kugeln sehr guter optischer Qualität mit geringer Formabweichung verwendet, für die ein vernachlässigbarer Effekt der Wellenfrontaberration bei der Messung mittels Interferometrie vermutet wird. Neue Simulationsrechnungen und das Vorliegen zweier 28Si-Kugeln mit sehr unterschiedlicher Rundheitsabweichung, die aus demselben Kristall gefertigt wurden, schaffen nun erstmals die Voraussetzung dafür, den vorhergesagten Einfluss der Wellenfrontaberration experimentell zu bestätigen.

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Um die beiden orthogonalen Messachsen von Autokollimatoren simultan kalibrieren zu können, inklusive der Charakterisierung des Übersprechens, haben die PTB und VTT MIKES Kalibriersysteme entwickelt, die auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen und die Aufgabe der metrologischen Rückführung unterschiedlich realisieren. Der Vergleich von Kalibrierungen eines Autokollimators als Transfernormal ermöglichte es, systematische Messfehler der beiden Systeme zu erkennen und die Gültigkeit der Unsicherheitsbudgets zu validieren. Die Ergebnisse bestätigen die entsprechenden CMC-Einträge von PTB und VTT MIKES in der Datenbank des BIPM.

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Die in der PTB vorhandenen Fizeau Kugelinterferometer wurden für die Messung großer Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 94 mm gebaut und optimiert. Für die Messung kleinerer Kugeln wurde ein Konzept vorgeschlagen, welches auf der Erweiterung des vorhandenen DEI basiert, dass ursprünglich für Längenmessungen an prismatischen Körpern entwickelt wurde. Vorteilhaft ist hierbei vor allem die Möglichkeit, mehrere Lichtquellen mit deutlich voneinander verschiedenen Wellenlängen zu benutzen.

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Bei schnellen Topografiemessungen mit piezoresistiven Mikrotastern kann die Messunsicherheit durch oberflächeninduzierte Vibrationen des Mikrotasters negativ beeinflusst werden. In-situ Charakterisierungen mit hoher Messbandbreite und anschließender Spektralanalyse des dynamischen Verhaltens zeigen, dass die dominanten Frequenzen dieser Vibrationen in der Nähe der Resonanzfrequenzen des Mikrotasters liegen. Die Untersuchungsergebnisse sollen helfen, aktive und passive Dämpfungsstrategien für Mikrotaster, die für Hochgeschwindigkeitsmessungen mit hoher Genauigkeit eingesetzt werden, weiterzuentwickeln.

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Eine hohe Messqualität kapazitiver Verschiebesensoren kann nur erreicht werden, wenn die Elektroden des Sensors exakt parallel zueinander ausgerichtet sind. Es wurde eine neue berührungslose Kippmethode entwickelt, mit der die Innenflächen der Elektroden kapazitiver Sensoren automatisiert justiert werden können, ohne dass zusätzliche, kostenintensive Messmethoden benötigt werden. 

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Dreidimensionale (3D) Verschiebungen der Sondenspitze können derzeitige CD/3D-Rasterkraftmikroskope (CD/3D-AFM) nicht detektieren und erfassen daher komplexe dreidimensionale Strukturen nur eingeschränkt. Der entwickelte 3D-sensitive Messkopf verwendet einen optimierten Cantilever, die 3D-Nanoprobe, und wurde bezüglich Messaufgaben in der 3D-Nanometrologie erfolgreich getestet. Die Auslenkungen der 3D-Nanoprobe werden mit einer Kombination aus Lichtzeiger und Interferometer detektiert.

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Der Unsicherheitsbeitrag der Justage des Doppelendinterferometers zur Längenmessung von prismatischen Körpern ohne Anschub wurde mithilfe von virtuellen Experimenten untersucht und quantitativ abgeschätzt. Durch Überarbeiten der Justageprozedur konnte der Beitrag reduziert werden. Bisher unbekannte Effekte, die in üblicherweise verwendeten einseitigen Interferometern nicht auftreten, wurden identifiziert und die aufgestellten mathematischen Beschreibungen wurden mittels virtueller Experimente validiert.

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Im Rahmen eines 2021 abgeschlossenen TransMeT-Projekts wurde das Angebot des TraCIM-Service der PTB zur Validierung dimensioneller Auswerteverfahren erweitert. Bislang standen Softwaretest-Angebote für Basisgeometrien nach Gauss und Chebyshev Fitverfahren, dem 3-Rosetten Verfahren sowie Algorithmen zur Auswertung von Ringvergleichen zur Verfügung. Seit kurzem haben nun auch Anwender und Entwickler von ganzheitlichen 3D-Algorithmen für die Auswertung von zylindrischen und kegligen Gewindelehren die Möglichkeit zur Zertifizierung ihrer Algorithmen durch den TraCIM-Service.

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Die Messung von Nockenwellen ist bisher nicht normiert. Um den Stand der Technik in der Messung von Nockenwellen zu ermitteln und um eine Grundlage für mögliche weitere pränormative Arbeiten zu schaffen, hat die PTB mit Interessenten aus dem Kreis der Messgeräte- und Nockenwellenhersteller einen Ringvergleich durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Gebiet weitestgehend beherrscht wird, wenngleich auch Verbesserungspotenzial besteht.

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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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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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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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