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DIN-Norm für Dickenmessung von Polymeren

Korrektur von systematischen Messabweichungen bei taktilen und optischen Messverfahren

PTB

Referenzfederbalken aus Silizium zur Bestimmung der Antastkraft von Tastschnittgeräten. Aus der Verbiegung des Balkens an einer Endmarke lässt sich die Antastkraft ermitteln.

PTB

Die Grafik zeigt die systematische Abweichung eines Tastschnittgerätes in Abhängigkeit von der Antastkraft bei der Messung der Dicke einer weichen Schicht auf einem harten Substrat für drei Metalle und zwei Photoresist-Polymere.

07.06.2016: In Mikrosystemen werden metallische Bauteile zunehmend durch solche aus kostengünstigen Polymeren ersetzt. Für die Dickenmessung von Polymeren gibt es nun erstmals die DIN-Norm 32567, die Methoden zur präzisen Messung der Dicke von Polymerschichten beschreibt, sowohl für optische als auch für taktile Oberflächenmessverfahren. Dies beinhaltet Verfahren, mit denen sowohl die Antastkraft als auch der Spitzenradius von Tastschnittgeräten gemessen werden kann – eine Grundvoraussetzung für zerstörungsfreie präzise taktile Profilmessungen.

Vom Bewegungssensor bis zum Smartphone – in vielen Produkten des täglichen Lebens sind zunehmend Bauteile aus Polymermaterialien enthalten. Die gewünschte Funktionsweise dieser Bauteile hängt neben den Abmessungen häufig auch von den mechanischen Eigenschaften dieser Polymermaterialien ab. Die Abmessungen lassen sich optisch oder taktil messen. Allerdings treten bei der Dickenmessung transparenter Materialien mit optischen Messverfahren, aber auch bei der Tastschnittmessung weicher Schichten auf harten Substraten systematische Abweichungen auf. Bei taktilen Verfahren sind die wesentlichen Einflussfaktoren die Antastkraft und der Tastspitzenradius. Bei viskosen Materialien, deren mechanische Eigenschaften zeitabhängig sind, wirken sich auch unterschiedliche Messgeschwindigkeiten auf die Höhe der systematischen Abweichungen aus. Die PTB hat daher in Zusammenarbeit mit anderen europäischen Metrologie-Instituten ein Verfahren zur Korrektur der systematischen Messabweichungen entwickelt, das in der Norm DIN 32567 standardisiert worden ist. In der Norm werden die wesentlichen Einflussfaktoren bei taktilen und optischen Messungen aufgezeigt und Methoden zur Abschätzung, Korrektur und Reduzierung der systematischen Abweichungen beschrieben.

Sie beschreibt anwenderfreundliche Verfahren, mit denen sowohl die Antastkraft, als auch der Tastspitzenradius mit Hilfe von Normalen bestimmt werden können.
Bei optischen Messgeräten sind die wesentlichen Einflussfaktoren die effektive numerische Apertur der verwendeten Optik, die Lage der Reflexionsebene bei volumenstreuenden Materialien und der Phasensprung bei Reflexion. Die Norm beschreibt für Weißlichtmikroskope und fokussierende Messsysteme Verfahren zur Bestimmung dieser Größen und Korrektur von systematischen Abweichungen auf der Basis neuer Normale.

Die Forschungsarbeiten fanden im Rahmen des internationalen MeProVisc-Projektes (Dynamic mechanical properties and long-term deformation behaviour of viscous materials) innerhalb des Europäischen Metrologieforschungsprogramms EMRP statt. Ergebnis des Projektes ist ein Vergleich von Kriechmessungen mit der dynamischen instrumentierten Eindringprüfung für viskose Materialien. Die Standardisierung dieser Verfahren ist im Teil 5 der ISO 14577 Norm zur Nanoindentation geplant. 

Originalveröffentlichung:
Li, Z., Brand, U. und Ahbe, T.; "Step height measurement of microscale thermoplastic polymer specimens using contact stylus profilometry"; Prec. Eng.; 2016

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