Der Einsatz von Mikrokugeln als Referenzartefakte für die in-situ-Charakterisierung von taktilen 3D-Mikrotastern entlang des Äquators der Tastkugel :
Using micro spheres as reference artifacts for the in-situ characterization of tactile 3D micro probes along the probing sphere’s equator. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 0 (2024), 0, S. 1-11
Nano and micro coordinate measuring machines (CMMs) have been developed for the characterization of small dimensional features. They require a procedure which enables a traceable and precise characterization of probing spheres. In this contribution we explore the use of well characterized micro spheres as reference artifacts for the in-situ characterization of probing spheres along the probing sphere’s equator. The spheres are characterized using a strategy which is based on a set of tactile surface scans in conjunction with a stitching-algorithm. These micro spheres serve as a reference for the in-situ characterization of a tactile 3D micro probe on a nano measuring machine (NMM-1). Our investigations are based on a sample of eight spheres sourced from two different suppliers. Although the sample is small, we could already observe characteristics which seem to be typical for spheres of a certain type (i.e. nominal radius and material). The experiments indicate that micro spheres are a suitable reference artifact for tactile 3D micro probes. We were able to reproduce the measured mean radius of the probing sphere with a standard deviation of 31 nm using reference spheres whose nominal radius covers a range of 89 µm.
https://doi.org/10.1515/teme-2023-0164
Übertragung und Erweiterung des Konzepts des Virtuellen Koordinatenmessgerätes auf neue metrologische Anwendungen am Beispiel der Planck-Waage. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (xiii, 111 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
Die Bestimmung der Messunsicherheit ist ein zentraler Aspekt jeder metrologischen Aufgabe. Mit fortschreitender Digitalisierung und bei immer komplexeren Messungen werden die Messunsicherheiten zunehmend in einer Simulation ermittelt. Die entsprechende Simulationssoftware wird dabei über Jahre oder sogar Jahrzehnte zusammen mit dem Experiment weiterentwickelt. Damit dieser Prozess möglichst effizient und nachhaltig gestaltet werden kann, bedarf es einer systematischen Vorgehensweise bei der Implementierung der physikalischen Zusammenhänge in einer Simulationssoftware. Dazu werden in dieser Arbeit die Konzepte einer etablierten Simulationssoftware für die Messunsicherheitsbestimmung verallgemeinert und für die Anwendung auf neue metrologische Aufgaben übertragen. Als Ausgangspunkt wird dafür das VCMM – das Virtuelle Koordinatenmessgerät – herangezogen. Um zu verstehen, wie das VCMM aufgebaut ist und was seinem Konzept zugrunde liegt, wird es von Grund auf neu implementiert. Dabei werden die Ansätze der Modellbildung des VCMMs erkannt und verallgemeinert. Demnach wird der gesamte Messprozess in einer Simulation nachgebildet. Weiterhin wird eine Softwarestruktur erarbeitet, mit der vergleichbare Simulationssoftware aufgebaut werden kann. Um schließlich die physikalischen Modelle einer Messung zu einer Software zu implementieren, wird eine unterstützende Softwarebibliothek entwickelt. Sie enthält die wiederkehrenden Komponenten einer Monte-Carlo-basierten Simulationssoftware und hilft bei der Umsetzung der Softwarestruktur. Zur Veranschaulichung der erarbeiteten Vorgehensweise wird als erstes Anwendungsbeispiel die Planck-Waage betrachtet. Dabei wird eine Simulationssoftware für die Bestimmung der Messunsicherheiten an der Planck-Waage erstellt. Die Software ist modular aufgebaut und bietet vielseitige Analysemöglichkeiten, die einen Einblick in die physikalischen Zusammenhänge der Messung ermöglichen. Die Erstellung der Simulationssoftware für weitere metrologische Anwendungen erfolgt äquivalent.
https://doi.org/10.22032/dbt.59707
Planck extension for a prototype vacuum mass comparator. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (XI, 120 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024
Diese Arbeit befasst sich mit der technischen Umsetzung zur Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition des Kilogramms von 2019. Im Stand der Technik wird die Geschichte des Kilogramms zurückverfolgt und es werden die wichtigsten Meilensteine der Wägetechnik vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Ansätze zur Umsetzung der Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition aufgezeigt. Es werden die Grundlagen der hochpräzisen Massebestimmung einschließlich der Grenzen, Probleme und neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Wägetechnik dargestellt. Darüber hinaus werden die Grundlagen der absoluten Massebestimmung mit einer Planck-Waage nach der neuen Definition des Kilogramms dargestellt. Im weiteren Verlauf wird die Entwicklung einer Planck-Waage als Erweiterung eines handelsüblichen Hochvakuum-Massekomparators beschrieben. Dies ermöglicht die Bestimmung des Kilogramms nach der neuen Definition auf der Grundlage von Massekomparatoren, die mit langjähriger Erfahrung entwickelt und getestet wurden. Darüber hinaus können die Massekomparatoren weiterhin zur Aufrechterhaltung der Kalibrierkette nach der alten Definition des Kilogramms verwendet werden. Im Rahmen der Entwicklung dieser Planck-Erweiterung für Massekomparatoren wird die Entwicklung von Magnetsystemen eingehend diskutiert. Im weiteren Verlauf wird die allgemeine Funktionsweise des Systems vorgestellt und beschrieben und die Messmethodik erläutert. Die aus dem Hauptexperiment gewonnenen Messergebnisse werden im Rahmen einer detaillierten Datenanalyse vorgestellt und diskutiert. In der Schlussfolgerung werden die Ergebnisse diskutiert, bewertet und mögliche Verbesserungsvorschläge aufgezeigt und vorgestellt.
https://doi.org/10.22032/dbt.59667
Performance evaluation approach for accelerating rate calorimeters by means of Joule heat. - In: Thermochimica acta, Bd. 735 (2024), 179719, S. 1-9
Currently, the commonly used performance evaluation approach for accelerating rate calorimeters (ARCs) is based on di‑tert‑butyl peroxide (DTBP). However, DTBP is not a certified reference material that contains untraceable and inaccurate thermodynamic and kinetic parameters. To address this issue, an evaluation approach using Joule heat was proposed. The key point of this approach is the use of Joule heat to simulate the exothermic process of a chemical reaction. First, an evaluation apparatus with reaction rate feedback control was developed. Subsequently, exothermic reaction experiments using the DTBP/toluene solution were simulated. The experimental results indicated that the thermodynamic and kinetic parameters obtained using this approach align with the preset values and exhibit good repeatability. This approach is traceable and can be traced back to the International System of Units, which facilitates reliable performance evaluation of commercial ARCs.
https://doi.org/10.1016/j.tca.2024.179719
Characterization of a parallel kinematics actuated in situ reference measurement system for 5D-nano-measurement and nano-fabrication applications :
Charakterisierung eines parallelkinematisch aktuierten In-situ-Referenzmesssystems für 5D-Nanomess- und Fabrikationsanwendungen. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 2, S. 102-115
Die stetig voranschreitende Entwicklung im Bereich der Fertigung optischer und elektronischer Elemente auf Basis von Nanotechnologien führt seit Jahren zu einer steigenden Nachfrage nach hochpräzisen Nanomess- und Nanofabrikationsmaschinen (The International Roadmap For Devices And Systems, IEEE, 2020; C. Grant Willson and B. J. Roman, “The future of lithography: SEMATECH litho forum 2008,” ASC Nano , vol. 2, no. 7, pp. 1323-1328, 2008). Als technologisch besonders anspruchsvoll hat sich dabei die Fabrikation auf stark geneigten, gekrümmten, asphärischen und freigeformten Oberflächen herausgestellt (R. Schachtschneider, et al., “Interlaboratory comparison measurements of aspheres,” Meas. Sci. Technol. , vol. 29, no. 13pp, p. 055010, 2018). Aufbauend auf den zukunftsweisenden Entwicklungen der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 1 (NMM-1) (G. Jäger, E. Manske, T. Hausotte, and J.-J. Büchner, “Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung,” tm - Tech. Mess. , vol. 67, nos. 7-8, pp. 319-323, 2000) und der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) (E. Manske, G. Jäger, T. Hausotte, and F. Balzer, “Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NPMM-200 - sub-nanometre resolution and highest accuracy in extended macroscopic working areas,” in Euspen’s 17th International Conference , 2017), wird an der Technischen Universität Ilmenau seit mehreren Jahren an Konzepten für NPMM mit erhöhtem Freiheitsgrad geforscht (F. Fern, “Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020; R. Schienbein, “Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020). So besitzt der seit 2020 entwickelte Demonstrator NMM-5D (J. Leinweber, C. Meyer, R. Füßl, R. Theska, and E. Manske, “Ein neuartiges Konzept für 5D Nanopositionier-, Nanomess-, und Nanofabrikationsmaschinen,” tm - Tech. Mess. , vol. 37, nos. 1-10, 2022) neben dem kartesischen Verfahrbereich von 25mm × 25mm × 5mm zusätzlich ein Rotationsvermögen des Tools von 360˚ sowie ein Neigungsvermögen von 50˚. Imfolgenden Artikel wird davon ausgehend die mechanische und metrologische Charakterisierung der parallelkinematisch aktuierten Rotationserweiterung präsentiert. Hierbei konzentrieren sich durchgeführte Untersuchungen primär auf die kinematisch verursachten Abweichungen des Tool Center Point (TCP) sowie die Detektierung dieser Abweichungen mit einem interferometrischen In-situ -Referenzmesssystem. Darüber kann perspektivisch eine geregelte Kompensation der auftretenden TCP-Abweichungen erfolgen.
https://doi.org/10.1515/teme-2023-0109
From measurement to information with intelligence - VDI future forum in Ettlingen/Germany :
Mit Intelligenz von der Messung zur Information - VDI-Zukunftsforum in Ettlingen. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 91 (2024), 1, S. 1-3
https://doi.org/10.1515/teme-2023-0154
Analytical description of transversally symmetric hinges with semicircular contours. - In: Advances in mechanism and machine science, (2024), S. 502-509
Compliant mechanisms are becoming increasingly important, especially in force measurement and weighing technology, due to their zero backlash, wear resistance, and zero friction. Their deformation under external forces can be analyzed well with analytical calculations and FEM simulations. Analytically, only mechanisms with symmetrical and longitudinally symmetrical hinges are described. This paper presents a method that allows transversally symmetric hinges to be described analytically. The model must be computed numerically due to the built neutral fiber and the nonlinearities in the used calculation method. The developed method is then compared with FEM calculations in a parameter study and considered to be validated. Finally, outlooks are formulated on how the created method can for instance be used to develop load cells for later calculations. Moreover, it is shown to what extent it is possible to implement this method for general calculations of compliant mechanisms.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-45709-8_49
Adaptation of metrology-grade ac current source in velocity mode of Planck-Balance 2: direct referencing induced voltages with ac quantum voltage standard. - In: Measurement science and technology, ISSN 1361-6501, Bd. 35 (2024), 1, 015026, S. 1-11
The adaptation of developed metrology-grade ac current source (MCS) to the velocity mode of measurements of the Planck-Balance 2 as a means for generating ac mechanical oscillations is presented. The universality in operating with the MCS unit especially practical for the Planck-Balance setup for frequencies of 0.1 Hz-20 Hz (including but not limited to the negligence of a broader range of 0.01 Hz up to several hundred Hz) and for amplitudes of up to 10 mA with 16 (offset with 14)-bit effective resolution is demonstrated. MCS allows generating complex ac waveform signals as waveform synthesizers by adding to the original signal an extra five independent harmonic components, each of which with an adjustable resolution of 10 ns for phase and 16-bit for amplitude. Additionally, the MCS is supported by an external clock at 10 MHz frequency which serves also as a common reference time base for the comparison between the direct output signal of MCS, or of the induced voltage in the coil of the Planck-Balance resulting due to the applied current by MCS, with the ac quantum voltage standard at the required accuracy levels.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/ad006c
Influence of the reference surface and AFM tip on the radius and roundness measurement of micro spheres. - In: Measurement science and technology, ISSN 1361-6501, Bd. 35 (2024), 2, 025010, S. 1-16
The performance of tactile and optical surface sensors for nano and micro coordinate measuring machines is currently limited by the lack of precisely characterised micro spheres, since established strategies have mainly been developed for spheres in the range of millimetres or above. We have, therefore, recently focused our research efforts towards a novel strategy for the characterisation of spheres in the sub-millimetre range. It is based on a set of atomic force microscope (AFM) surface scans in conjunction with a stitching algorithm. To obtain an uncertainty statement, the uncertainty about the shape of the reference surface needs to be propagated via the shape of the AFM tip to the actual measurement object. However, the sampling process of an AFM is non-linear and the processing of AFM scans requires complex algorithms. We have, therefore, recently begun to model the characterisation of micro spheres through simulations. In this contribution, this model is extended by the influence of the tip and reference surface. The influence of the tip’s shape and reference surface is investigated through virtual and real experiments. The shape of the tip is varied by using tips with mean radii of 200 nm and 2 μm while sampling the same ruby sphere with a mean radius of 150 μm. In general, the simulation results imply that an uncertainty of less then 10 nm is achievable. However, an experimental validation of the model is still pending. The experimental investigations were limited by the lack of a suitable cleaning strategy for micro parts, which demonstrates the need for further investigations in this area. Although the characterisation of a full sphere has already been demonstrated, the investigations in this contribution are limited to equator measurements.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/ad03b7
A novel EMFC tiltmeter with extended measurement range. - In: 24th IMEKO TC3 International Conference on Measurement of Force, Mass and Torque 2022, (2023), S. 252-257
This work presents a new tiltmeter that utilises the principle of electromagnetic force compensation (EMFC) in order to increase its measurement range and measurement dynamics compared to an uncompensated pendulum tiltmeter. The development included investigations on the design of the pendulum mechanics, the position sensor and the actuators. With the chosen parameters a resolution of 1 μrad in a measurement range of 20 mrad can be achieved currently on a short-term timescale.