Arbeitskreis des Fachausschusses Materialographie
Quantitative 3D-Mikroskopie von Oberflächen

Optische Oberflächenmessgeräte erfassen Topografien berührungslos und schnell, weshalb sie sich zunehmender Beliebtheit z. B. auch in die Industrie erfreuen. Aber wie gut stimmen daraus abgeleitete Kennwerte, und wie können Messartefakte überhaupt zuverlässig erkannt werden? Dieser Arbeitskreis bietet ein Forum für erfahrene und neue Anwender*innen aus ganz verschiedenen Disziplinen und führt sie zusammen mit Metrolog*innen sowie Herstellern mikroskopischer 3D-Messgeräte von Interferenz- und Konfokal-Mikroskopen über Fokusvariation bis hin zu Stereobildpaaranalyse und Projektionsverfahren. Im Fokus stehen das breite Spektrum an vielfältigen praxisnahen Anforderungen der Nutzer*innen, aktuelle Entwicklungen der Messtechnik, neuartige Normale, anwendungsspezifische Kalibrierverfahren sowie Richtlinien- und Normungsbestrebungen in den zuständigen Gremien von VDI/VDE-GMA, VDA, DIN und ISO. Der Arbeitskreis verfolgt das Ziel, durch offene Workshops, meist in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), einen unkomplizierten Austausch zwischen Anwender*innen, Gerätehersteller*innen und Expert*innen aus Metrologie und Normung zu ermöglichen, um das Potential dieser Messverfahren auszuschöpfen und das Verständnis für ihre sichere Anwendung zu vertiefen.

Entwicklung der mikroskopischen Topografie-Messung – Chancen und Herausforderungen
 

Der Arbeitskreis Quantitative 3D-Mikroskopie von Oberflächen blickt auf mehrere Jahrzehnte kontinuierlicher Aktivität und erfolgreicher Arbeit zurück. Zunächst lange Jahre engagiert geleitet von Edeltraut Materna-Morris (KIT, Karlsruhe), treffen sich seither in regelmäßigen Abständen einige Dutzend Interessierte in verschiedenen Veranstaltungsformaten, um ihre Erfahrungen auf dem Gebiet der Topografie-Messung und -Beurteilung mittels diverser mikroskopischer Verfahren auszutauschen.

Die optische Oberflächenmesstechnik hat sich in diesen Jahrzehnten rasant entwickelt. Zwar sind die physikalischen und technischen Grundlagen z. B. der verschiedenen Interferenz- und Konfokal-Mikroskopie-Verfahren wie auch des Fokus-Variations-Verfahrens seit vielen Jahrzehnten bekannt, aber eine breitere Anwendung finden sie erst, seitdem leistungsfähige Prozessoren es erlauben, die gemessenen Daten innerhalb von Sekunden(bruchteilen) in eine 3D-Topografie zu verrechnen und anschaulich darzustellen. Dadurch sind diese berührungslosen Messungen nicht nur schnell, sondern lassen sich auch gerade für die Industrie automatisieren und damit effizient nutzen.

Standen in der Anfangszeit des Arbeitskreises noch Stereobildpaaranalyse und Projektionsverfahren, z. T. noch mit händischer Auswertung, v. a. zur Defektanalyse in materialwissenschaftlichen Laboren im Vordergrund, so beschäftigen sich die meisten Beiträge heutzutage mit den Anwendungen v. a. der Inferenz- und Konfokal-Mikroskopie in vielen industriellen Branchen (z. B. Fahrzeug- und Anlagenbau, Optik, Elektronik) und wissenschaftlichen Disziplinen (neben Materialwissenschaften auch Bio/Medizin, Archäologie u. v. m.). Die Anwenderschaft ist dadurch vielfältiger und heterogener geworden. Insbesondere für die industrielle Prozesskontrolle ist die Zuverlässigkeit der Messverfahren entscheidend; Fragen nach der Kalibrierung, Rückführung und Unsicherheit treten in den Vordergrund. Hinzu kommt, dass diese Verfahren häufig Messartefakte in den 3D-Darstellungen zeigen, die das Ergebnis von Rauheits- und Form-Messungen verfälschen können – und oft nicht auf den ersten Blick erkennbar sind. Folglich sind Strategien zur Gerätecharakterisierung gefragt, die es erlauben, das Gerät für spezifische Messaufgaben zu qualifizieren.

Enger Austausch zwischen Anwendern, Geräte-Entwicklern und Metrologen
 

Als E. Materna-Morris in den Ruhestand eintrat, wurde daher die Leitung des Arbeitskreises den Kolleg*innen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig angetragen, um eine engere Verzahnung mit der Metrologie, der Entwicklung von Normalen sowie Richtlinien- und Normungsgremien zu erreichen. Dadurch können die im Arbeitskreis mitwirkenden Anwender*innen optischer Topografiemessverfahren schneller mit neu entwickelten Kalibrierverfahren vertraut werden und erfahren, wie sie ihre Geräte besser charakterisieren und auf ihre Eignung für spezifische Messaufgaben untersuchen können. Umgekehrt profitieren die Metrolog*innen und die Aktiven in den Richtlinien-/Normungsgremien direkt von den Berichten der Anwender*innen aus deren alltäglichen messtechnischen Praxis und können deren vielschichtige Erfahrungen und Anregungen in ihre Arbeit einfließen lassen, um sowohl Normale als auch Richtlinien und Normen zukünftig besser auf den Bedarf der Anwender*innen hin zu entwickeln. Eine große Rolle spielen hierbei die neue Normenserie ISO 25178 zur flächenhaften Texturmessung und die Richtlinien-Blätter der VDI 2655.

Diese direkte Rückkopplung zeichnet den heutigen Arbeitskreis aus. Dadurch wird es möglich, Wünsche aus der breiten Nutzerschaft und neue Anforderungen, die sich z. B. durch aktuelle messtechnische Herausforderungen in der Industrie oder anderen Forschungsdisziplinen ergeben, gemeinsam zu diskutieren, etwaige Lösungsansätze zu skizzieren und eine bessere Vernetzung in Form von gemeinsamen Projekten oder Normungs-/Richtlinien-Initiativen anzustoßen. Ergänzt wird dieser enge Austausch durch Fachvorträge und Expertise etlicher in Mitteleuropa ansässiger Gerätehersteller und Software-Entwickler.

Über die optischen Oberflächenmesstechniken hinaus werden auch Entwicklungen in der Rastersondenmikroskopie (SPM, v. a. AFM) und 3D-Verfahren in der Elektronenmikroskopie (SEM) sowie Tastschnittgeräte in den Kontext der Topografie-Messung und Textur-Bestimmung über viele Größenordnungen hinweg einbezogen.

Regelmäßige offene Workshops
 

Seit 2015 veranstaltet der Arbeitskreis gemeinsam mit der PTB etwa alle zwei Jahre einen offenen Workshop, auf dem die oben genannten Themen – manchmal mit einem aktuellen Schwerpunkt – behandelt werden. Die Teilnehmer*innen haben die Möglichkeit, ihre Arbeiten in Form von (Kurz-)Vorträgen oder Postern vorstellen, wobei gerade auch offene, knifflige Fragen willkommen sind, die zur Diskussion anregen sollen. Breiten Raum nehmen ungezwungene Gespräche in lockerer Atmosphäre ein.

Am Rande oder auch unabhängig vom Workshop besteht die Möglichkeit, kritische Proben auszutauschen und mit verschiedenen Messgeräten bei den Partnern zu messen, worüber auf dem folgenden Workshop berichtet wird. Auch (Prototyp-)Normale werden zur Erprobung in verschiedenen Laboren herumgereicht. Daneben werden auch Bildaufbereitungs- und Auswertestrategien verglichen.

Aus Workshops hervorgegangen sind gemeinsame Arbeiten in kleineren Gruppen, häufig auch in Verbindung mit Gremien im VDI/VDE-GMA (FA 3.40, 3.41, 3.64) oder im Rahmen von Drittmittelprojekten. Aktuell ist insbesondere das Joint Research Project (JRP) i04 „TraceOptic“ im Rahmen des European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR) mit einer voraussichtlichen Laufzeit von 2021-2024 zu nennen, an dem auch einige Workshop-Teilnehmer*innen als Partner*in oder Stakeholder beteiligt sind. Dieses Forschungsprojekt adressiert viele Fragen, die in diesem Arbeitskreis behandelt werden. Ein enger Austausch bis hin zu gemeinsamen Veranstaltungen ist geplant.

Der Arbeitskreis heißt weitere Interessierte herzlich willkommen!

Ziele

  • Regelmäßige offene Workshops (ca. alle 2 Jahre in der PTB)
    Anwender*innen, Gerätehersteller*innen, Metrolog*innen
  • Besseres Verständnis der Messgeräte, Vermeidung von Messartefakten
  • Erprobung von Prototyp-Normalen, Messungen an kritischen Proben
  • Praxisnahe effiziente Anwendung der Normenreihe ISO 25178 - wie wird normgerecht gemessen, ausgewertet und dokumentiert?
  • Vergleich von Auswerte-Software und -Strategien zur Ermittlung z. B. von flächenhaften Rauheitskennwerten
  • Schneidkanten-Messung/-Auswertung, Spitzenform-Bestimmung
    (Mit-Initiierung des VDI/VDE GMA 3.64, der dazu Richtlinien erarbeitet)
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