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Kompetenzzentrum VirtMet

Im Zuge der Digitalisierung nimmt die Bedeutung von mathematisch-physikalischen Simulationen und in silico Experimenten rasant zu. Wenn mit solchen Simulationen reale Messeinrichtungen und Messungen nachempfunden werden, kann man dies als „virtuelles Messgerät“, bzw. als „virtuelle Messung“ bezeichnen. In vielen Bereichen sind diese inzwischen im alltäglichen Einsatz. So dienen beispielsweise Simulationen dazu, ein besseres Verständnis für das reale Experiment zu erhalten, neue Versuche zu planen oder bestehende Versuche auszuwerten. Inzwischen werden auch vermehrt Simulationen als essenzieller Bestandteil einer realen Messung verwendet, in der Regel als Bestandteil eines inversen Problems.

In dieser Entwicklung ist die Aufgabe der Metrologie die Sicherung von Vertrauen in Simulationsergebnisse, wenn diese in derselben Weise wie reale Messungen verwendet werden sollen. 

Ausrichtung des PTB-Kompetenzzentrums

Im Bereich der virtuellen Metrologie sind folgende übergeordnete Fragestellungen von zentraler Bedeutung:

  • Wie sichert man Vertrauen in Simulationsergebnisse?

  • Wie stellt man Vergleichbarkeit von virtuellen und realen Messungen her?

  • Wie können virtuelle Experimente für komplexe Messsysteme mit großen Datenmengen behandelt werden?

  • Wie kann mithilfe von Simulationen eine realistische Messunsicherheit bestimmt werden?

Innerhalb der PTB werden diese Fragestellungen in verschiedenen, teilweise abteilungsübergreifenden Vorhaben bearbeitet. Durch die Einbettung der Vorhaben in das Kompetenzzentrum „Metrologie für virtuelle Messgeräte“ gibt es einen intensiven und regelmäßigen Austausch aller Beteiligten. Dadurch wird die vorhandene Expertise gebündelt und Synergieeffekte werden nutzbar gemacht. Darüber hinaus stärkt das Kompetenzzentrum den Austausch und die Kooperation mit externen Partnern in diesem Bereich durch das Veranstalten von Workshops

Beteiligte Projekte

Das Virtuelle Koordinatenmessgerät VCMM

Das in der PTB entwickelte Virtuelle Koordinatenmessgerät VCMM (Virtual Coordinate Measuring Machine) wird als Digitaler-Metrologischer Zwilling (D-MT) im Bereich der Koordinatenmesstechnik seit vielen Jahren sehr erfolgreich zur prozessbegleitenden Messunsicherheitsermittlung und Messprozessoptimierung in Wissenschaft und Wirtschaft eingesetzt. Das Verfahren zur simulationsbasierten Messunsicherheitsbestimmung hat sich in den vergangenen zwanzig Jahren etabliert und wir seit 2001 in von der DAkkS akkreditierten Kalibrierlaboren eingesetzt. Das im Jahr 2005 mit dem Braunschweiger IHK-Technologietransferpreis ausgezeichnete PTB-Verfahren erfüllt die Anforderungen internationaler Richtlinien und Normen. Die Erweiterung der bisherigen Umsetzung und eine Übertragung auf andere messtechnische Bereiche wird als Bestandteil von VirtMet vorangetrieben.

Tilted-Wave Interferometer (TWI) als Beispiel für Hand-in-Hand-Kalibrierung von realem und virtuellem Experiment

Die optische Industrie setzt in modernen optischen Systemen Asphären und Freiformflächen ein, die allerdings sehr hohe Anforderungen an die Metrologie stellen. Optische Messtechniken haben dabei eine prominente Rolle, da sie die Messobjekte nicht beschädigen.  Das Ziel der PTB ist es, ein rückgeführtes Messgerät für die optische Formmessung von solchen Flächen auf Basis eines Tilted-Wave Interferometers zu entwickeln. Das Messprinzip des Tilted-Wave Interferometer ist dabei ein Paradebeispiel der modernen rechnergestützten optischen Metrologie („Computational Optical Metrology“): Ohne mathematische und numerische Modellierung des Messsystems ist kein Messergebnis möglich. Das Verfahren ist sehr anspruchsvoll, da es u.a. die Lösung hochdimensionaler inverser Probleme, die Verarbeitung großer Datenmengen, lange Rechenzeiten und die Verwendung großer Softwarebibliotheken beinhaltet. Die Entwicklung einer GUM-konformen Unsicherheitsbestimmung für Messungen solcher Messgeräte ist dabei Teil der Forschung. Im Rahmen des Kompetenzzentrums werden die neu entwickelten Methoden zur Kalibrierung und Unsicherheitsbestimmung vorgestellt, diskutiert und im engen Austausch erweitert.

Beteiligte Arbeitsgruppen:

Opens internal link in current window8.42 Datenanalyse und Messunsicherheit

Opens internal link in current window4.24 Asphärenmetrologie

Entwicklung eines virtuellen Durchflussmessgeräts

Ziel dieses Vorhabens ist es, numerische Strömungssimulationen als verlässliches und praktikables Werkzeug für die Kalibrierung sowie Unsicherheitsbestimmung von Durchflussmessgeräten zu etablieren. Mit der Entwicklung von Methoden, die in ein virtuelles Messgerät münden, können Durchflussmessgeräte bereits am Computer optimiert und Korrekturfaktoren den jeweiligen Strömungsbedingungen angepasst werden. Dadurch kann bei der Entwicklung und Bewertung neuer Messgeräte eine große Anzahl aufwändiger und teurer Messungen eingespart werden. Voraussetzung dafür ist jedoch Vertrauen in die Simulationsergebnisse, was zum einen durch eine verbesserte Unsicherheitsbetrachtung and zum anderen durch Validierungsverfahren sichergestellt werden soll.

Beteiligte Arbeitsgruppen:

Opens internal link in current windowModellierung und Simulation

Opens internal link in current windowStrömungsanalyse für Wärmemengenmessung

Scatterometrie als Beispiel für inverse Probleme in der Metrologie

Unsere moderne Gesellschaft wird maßgeblich durch die Leistungsfähigkeit und Miniaturisierung von Mikrochips beeinflusst. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Komplexität integrierter Schaltkreise im Verhältnis zu den Komponentenkosten regelmäßig verdoppelt (mooresches Gesetz). An dieser Entwicklung hat auch die Metrologie in der Halbleiterfertigungstechnik einen Anteil. 

Bereits heute werden Strukturgrößen von unter 10 nm erreicht, was ganz besondere Anforderungen an deren Vermessung der Strukturen stellt, z.B. an die Qualitätskontrolle. Optische Streuverfahren, wie die Scatterometrie bieten ein schnelles, indirektes und präzises Messverfahren für die Bestimmung der Geometrieeigenschaften von nanostruktuierten Oberflächen.  Hierbei wird die Oberfläche mit Licht beleuchtet und die reflektierte Strahlungsintensität gemessen. Aus dem Intensitätsmuster kann durch die Lösung eines inversen Problems die ursprüngliche Nanostruktur rekonstruiert werden. Für das Lösen des inversen Problems ist es notwendig den Messprozess so genau wie möglich zu simulieren, was einem virtuellen Experiment entspricht.

Comprehensive traceability for force metrology services (ComTraForce)

Comprehensive traceability for force metrology services (ComTraForce)

Bestimmung von Messunsicherheiten mithilfe virtueller Experimente

Bestimmung von Messunsicherheiten mithilfe virtueller Experimente

Das Ziel dieser Aktivität ist die Entwicklung generischer Methoden und Leitlinien zur Bestimmung von Messunsicherheiten unter Verwendung von virtuellen Experimenten. Virtuelle Experimente können zur Modellierung komplexer Messverfahren mithilfe numerischer Simulationen sowie zur Bestimmung relevanter Unsicherheitsquellen eingesetzt werden. Weiterhin ermöglichen sie eine Analyse der statistischen Eigenschaften von Messdaten, die Vorrausetzung für eine genaue Bestimmung des Messergebnisses inklusive zuverlässiger Messunsicherheitsangabe ist. Die Methodenentwicklung basiert hierbei insbesondere auf den Einsatz von Monte-Carlo Verfahren. Aufgrund der hohen Bedeutung des Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), ist die Entwicklung entsprechender Methoden in Übereinstimmung mit diesem De-facto-Standard zur Messunsicherheitsbestimmung in der Metrologie wesentlich.  

 

Beteiligte Arbeitsgruppe:

Opens internal link in current windowDatenanalyse und Messunsicherheit

Digitaler Zwilling in der Drehmoment-Normaleneinrichtung

Digitaler Zwilling in der Drehmoment-Normaleneinrichtung

Traceable industrial 3D roughness and dimensional measurement using optical 3D microscopy and optical distance sensors (TracOptic)

Traceable industrial 3D roughness and dimensional measurement using optical 3D microscopy and optical distance sensors (TracOptic)

Ziel des Projektes ist die metrologische Rückführung von optischen Messungen der Werkstücktopografie und -geometrie mit 3D-Mikroskopen (Fokusvariation, konfokale Mikroskopie, Weißlichtinterferometrie) und optischen Abstandssensoren (chromatisch konfokal, interferometrisch). Ein wichtiger Schwerpunkt ist die Unterstützung der Anwender bei der aufgabenorientierten Auswahl von geeigneten Messinstrumenten oder -einstellungen. Die spezifischen Ziele sind:

1.      Bestimmung geeigneter Oberflächentexturparameter und dimensioneller Parameter verschiedener Prüfkörper und Werkstücke.

2.      Charakterisierung der Messfähigkeiten optischer 3D-Mikroskopie, AMI-interferometrischer Nanoskopie und optischer Abstandssensoren.

3.      Entwicklung numerischer Modelle zur Vorhersage der Messergebnisse verschiedener Messsysteme für beliebige, komplexe Oberflächengeometrien und zur Analyse systematischer Fehler und deren Korrektur.

4.      Entwicklung und Validierung von Verfahren zur Auswahl von geeigneten Messsystemen und Einstellungen für eine gegebene Messaufgabe. Dies beinhaltet die Entwicklung von Methoden zur Datenauswertung und zur vereinfachten Messunsicherheitsabschätzung.

 

Opens external link in new windowProjektwebsite

Opens external link in new windowProjektbeschreibung

 

Realistische Simulation realer Röntgencomputertomografie-Systeme mit basisqualifizierter Simulationssoftware–CTSimU2

Realistische Simulation realer Röntgencomputertomografie-Systeme mit basisqualifizierter Simulationssoftware–CTSimU2

Im Projekt CTSimU2 soll eine allgemeine Methode zum Aufbau und Test von simulativen Nachbildungen von realen Computertomographie (CT) Systemen für dimensionelle Messungen in der Koordinatenmesstechnik entwickelt werden, um so für die Anwender eine Norm- bzw. Richtliniensicherheit herzustellen und mittelfristig die simulationsbasierte Ermittlung von Messunsicherheiten zu ermöglichen. Das Projekt CTSimU2 baut auf den Ergebnissen des Projektes CTSimU („Durchstrahlungssimulation für die Messunsicherheitsbestimmung beim Messen geometrischer Merkmale mittels Röntgen-Computertomographie“) auf.

Das Projekt CTSimU2 wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des Förderprogramms WIPANO unter dem Förderkennzeichen 03TN0049C gefördert.

 

Weitere Information bei Opens external link in new windowFachbereich 5.3

 

Projektpartner:

Kontakt: Opens local program for sending emailMarkus Bartscher

Radiographic simulation for assessing the measurement uncertainty of measurements of geometrical features using X-ray computed tomography (CTSimU)

Radiographic simulation for assessing the measurement uncertainty of measurements of geometrical features using X-ray computed tomography (CTSimU)