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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Fertigungsmesstechnik

Abteilung 5

Für die schnelle und ganzheitliche Kalibrierung von Gewinden wurde im Rahmen eines TransMeT-Projektes ein neuer Ansatz entwickelt, der die zweidimensionale Achsschnittmessung eines handelsüblichen Tastschnittmessgerätes durch Verwendung einer Drehachse um die dritte Dimension erweitert. Dieses neu entwickelte Konzept erlaubt eine flächenhafte Kalibrierung von Gewinden unter Verwendung der in akkreditierten Laboren vorhandenen Standardmesstechnik und wird nun in das industrielle Kalibrierwesen transferiert.

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Der TraCIM-Service der PTB wurde nach 10 Jahren des erfolgreichen Betriebs auf eine moderne, kundenfreundliche Plattform aktualisiert, die auch zukünftige Erweiterungen im Bereich der KI-Algorithmen erlaubt.

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Oberflächentopographiemessgeräte lassen sich durch sinusförmige Strukturen unterschiedlicher Wellenlängen, die als Normale dienen, charakterisieren. Diese Normale werden durch ultrapräzises Diamantdrehen hergestellt. Formabweichungen werden mit einem metrologischen Rasterkraftmikroskop mit großem Messbereich bestimmt. Die Entwicklung solcher hochgenauer Normale erfordert eine enge Zusammenarbeit von Experten in Fertigungstechnik und dimensioneller Messtechnik.

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Die maximale Steigung, die mit einem Mikroskopobjektiv gemessen werden kann, ist ein wichtiger Parameter, der die Messfähigkeit von optischen 3D-Mikroskopen charakterisiert. Vorgestellt werden optisch glatte Kugeln als Maßverkörperung, das Messverfahren, die maximal messbaren lokalen Steigungen und die Charakterisierung der Homogenität der Steigungsübertragungsfunktion innerhalb des Gesichtsfeldes des Objektivs eines konfokalen Mikroskops.

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Im Rahmen des Technologietransferprogramms TransMET wurde zusammen mit einem deutschen kleinen mittelständischen Unternehmen ein Dickensensor für Metallbänder zwischen fünf und einigen hundert Mikrometern Dicke in der Produktion im Kaltwalzwerk entwickelt. Der Sensor basiert auf der Kombination von Triangulation und Mehrwellenlängeninterferometrie. Zudem konnte eine ausführliche Messunsicherheitsbilanz für die Dickenmessung aufgestellt werden, die den schwierigen Messbedingungen Rechnung trägt.

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Durch erfolgreiche Baumusterprüfungen im Bereich der Rundholzvermessungsanlagen ebnet die PTB den Weg für eine neue Methode der Vermessung in Sägewerken. Mit der sogenannten „variablen Kluppe" findet die Nachbildung einer um den Einzelstamm rotierenden Messkluppe Eingang in die Praxis des gesetzlichen Messwesens.

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Im Rahmen der Initiative QI-Digital wird im Use Case „Additive Fertigung“ industrielle Computertomographie (CT) für die Qualitätssicherung eingesetzt. Die Digitalisierung der Qualitätsinfrastruktur erfordert die Reduktion des hohen Speicherbedarfs von CT-Messdaten. Hierzu wurden Kompressionsalgorithmen untersucht und die kompressionsbedingten Messabweichungen quantifiziert. Zur Reduktion dieser Messabweichungen wurden neuronale Netze getestet.

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Gemäß der neuen Mise en pratique kann der Gitterabstand von Silizium als sekundäre Realisierung des Meters in der Nanometrologie genutzt werden. Dazu wurde eine zuverlässige und robuste Methode für die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) entwickelt. Mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls (FIB) wurden Querschnittsproben mit unterschiedlicher Dicke aus Silizium hergestellt. Die Abstände der {220} Netzebenen des Siliziums wurden mit einem doppelt abberationskorrigiertem TEM mit einer Auflösung von 60 pm gemessen, wobei die unvermeidlichen Driften des Geräts effizient minimiert wurden. Es wurde eine Standardabweichung der gemessenen {220} Netzebenenabstände von 1 pm erreicht.

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Im vom BMWK geförderten Leuchtturmprojekt GEMiMEG-II sind erstmalig Digitale Kalibrierzertifikate für in der Koordinatenmesstechnik häufig eingesetzte Normale entwickelt worden. Die DCC-Strukturen für Kugelnormale, Einstellringe sowie Kugel- und Lochplatten entsprechen dem aktuellen DCC-Schema und werden nun für den Einsatz in durchgehend digitalisierten Prozessen getestet.

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Im Rahmen des Projekts QI-Digital wurde im Jahr 2022 ein Computertomograph der Werth Messtechnik GmbH in Betrieb genommen. Das Aufgabenspektrum umfasst additiv und konventionell gefertigte Bauteile aus Kunststoff und Metall sowie Kombinationen aus mehreren Materialien. Die Auswertungen umfassen Maßhaltigkeitsuntersuchungen sowie Analysen im Inneren der gefertigten Objekte.

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Im EMPIR Projekt 19ENG05 NanoWires wurde eine multifunktionale MEMS-Picoindenter Messplattform zur nanoelektrischen, nanomechanischen und topografischen Untersuchung von Oberflächen für Energy-Harvesting-Anwendungen auf Basis von Nanodrähten entwickelt. Die auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basierende Messplattform zeichnet sich durch ihren flexiblen Aufbau und das modulare Software-Framework aus.

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Im Rahmen des EMPIR-Projekts TracOptic wurde ein strahlenoptisches Modell eines chromatisch konfokalen Abstandssensors auf Basis der PTB-eigenen Matlab-Bibliothek SimOptDevice implementiert. Unter Verwendung von Methoden aus der Computergrafik konnte zusätzlich das Streuverhalten von Messobjekten realitätsnah anhand von Bidirektionalen Reflexionsverteilungsfunktionen (BRDF) modelliert werden. Die Simulation ermöglicht die Korrektur systematischer Messabweichungen und deren Berücksichtigung in der Messunsicherheitsabschätzung.

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Zur Bestimmung der metrologischen Strukturauflösung (MSR) wurden zwei bekannte Methoden, die unterschiedliche Messgrößen nutzen, miteinander verglichen, die „curved-edge based“ (CEB) und die „profile-based spectral“ (PBS) Methode. Erstmalig ist es gelungen, eine analytische Beziehung zwischen den Ergebnissen beider Methoden herzustellen und diese durch Experimente und Simulationen erfolgreich zu bestätigen. Diese analytische Beziehung erlaubt zukünftig eine einheitliche Definition der MSR in der industriellen Röntgen-CT.

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In Zusammenarbeit mit Industriepartnern wurde ein Softwaretestmodul entwickelt, mit dem Hersteller von Koordinatenmessgeräten sowie Entwickler von Auswertealgorithmen für Verzahnungen ihre Software gegen unabhängige, von der PTB erzeugte Referenzdaten testen können. Der Test umfasst ein möglichst großes Spektrum gängiger Verzahnungsgeometrien unter Berücksichtigung der wichtigsten Flankenmodifikationen. Das neue Softwaretestmodul soll in das bereits bestehende TraCIM-System der PTB (https://tracim.ptb.de) integriert werden.

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Im Rahmen des abgeschlossenen DFG-Projekts KO1483/5-1 wurde der Einfluss von Oberflächenform und von lokalen Unterschieden im Oberflächenpotential (Patch-Potentiale) auf kapazitive Verschiebesensoren systematisch untersucht. Mit in der PTB speziell gefertigten zylindrischen Dünnschichtelektroden wurde festgestellt, dass die Welligkeit das elektrische Feld messbar beeinflusst, die Rauheit jedoch in der praktischen Anwendung vernachlässigbar ist. Darüber hinaus wurde erstmalig nachgewiesen, dass Patch-Potentiale die Linearität derart beeinflussen, dass sie im Unsicherheitsbudget zu berücksichtigen sind.

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Klebstoffe werden häufig zum Verbinden optischer Komponenten wie Spiegel oder Linsen in hochpräzisen Anwendungen verwendet. Da die Anforderungen an die zeitliche Stabilität dieser Verbindungen sehr hoch sind, stellt sich die Frage nach geeigneten Methoden, mit denen Änderungen der Klebespaltdicke im Sub-nm-Bereich gemessen werden können. Von besonderem Interesse ist hierbei die Tatsache, dass Klebestoffe effektiv Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen bzw. im Vakuum wieder abgeben, was zu einer Ausdehnung bzw. Schrumpfung führt. Basierend auf Messungen der absoluten Länge von Probekörpern, die einen Klebstoffspalt von ca. 0,1 mm einschließen, konnte im Vakuum die trocknungsbedingte Schrumpfung der Klebstoffspalten über mehrere Jahre sub-nm...

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Für die rückführbare Kalibrierung von hochauflösenden 3D-Mikroskopen sind Normale mit Kalibrierstrukturen in drei Dimensionen ein wichtiges Werkzeug. Zur Herstellung derartiger Normale wurde ein Prozess entwickelt, der eine hochvolumige Produktion und damit geringe Stückkosten ermöglicht. Erste Prototypen wurden gefertigt und präsentiert.

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Im Rahmen des EMPIR Projektes 19ENG07 Met4Wind wurden im Januar 2023 erstmals optische flächenhafte Messungen am Großverzahnungsnormal mit einem Durchmesser von 2 m durchgeführt. Damit wurden zwei Ziele erreicht: die Charakterisierung des optischen Sensors, der für schnelle industrielle Anwendungen entwickelt wurde, und die Bestätigung der Anwendbarkeit des ganzheitlichen Auswertealgorithmus für optisch gemessene Zahnradoberflächen.

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Im dem zum Jahresende 2021 abgeschlossenen EMPIR-Projekt 17IND05 MicroProbes (Multifunktionale ultraschnelle Mikrosonden für Messungen auf der Maschine) wurden schnelle taktile piezoresistive Mikrotaster erstmals erfolgreich auf industriellen Messmaschinen getestet. Mit diesen Mikrotastern lassen sich nicht nur die Topographie, sondern auch die mechanischen Eigenschaften von Oberflächen messen. Durch die Integration solcher Mikrotaster in den Herstellungsprozess kann mittels Inline-Produktinspektion im Vergleich zu Offline-Methoden die Untersuchung von Werkstücken 30-mal schneller erfolgen.

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