Nanoscribe: Ihr Unternehmen ist auf die Herstellung von Kalibriernormalen und damit auf Instrumente der optischen Präzisionsmesstechnik spezialisiert. Wozu dienen Kalibriernormale und was ist das Besondere an Ihrem Universalnormal?

Matthias Eifler: Kalibriernormale braucht es zur Überprüfung von Systemen, die zur optischen Messung von Oberflächen eingesetzt werden. Sie sind in vielen Bereichen gefragt. Denn bei Fertigungsprozessen in der Industrie, wie im Maschinenbau oder im Bereich Automotive, ist zwischen der geometrischen und tatsächlichen Bauteiloberfläche immer auch mit Gestaltabweichungen zu rechnen. Um diese Abweichungen mit Messgeräten überhaupt exakt ermitteln zu können, ist es notwendig, die Genauigkeit der Messgeräte immer wieder zu überprüfen. Kalibriernormale helfen dabei, Unsicherheitsbilanzen abzuleiten und die in Folge der Messungen identifizierten Korrekturen des Messgerätes direkt vorzunehmen. Das Universalnormal wiederum ist ein besonderes Kalibriernormal, denn es ist im Bereich optischer Messtechnik das weltweit einzige Kalibriernormal, das eine ganzheitliche Messgerätekalibrierung mit nur einer Probe möglich macht.

Das Universalnormal ist also der Allrounder unter den Kalibriernormalen?

Matthias Eifler: Zugespitzt kann man das so sagen. Der große Vorteil des Universalnormals für industrielle Anwender ist, dass man mit nur einer einzigen Probe eine vollumfängliche Kalibrierung verschiedenster Merkmale von optischen Messgeräten durchführen kann, die in ihrer Genauigkeit bis weit in den Submikrometerbereich reicht.

Wie kann man sich denn Form und Struktur einer solchen Referenz vorstellen?

Matthias Eifler: Für die Kalibrierung flächenhafter Messgeräte sind viele unterschiedliche Eigenschaften relevant. Nicht nur die x-, y- und z- Achsen werden geprüft, sondern auch das Rauschen und das Auflösungsvermögen der Messgeräte. Der hochpräzise Nachweis der Konformität jeder einzelnen Eigenschaft erfordert oft ein eigenständiges Normal, also spezifische Strukturen mit teils komplexen Geometrien. Mit der Präzision des Kalibriernormals selbst steht und fällt die Verlässlichkeit der Kalibrierung. Nur Fertigungsverfahren mit höchster Auflösung und verlässlicher Wiederholbarkeit kommen überhaupt in Frage. Die additive Mikrofabrikationstechnologie von Nanoscribe eignet sich optimal zur Herstellung unseres wirklich anspruchsvollen Universalnormals.

Welche Qualitäten sind denn für die Herstellung Ihres Universalnormals gefragt?

Julian Hering: Ein entscheidender Vorteil für uns ist die hohe Präzision der 3D-Drucktechnologie von Nanoscribe. Zugute kommt uns dabei auch die Designfreiheit des additiven Fertigungsverfahrens. Nahezu jede Geometrie und auch feinste Strukturen sind druckbar. Ein dritter großer Pluspunkt ist, dass wir mehrere Kalibriernormale auf einer einzigen Probe platzieren und in einem Schritt fertigen können. Denn industrielle Anwender optischer Messgeräte sind an möglichst flexibel verwendbaren Kalibrierstrukturen interessiert, die verschiedene Messaufgaben unterstützen. Unsere mit dem hochpräzisen 3D-Druck hergestellten Kalibriernormale decken bereits jetzt alle Standards der künftigen Messtechnik-Norm DIN EN ISO 25178-700 ab.

Und wie kann man sich die Strukturen zur Kalibrierung konkret vorstellen?

Julian Hering: Die Auswahl der Topografien liegt in den metrologischen Merkmalen begründet. Sie sind alle in der ISO-Norm 25178-600 gelistet. Die in dieser Norm definierten Eigenschaften müssen zur Spezifizierung eines Messgerätes herangezogen werden. Um diese Eigenschaften abzubilden, haben wir insgesamt 24 Strukturen kombiniert und zum Teil selbst entwickelt. Zur Ermittlung der Messgeräteauflösung sehen wir zum Beispiel zwei separate Strukturen vor: Einmal den sogenannten Siemens-Stern, bei dem eine sternförmige Struktur dazu dient, das kleinstmögliche Rechteck zu finden, welches noch durch das Messgerät übertragen werden kann. Beim sogenannten Chirp-Normal handelt es sich um Sinuswellen mit variierender Wellenlänge. Auch hier wird die kleinste Sinuswelle ermittelt, die mit dem Messgerät noch erfasst werden kann. Hinzu kommen weitere Strukturen zur Überprüfung der gesamten Rauheitsmessung, der einzelnen Achsen und des Messgeräterauschens. Die Oberflächen all dieser Strukturen sollten möglichst wenig vom Design abweichende Krümmungen oder Rauheiten aufweisen, wie sie bei der Herstellung durch Proximity- oder Vignettierungseffekte zustande kommen.

Aber es verwundert schon, dass Sie so viele unterschiedliche Strukturen auf Ihrem Universalnormal versammeln.

Julian Hering: Das liegt schlicht und ergreifend an der Vielfalt unterschiedlicher Messverfahren und den unterschiedlichen Messfeldgrößen. Einige Messverfahren haben zum Beispiel mit der Messung von Kanten oder großen Steigungen ihre Probleme. Andere Messverfahren sind wiederum auf besonders glatte Oberflächen spezialisiert. Deshalb kommt je nach Messtechnik die eine oder die andere Struktur zum Einsatz. Die Ergebnisse können durchaus etwas unterschiedlich sein. Bei vielen gängigen Verfahren aber bewegt sich die gemessene Strukturauflösungsgrenze in einer ähnlichen Größenordnung.

Wie gelang es Ihnen als noch junges Unternehmen, Ihre Kalibriernormale weltweit als Standard zu etablieren?

Matthias Eifler: Wir sind in ständigem Austausch mit den verantwortlichen Gremien der ISO und sind gut informiert über die aktuellen Entwicklungen und Bestrebungen zur Normung optischer Messtechnik. Außerdem haben wir bei dem zuständigen ISO-Komitee kürzlich einen internationalen Ringvergleich durchgeführt und dabei unsere Normale von verschiedenen Mitgliedern der Normungsgruppe messen lassen. So konnten wir wichtige Daten darüber sammeln, welche Ergebnisse die Anwender unterschiedlicher Messgeräte mit unserem Universalnormal erzielen.

Warum sind Ringvergleiche denn so wichtig für Sie?

Matthias Eifler: Der internationale Ringvergleich liefert uns einen wichtigen Beleg für die Qualität und universelle Anwendbarkeit unserer 3D-gedruckten Kalibriernormale. Denn die optische Messtechnik ist eine vergleichsweise junge Disziplin. Auch viele Normen für flächenhafte Messaufgaben gibt es erst seit rund zehn Jahren, sodass zum Thema Kalibrierung bislang noch wenig Erfahrungen und verlässliches Datenmaterial vorliegen. Der Ringvergleich hat uns zunächst einmal gezeigt, wie dringend wir eine Normung für verlässliche Messtechnik benötigen. Außerdem wurde durch diesen weltweiten Vergleichstest deutlich, dass mit unseren 3D-gedruckten Strukturen auch kleinste Unterschiede zwischen verschiedenen Messgeräten aufgedeckt werden können. Und das ist natürlich ein Beleg für die Präzision des 3D-Drucks zur Herstellung der Normale. Man kann das so verdeutlichen: Nur wenn die Präzision bei der Fertigung der Kalibriernormale deutlich höher ist als die des zu kalibrierenden Messgerätes, ist die Kalibrierung und damit die Messgenauigkeit ausreichend präzise.

Das bedeutet dann auch, dass mit den internationalen Ringvergleichen auch die Präzision unserer Mikrofabrikationstechnologie auf dem Prüfstand steht.

Matthias Eifler: Ja, genau. Wir hatten unter anderem im Rahmen des Vergleiches die Möglichkeit, über die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig Referenzdaten mit dem dortigen metrologischen Rasterkraftmikroskop (Anmerkung der Redaktion: Atomic Force Microscope, kurz: AFM), das auf einer „Nanomessmaschine“ basiert, zu generieren. Es gilt als weltweit anerkanntes Referenzsystem und kann bis in den Pikometerbereich hinein positionieren. Diese Messergebnisse werden uns helfen, ein möglichst exaktes Abbild der Strukturen auf unseren Normalen zu erhalten.

Jetzt machen Sie es aber spannend, können Sie die ermittelte Genauigkeit noch etwas genauer spezifizieren?

Julian Hering: Wir haben kürzlich mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt an einem Chirp-Normal gearbeitet und für diese komplexe Struktur aufgelöste Sinuswellen mit 600 bis 800 Nanometer erreicht. Eine solch hohe Strukturauflösung schafft eigentlich kaum ein optisches Messgerät. 800 Nanometer klingt jetzt vielleicht nicht besonders ambitioniert. Das mag für ein normales Liniengitter gelten, aber für Messungen von beispielsweise Topografien mit einer Amplitude, also mit definierten Wellen und einem starken Proximity-Effekt, hätten wir mit einer solchen Präzision nicht gerechnet. Beim 3D-gedruckten Kalibriernormal profitieren wir entscheidend von der sehr guten Auflösung der Mikrofabrikationstechnologie von Nanoscribe. Mit einem Feintuning von Laserleistung und Trajektorien optimieren wir den Druck der Strukturen weiter. So haben diese deutlich feinere Strukturen als optische Highend-Mikroskope auflösen können.

Wer braucht die hochpräzisen Universalnormale?

Matthias Eifler: Einer unserer ersten Kunden entwickelte zum Beispiel einen neuartigen Sensor. Er hatte aber keine konkrete Vorstellung davon, wie präzise das Messsystem tatsächlich funktionieren wird. Wir haben seinen Messgerätprototypen mit dem Universalnormal qualifiziert und uns dabei sehr genau angeschaut, wie gut das System arbeitet. Mit dieser Analyse konnten wir dem Kunden für die Entwicklung des Seriensystems wertvolle Hinweise geben, auch zu Eigenschaften, die über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen. Aber wir verkaufen die Kalibriernormale auch an alle Hersteller und Nutzer optischer Oberflächenmesstechnik, die ihre Messsysteme qualifizieren müssen. Das ist praktisch in allen Industriebereichen erforderlich, wo es um die Fertigung von Oberflächen mit besonders hoher Präzision geht.

Zum Schluss die Frage: Wie können wir als Anbieter von Mikrofabrikationslösungen Sie in Zukunft vielleicht unterstützen?

Julian Hering: Wichtig ist für uns höhere Strukturierungsgeschwindigkeit ohne Verlust an Präzision, das wäre ganz wunderbar. Wir brauchen nämlich einerseits die hohe Auflösung, und gleichzeitig großflächige Strukturen – das braucht dann schon seine Zeit.

Nanoscribe: Hierfür ist womöglich die Zwei-Photonen-Graustufenlithografie (2GL ®) und somit unser maskenloses Lithografiesystem Quantum X für Sie interessant. Damit können Sie das Produkt aus Geschwindigkeit und Präzision um mindestens den Faktor 10 steigern. Für Ihre Strukturen, die ja allesamt 2.5D-Topografien sind, würde das ideal passen. Es wäre wirklich faszinierend zu sehen, wie viel weiter Sie mit Nanoscribe Quantum X bei den Themen Geschwindigkeit und Präzision kommen. Wir sollten das gemeinsam ausloten.