3D-Charakterisierung von Mikrokugeln mit Nanometerpräzision
Final Report Abstract
Zur rückführbaren und präzisen Messung komplexer Mikrobauteile wurden nano- und mikro-Koordinatenmessgeräte (KMGs) in Kombination mit Mikrotastern entwickelt. Ein wesentlicher Unsicherheitsbeitrag bei derartigen Messgeräten wird durch die Form der Antastkugel verursacht. Weil es nach dem derzeitigen Stand kein geeignetes Verfahren zur Messung dieser Kugeln gibt, bestand das Ziel des Projektes in der Entwicklung und dem messtechnischen Vergleich von Methoden zur Charakterisierung von Mikrokugeln. Als besondere Herausforderung ist die Größe der Antastkugel (Durchmesser kleiner 300 µm) und erforderliche Unsicherheit des Messprozesses (10 nm) anzusehen. Zur Reduktion der Komplexität wurden die Untersuchungen in einer ersten Projektphase zunächst auf die Messung eines Großkreises (Äquator) beschränkt. Auf Basis der Untersuchungen wurde ein neuartiges Verfahren entwickelt, welches die hochauflösende Charakterisierung solcher Kugeln ermöglicht. Es basiert auf einem Satz von Oberflächenscans mittels Atomkraftmikroskop, welche durch einen Stitching-Algorithmus ausgewertet werden. Das Verfahren wurde an kommerziell erhältlichen Kugeln mit nominellen Radien von 61 µm bis 150 µm getestet. Es wurden Wiederholbarkeiten von bis zu 2,5 nm erreicht. Die Reduktion der Komplexität auf Äquatormessung war eine bewusste Entscheidung, um die Durchführung von umfangreichen Experimenten zu einem frühen Zeitpunkt des Projektes zu ermöglichen. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse sollten auf die Charakterisierung der gesamten Kugel übertragbar sein. Dieser Fall wurde in einer zweiten Projekthälfte untersucht. Dabei konnte eine vollständige Abtastung der Kugel durch AFM-Oberflächenscans demonstriert werden. Dennoch erfordert dieser Anwendungsfall weitere Forschungsanstrengungen. Das betrifft insbesondere die Dynamik des Abtastvorgangs und die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung.
Publications
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Radius and roundness measurement of micro spheres based on a set of AFM surface scans. Measurement Science and Technology, 32(4), 044005.
Oertel, Erik & Manske, Eberhard
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Unsicherheitsbetrachtungen zur Charakterisierung von Mikrokugeln auf Basis von AFM-Oberflächenscans. Messunsicherheit praxisgerecht bestimmen – Prüfprozesse in der industriellen Praxis 2021, 121-132. VDI Verlag.
Oertel, E. & Manske, E.
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Ein Bottom-up Ansatz für die Radius- und Rundheitsmessung von Mikrokugeln. tm - Technisches Messen, 89(s1), 101-106.
Oertel, Erik & Manske, Eberhard
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Influence of form deviations on the radius and roundness measurement of micro spheres. tm - Technisches Messen, 89(10), 704-713.
Oertel, Erik & Manske, Eberhard
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Influence of the reference surface and AFM tip on the radius and roundness measurement of micro spheres. Measurement Science and Technology, 35(2), 025010.
Oertel, Erik & Manske, Eberhard
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“Characterization of micro spheres through AFM surface scans”. In: euspen’s 23rd International Conference and Exhibition. (2023)
Erik Oertel & Eberhard Manske
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„Modelling the measurement process for the radius and roundness measurement of micro spheres”. In: NanoScale
Erik Oertel & Eberhard Manske
