1© Bruker Nano Surfaces Division, Dezember 2012 1“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion
Dr. Udo Volz, Bruker Nano GmbH, Karlsruhe
Webinar, 11. Dezember 2012
2“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Bessere Charakterisierung von Oberflächen - Motivation / Schlüsselfaktoren
• Miniaturisierung- Kleinere Dimensionen erfordern kleinere Toleranzen- Anderes Reib- und Verschleißverhalten auf Mikro-Skala
• Fremdvergabe / Outsourcing- Unterschiedliches Verhalten gleicher Teile mit gleichen Spezifikationen von verschiedenen Zulieferern- Nicht spezifizierte versteckte Eigenschaften
• Gesetze / Verordnungen- Emissionsgrenzwerte für Fahrzeuge- Energieeffizienz von Haushaltsgeräte / Lampen- Wiederverwertbarkeit
• Garantie / Haltbarkeit- Produktlebensdauer soll immer weiter steigen
• Differenzierung vom Wettbewerb- Erscheinungsbild- Höchste Produktqualität
3“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Übergang zu 3D-Mikroskopie- Einige Gründe
• 2D-Parameter korrelieren oft nicht mit Funktion- z. B. Effizienz von Photovoltaikzellen- Reib- und Verschleißverhalten auf der Mikro-Skala
• Statistische Sicherheit bei 2D-Linienscans- Linienscan muß senkrecht zur Bearbeitungsspur sein- Radius und Qualität der Meßspitze beeinflussen Resultat- Begrenzte Anzahl von Meßlinien- Betrachteter Anteil der Fläche ist gering
• Zeit bis zum Resultat- schnellerer Feedback in den Fertigungsprozess
• Berührungsfreie Messung- keine Beschädigung von Probe oder Meßspitze
4“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Übersicht
3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion
• Gestatten … Bruker !
• Interferometrie – Grundlagen
• Optische 3D-Rauheitsmessung
• Produktionsnahe Anwendungsbeispiele
• Schlußbemerkungen
5“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Bruker - Messtechnik und Analytik
Bruker BioSpinMedizintechnik(NMR, MRI, EPR)
Bruker DaltonicsElementanalyse(MS, GC)
Bruker ESTEnergie, Supraleiter
Bruker AXSRöntgen-Analytik(XRF, XRD, µXRD)
Bruker OpticsSpektroskopie (FT-IR, NIR, Raman, THz)
Bruker Nano Surfaces DivisionCharakterisierung von Oberflächen(Rasterkraftmikroskopie, Optische & taktile Profilometrie, Tribologie und mechanisches Testen)
Gründung: 1960 KarlsruheJahresumsatz 2008: > 1000 Mio. US-$
6“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
RasterkraftmikroskopieMessung von Textur und Rauheit, Charakterisierung von elektrischen, magnetischen, mechanischen und anderen Materialeigenschaften.
Optische ProfilometrieKontaktlose 3-dimensionale Messung von Textur und Rauheit von Oberflächen, Stufenhöhen und Filmdicken
Bruker Nano Surfaces Division*- Charakterisierung von Oberflächen
Universeller Material-TesterTribologie, Verschleißtests, Kratztests für dünne Schichten, Mikro- und Nanoindentation
Taktile ProfilometrieMessung von Textur und Rauheit, von Oberflächen, Stufenhöhen und Stress von dünnen Schichten.
7“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Übersicht
3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion
• Gestatten … Bruker !
• Interferometrie – Grundlagen
• Optische 3D-Rauheitsmessung
• Produktionsnahe Anwendungsbeispiele
• Schlußbemerkungen
8“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Abbildendes Interferometer (= Profilometer)
- Aufbau
Digitale Intensität
Strahlteiler
Digitale Kamera
Illuminator
MikroskopObjektiv
Verschiebe-einheit
InterferometerObjektiv
LED Quellen
FeldBlende
AperturBlende
Probe
DichroitischerSpiegel
Referenz-spiegel
Strahlteiler
Multiplikatorlinse
9“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Abbildendes Interferometer (= Profilometer)
- Interferenzstreifen
• Das Interferometer überzieht das optische Bild der Probe mit einem Muster aus Interferenzstreifen.
• Die Interferenzstreifen entsprechen den Höhenlinien auf einer Landkarte.
• Jeder Interferenzstreifen repräsentiert eine Linie konstanter Höhe.
• Höhenabstand der Linien ist ½ Wellenlänge (~ 260 nm).
20 m
260 nm
10“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Phasenschiebende Interferometrie (PSI)und Weißlicht-Interferometrie (VSI*)
• Monochromes Licht
• Erstes Interferometrieverfahren zur Oberflächenabbildung: ab 1983.
• Für glatte Oberflächen Ra < 50 nm , maximale Stufenhöhe ∆z < λ/4
• Hauptanwendung: Optiken und Spiegel.
• Gleicht dem “Rennwagen”: benötigt ebene “Rennstrecke”.
Phasenschiebende Interferometrie (PSI)
Weißlicht-Interferometrie (*Vertical Scanning Interferometry)
• Weißes Licht, die kurze Kohärenzlänge des Lichts (1 µm) ist entscheidend !
• Erstes kommerzielles Weißlicht-Interferometer: Wyko RST, 1992.
• Für alle Oberflächen, meßbare Stufenhöhe unbegrenzt.
• Hauptanwendung: alles, was nicht spiegelglatt ist !
• Gleicht dem “Geländewagen”: fährt “überall” hin.
Andreas Tille, Creative Commons CC—BY-SA
Rick Dikeman, Creative Commons CC—BY-SA
11“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Phasenschiebende Interferometrie (PSI)- Grundprinzip
• Höhenabstand der Linien ist ½ Wellenlänge (~ 260 nm).
• PSI interpoliert die Graustufen des Interferogramms.
• Vorteil: hohe Reproduzierbarkeit:
R < 0.1 nm (rms)
• Nachteil: nur glatte Oberflächen (Spiegel), maximale Stufenhöhe ∆z < λ/4
∆z = λ/2
12“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Phasenschiebende Interferometrie (PSI)- Beispiel: ultraflacher SiC-Spiegel
• Extrembeispiel einer ultraglatten Oberfläche (Ra < 0.1 nm).
• Hauptanwendung PSI: Oberfläche von Optiken und Spiegeln.
Ra = 0.09 nm
100 µm
13“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Weißlicht-Interferometrie (VSI)- Grundprinzip
• Weißes Licht hat eine sehr kurze Kohärenzlänge von ca. 1 µm.
• Interferenzstreifen überdecken nur noch einen Höhenbereich von ca. 1 µm.
• VSI konstruiert die Oberfläche aus einem Bilderstapel
• Immer noch hohe Reproduzierbarkeit:
R < 3 nm (rms)
• Vorteil: keine prinzipielle Beschränkung des meßbaren Höhenbereichs
∆z = 1 µm
14“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Das Objektiv wird auf die Probe zu bewegt.
Dadurch wandern die Interferenzstreifen wie Höhenlinien von oben nach unten über die Probenoberfläche.
Aus dem Bilderstapel wird die Oberfläche rekonstruiert.
Weißlicht-Interferometrie (VSI)- Messvorgang
Fokus
15“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Weißlicht-Interferometrie (VSI) - Anwendungsbeispiele
Metalle
Zylinderinnenwand
Verschleißtests
Mikrofluidik
Hüftgelenkschale
Sandgestrahlt
16“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Interferometrische Profilometrie- Übersicht Meßverfahren
16
� Weißlicht-Interferometrie (VSI)
= Vertical Scanning Interferometry ⇒ Reproduzierbarkeit in z: R = 3 nm (rms)⇒ Meßzeit: wenige Sekunden bis Minuten.
� Phasenschiebende Interferometrie (PSI)(glatte Oberflächen, Ra < 50 nm)⇒ Reproduzierbarkeit in z: R < 0.1 nm (rms)⇒ Meßzeit: wenige Sekunden
� VXI = Kombiniert VSI und PSI(Meßvorgang wie bei Weißlicht-Interferometrie,Auswertung vermittelt flexibel und selbständig, je nach Datenlage zwischen VSI und PSI)⇒ Reproduzierbarkeit in z: R ~ 0.5 nm (rms)⇒ Meßzeit: wenige Sekunden
NEU !
Smart
Mode
17“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Interferometrische Profilometrie- Vergleich mit anderen Meßverfahren
17
� Die Reproduzierbarkeit in z ist von der Vergrößerung unabhängig:
VSI: R = 3 nm (rms)PSI: R < 0.1 nm (rms)VXI: R ~ 0.5 nm (rms)
Objektiv-Vergrößerung /Numerische Apertur (NA)
Bre
ite d
es
Meßsi
gnals
Kohärenzlänge: 1.2 µm
Konfokale Signalbreite
100x 20x 10x100x 20x 10x100x 20x 10x100x 20x 10x 5x 2.5x5x 2.5x5x 2.5x5x 2.5x
Die vertikale Auflösung eines Interferometers ist nur durch die Kohärenzlänge des Lichts bestimmt !
*z. b. konfokale Mikroskopie, Autofokus-Verfahren, chromatische Aberration, etc.
� Die Reproduzierbarkeit in z ist von der Vergrößerung abhängig !
� Niedrige Vergrößerungen ( ≤≤≤≤ 20x ) sind deutlich benachteiligt.
Die vertikale Auflösung anderer Verfahren* ist durch die Schärfentiefe des Objektivs bestimmt.
18“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Übersicht
3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion
• Gestatten … Bruker !
• Interferometrie – Grundlagen
• Optische 3D-Rauheitsmessung
• Produktionsnahe Anwendungsbeispiele
• Schlußbemerkungen
Sa
Ra
19“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Optische Rauheitsmessung in 3D - 3D Rauheitsparameter
• Wann ist eine dreidimensionale optische Messung sinnvoll ?• Wann genügt eine taktile Messung auf einer Linie ?• Welche Nutzen bieten neuartige 3D-Rauheitsparameter ?• Standards für die optische 3D-Rauheitsmessung ?
20“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Warum flächenhafte Rauheitsmessung ?
• Rauheit wird seit Jahrzehnten am 2D-Profilschnitt gemessen.
• Wozu flächenhafte 3D-Messung und neue 3D-Parameter ?
Gerichtete Strukturen von der Bearbeitung
(Drehen, Fräsen, Schleifen)
Regelmäßige 3-dimensionale Strukturen (gehonte Zylinderinnenwand)
Zufällig verteilte Elemente (Si-Kristalle in Aluminium-
Zylinderinnenwand)
2D-Schnitt senkrecht zur Bearbeitungsrichtung i. A.
ausreichend
3D-Messung gibt zusätzliche Informationen über
Hon-Riefen
2D-Schnitt ergibt zufällige Ergebnisse – 3D-Messung
erforderlich.
21“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Form, Welligkeit und Rauheit (anhand des Matterhorns erläutert)
• Textur = die Gesamtheit der Abweichungen einer realen Oberfläche von der idealen Form.
• Beinhaltet Welligkeit und Rauheit.
Form Welligkeit(Form abgezogen)
Rauheit(Form und Welligkeit
abgezogen)
Andrew Bossi, Creative Commons CC-BY-SA-2.5 Andrew Bossi, Creative Commons CC-BY-SA-2.5Andrew Bossi, Creative Commons CC-BY-SA-2.5
22“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Form, Welligkeit und Rauheit - Zwei Schritte zur Rauheit
• Schritt 1: Beseitige Form und Welligkeit
⇒ Filterung ⇒ Rauheits-Profil !
• Schritt 2: Berechne Rauheits-Parameter aus Rauheits-Profil
Linienprofil (2D):
Gaußsches Filter (DIN ISO 11562,
13565-1)
Flächenprofil (3D-Bild):
„Robustes“ Gaußsches Filter 2. Ordnung (ISO 16610 – Teil 71, auch VDA 2008)
Linienprofil (2D):
Ra, Rq, Rz, Rsk, Rku, etc. (DIN ISO 3274, 4287,
4288, 13565-2/3)
Flächenprofil (3D-Bild):
S-Parameter Sa, Sq, Sz, etc. (ISO 25178 – Teil 2)
23“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Robuster Gaußscher Filter - Was heißt hier „robust“ ?
nicht robust
robust
Rohdaten
Gefilterte Daten
Gefilterte Daten
Filterfläche
Filterfläche
Filter-ArtefakteRobustes Gauß-Filter beseitigt Filter-Artefakte
24“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Robuster Gaußscher Filter 2. Ordnung- Was heißt hier „2. Ordnung“ ?
0. Ordnung
2. Ordnung
Rohdaten
Gefilterte Daten
Gefilterte Daten
Filterfläche
Filterfläche
Rand-ArtefakteGauß-Filter 2. Ordnung beseitigt Rand-Artefakte
25“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Form, Welligkeit und Rauheit - Wahl der Filterlängen für die Rauheit
• Für Linienprofile (2D) - siehe DIN EN ISO 4288:
1.3 bis 4
0.4 bis 1.3
0.13 bis 0.4
0.04 bis 0.13
0.013 bis 0.04
RSm [mm]
Periodische Profile
40810 bis 8050 bis 200
12.52.52 bis 1010 bis 50
40.80.1 bis 20.5 bis 10
1.250.250.02 bis 0.10.1 bis 0.5
0.40.08bis 0.02bis 0.1
ln [mm]λλλλc [mm]Ra [µm]Rz [µm]
MeßstreckeGrenzwellen-länge
Aperiodische Profile
• Für Flächenprofile (3D) - siehe ISO 25178 – Teil 2:
… 0.1 / 0.2 / 0.25 / 0.8 / 1 / 2 / 2.5 / 8 / 10 …
Grenzwellenlänge L-Filter [mm] / Quadratische Meßfläche [mm]
Keine Festlegung der Filterlänge abhängig von Periodenlänge bzw. Rauheit mehr. In den meisten Fällen Orientierung an der alten Norm DIN EN ISO 4288 sinnvoll.
26“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Neue 3D-Oberflächenkenngrößen gemäß ISO 25178
Sa, Sq, Sz, Ssk, Sku, Sp, Sv
Sk, Spk, Svk, Smr, Smc, SMR1, SMr2, Vv, Vvv, Vvc, Vm,
Vmp, Vmc
Sdq, Sdr,Sdr, Ssc
Sal, Str, Std
Amplitudenparameter(beurteilt vertikale Ausdehnung und
Form, analog Ra, Rq, Rz…)
Hybrid-Parameter
Räumliche Parameter
Funktionale Parameter
(aus Autokorrelationsfunktion abgeleitet, z. B. Vorzugsrichtung Std, typische
Strukturgröße Sal)
(aus Abbott-Kurve abgeleitet, beurteilen Schmierungsverhalten)
(verbindet vertikal + lateral, z. B. mittlere Steigung Sdq,
mittlerer Krümmungsradius Sds)
27“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Mittlere Rauheit Ra (2D) und Sa(3D)- wohldefiniert ...
X
YZ
Die “Mittlere Rauheit” Ra (bzw. Sa) ist der Mittelwert der absoluten Abweichung der Profilhöhen über einedefinierte Länge (Fläche).
dxdyyxZA
SLxLy
a ∫∫=00
),(1
LdxxZ
LR
L
a ∫=0
)(1
2D
3D
Surface Texture (Surface Roughness, Waviness and Lay)ANSI/ASME B46.1, 2009, American Society of Mechanical Engineers, NY, New York 10017.
28“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Mittlere Rauheit Ra (2D) und Sa(3D)- wohldefiniert … aber limitiert
Zwei Oberflächen mit identischer mittlerer Rauheit Ra (bzw. Sa)
Die beiden Oberflächen sind offenbar sehr unterschiedlich.
Die flächenhaften 3D-Rauheits-Parameter (S-Parameter) wurden entwickelt um diese Unterschiede zu quantifizieren.
29“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Skewness Ssk (Schiefe) und Kurtosis Sku- höhere Momente der Höhenverteilung
dxdyA
ZASqsk
S ∫
= 3
31
dyA
dxZASqku
S ∫
= 4
41
∫
=A
dxdyZAq
S 21
Skewness und Kurtosis bewerten die Höhenverteilung, machen aber keine Aussage über die laterale Verteilung !
Skewness, Schiefe:
Kurtosis
“RMS”-Rauheit:
Asymmetrie in Richtung positiver Höhen
⇒ Ssk > 0
⇒ Spikes ? Grate ?
Ssk > 0
30“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Räumliche S-Parameter Std, SalAutokorrelation zeigt Vorzugsrichtungen
Std = 71°
Sal
Isotrope Oberfläche
Gerichtete Oberfläche
Sal
Sal = typische Riefenbreite
Sal = typische Strukturgröße
Autokorrelationsfunktion AKF
Autokorrelationsfunktion AKF
31“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Räumliche S-Parameter Str, SalAutokorrelation zeigt Vorzugsrichtungen
Str: Texture Aspect Ratio = Direktionalität (isotrop = 1 / gerichtet = 0)
AKFderAbfallsnlangsamstedesLängeAKFderAbfallsnschnellstedesLänge
trS −−−−−−−−−−=
)2.0()2.0(
Sal: Fastest Decay Autocorrelation Length = typische laterale Strukturbreite
2.0−−−−−−−= aufAKFderAbfallsnschnellstedesLängeal
S
Lithoplatte = isotrop Bremsscheibe = gerichtet
32“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Hybride S-Parameter Sds, SscBeispiel: Verschleiß Wellendichtfläche
6 mm-149 mm-1Ssc
166 µm20 µmR = 1/Ssc
247 mm-21130 mm-2Sds
769 nm368 nmSa
verschlissenneu
Welle - neu Welle – starker Verschleiß
Sds = Dichte der lokalen Gipfel pro FlächeSsc = mittlere Krümmung auf lokalen Gipfeln
600 µm
33“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 201212/11/2012 33
Svk
Spk
Sk
Abbott-Kurve / Tragflächenanteile
Mr1 Mr2
Aus der Abbott-Kurve / Tragflächenanteilskurve abgeleitete S-Parameter:
Spk = “Peak Height” .. Region des ersten KontaktsSk = “Core Height”... Kernregion, ArbeitsregionSvk = “Valley Depth” ... “Schmiermittelvorrat”
Funktionale S-Parameter Spk, Sk, SvkSchmierung / tragende Flächen
34“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 201212/11/2012 34
Sci: Core Fluid Retention Index
qA
hVhVci SS vv ÷
−= )()( 80.005.0
Vv(h) ist das Leervolumen bei Höhe h, Vm(h) ist das Materialvolumen bei Höhe h
Svi: Valley Fluid Retention Index
qA
hVi SSv v ÷
= )( 80.0
Gauss-Profil, Sci = 1.56, glatter ⇒ Sci kleiner
Gauss-Profil, Svi = 0.11, Gute Schmierung ⇒ Svi größer
Funktionale S-Parameter Sbi, Sci, SviSchmierung / tragende Flächen
Sbi: Surface Bearing Index
)05.0(h
qbi
SS =
Gauss-Profil, Sbi = 0.61 , Hohes Sbi ⇒ gute tragende Fläche
35“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion
• Gestatten … Bruker !
• Interferometrie – Grundlagen
• Optische 3D-Rauheitsmessung
• Produktionsnahe Anwendungsbeispiele
• Schlußbemerkungen
Übersicht
36“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Viele Industrien nutzen3D-Mikroskopie in der Produktion
• Datenspeicher
– Schreib-/Leseköpfe
– Schreibarm (Planarität)
• Halbleiter / MEMS
– Stufenhöhen
– Stressmessung
– Filmdicken
– Dynamisches Verhalten
• Orthopädische Implantate
– Hüftgelenk, Kniegelenk
– Radius, Rauheit, Defekte….
• Ophtalmik
– Kontaktlinsen, Intraokularlinsen
– Form, Rauheit…
• Mikrofluidik
– Breite, Tiefe, Volumen
37“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
• Über 2000 Hersteller weltweit
• 20% jährliches Wachstum für High-Tech Präzisions-Wälzlager
• Umfassende Metrologie für Kugeln, Walzen, Käfige und Laufflächen benötigt:- Rauheit- Ebenheit- Rundheit- Durchmesser- Schmierung- Verschleiß
Beispiel : Wälzlager
38“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
PSI Messung, Bildfeld 315 µm x 240 µm, Pixel 0.67 µm Pixel
Wälzlagerkugeln- Oberflächentextur
39“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
• Alle Sa-Werte sind deutlich niedriger als der Grenzwert der glattesten Kugel (Grade 5)- Kugeln stärker poliert als nötig, geringerer Durchsatz- Konsequenzen für Schmierung ?
• Keramische Kugeln haben geringste Rauheit aller Kugeln(unabhängig vom Grade)
• Der Spk-Wert (reduzierte Gipfelhöhe) hilft dabei Defekte zu identifizieren, die zu lokal begrenzten Überschreiten der Spezifikation führen können.
• Der Sbi-Wert (Surface Bearing Index) beurteilt die Trageeigenschaften der Oberfläche (je höher, desto besser)
Wälzlagerkugeln- Oberflächentextur
40“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
• Messung der Ölfilmdicke an zwei Kugeln (Grade 25, 1000), eine Stunde nach Entnahme aus Ölbad
• Kugel Grade 5 ist glatter, Ölbelag ist 40 % dünner(im Vergleich zu Kugel Grade 100)
Schmiermittelhaftung wird von Oberflächentextur beeinflußt
Grade 1000:
Filmdicke: 14.22 µm
Grade 25:
Filmdicke: 8.34 µm
VSI Filmdicke Messung, Bildfeld 160 µm x 120 µm, Pixel 0.34 µm Pixel
1. Oberfläche
2. OberflächeFilmdicke
1. Oberfläche
2. OberflächeFilmdicke 2. OberflächeFilmdicke
1. Oberfläche
2. OberflächeFilmdicke
41“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Photovoltaik –Anwendungen der 3D-Mikroskopie
• Breite und Höhe
– Leiterbahnen (Si-Zellen)
– gelaserte Trenngräben (Dünnschicht-Zellen)
• Filmdickenmessung
– (CIGS / CdTe-Zellen)
• Oberflächentextur
– Korrelation Textur – Effizienz ?
Leiterbahn (pc-Si) Trenngraben (Dünnschicht) Oberflächentextur (CIGS)
42“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Photovoltaik – Effizienz korreliert mit 3D-Oberflächen-Parametern
0.1796 mW/mm ² 0.1552 mW/mm ² 0.1319 mW/mm ²
• Oberflächentextur beeinflußt die Effizienz der Zelle
• Ssk, Sbi und andere S-Parameter korrelieren mit der Effizienz
• Keine ausgeprägte Korrelation mit Ra
Effizienz vs. Ssk Effizienz vs. Ra
43“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 201243
Medizinische Implantate- Künstliches Hüftgelenk
• Gleitlager: Großflächiger Kontakt von Kugel und Schale
• Oberflächenbeschaffenheit führt zu
– Geräuschentwicklung
– Vorzeitiger Verschleiß
– Bio-Adhäsion
• Oberflächenbeschaffenheit korreliert mit Morphologie und metabolischer Aktivität von Zellen
• Metrologie liefert:
– Verständnis der Einlaufprozesse
– Korrelation Oberflächenstruktur mit Verschleiß/Geräuschen
1.2mm x 0.9mm
44“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Medizinische Implantate- Künstliches Hüftgelenk / Schale
• Hüftgelenkschale auf Optischem Profilometer NPFLEX:– Superlanger Arbeitsabstand (35 mm)– 5X Objektiv mit 1.3 x 1.2 mm² Bild– Form und Formabweichung
Form
Abweichung von idealer Kugelform
45“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Medizinische Implantate- Künstliches Hüftgelenk / Kugel
• Inspektion mit Taster
– Übersichts-Linienscans über Kugelumfang• 5 mm Linienabstand• 10 min pro Umlauf• ~ 1 h Messzeit (6 Umläufe)
– Identifikation von Problemzonen– Detail-Linienscans über Kugelumfang
• mit 1 mm Linienabstand– Weitere Linienscans Pol-zu-Pol– Gesamtmesszeit kann 3 h betragen.
46“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Medizinische Implantate- Künstliches Hüftgelenk / Kugel
• 3D-Optische Inspektion
– NPflex mit 5-Achsen Translation/Rotation• 1 mm² Bildfeld mit 5x Objektiv• Messzeit 2.5 s pro Bild• Messzeit 3.5 min pro Umlauf
– Höhere Geschwindigkeit: > 3X schneller
• Messzeit 20 min (6 Umläufe)– Bessere Auflösung in 3D:
• Bei 3X kürzerer Messzeit trotzdem1500X mehr Datenpunkte
• Identifizierung von Defekten, Volumenbestimmung in 3D
• Visualisierung von Verschleiß in 3D– Bessere Statistik, Wiederholbarkeit
47“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 201212/11/2012
Herstellung von Hochleistungs LEDs - Patterned Sapphire Substrates (PSS)
• Höhe, Durchmesser und Abstand der PSS-Strukturen– Spezielle Substratstrukturen erhöhen die Effizienz und
die Farbkonsistenz von Hochleistungs-LEDs
– Wafer-Lader mit Kassetten für hohen Durchsatz
– Voll automatisierte Messung und Auswertung
48“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion
• Gestatten … Bruker !
• Interferometrie – Grundlagen
• Optische 3D-Rauheitsmessung
• Produktionsnahe Anwendungsbeispiele
• Schlußbemerkungen
Übersicht
�
49“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Interferometrische Oberflächenmessungen- ContourGT Optische Profilometer
• Kontaktlose, zerstörungsfreie optische Messung des Oberflächenprofils.
• Höchste laterale Auflösung.
• Große Bildfelder.
• Sehr genaue Höhenmessungen durch Interferometrie– Vertikale Auflösung bis in den
Angstrom-Bereich.– Kein Verlust von vertikaler Auflösung
bei niedriger Vergrößerung.
• Präzise, schnelle, 3D-Analyse für– Forschung, Entwicklung,– Prozesskontrolle, Fehleranalyse
50“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Bruker Website: www.bruker-axs.com
Udo Volz Kontakt: [email protected]
Fragen & Antworten
50“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
51“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012
Impressum
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