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Eine 5000stel Haaresbreite

Messtechnik-Entwicklungsprojekt Eine 5000stel Haaresbreite

Zehn Nanometer. Diese maschinelle Mess- und Bearbeitungsgenauigkeit will eine Industriekooperation von Busch Microsystems Consult GmbH mit der Hochschule für angewandte Kunst und Wissenschaft (HAWK) erreichen. Im Erfolgsfall kann die industrielle Messgenauigkeit um den Faktor fünf bis zehn steigen.

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Quelle: Christina Hinzmann

Göttingen. Zehn Nanometer, das sind etwa der fünftausendste Teil der Dicke eines menschlichen Haares oder rund 100 Atomlagen. Technisch machbar ist diese Bearbeitungsgenauigkeit im Bereich von 30 bis zehn Nanometern zwar heute schon – aber lediglich manuell. „Die Genauigkeit einer Maschine liegt bei 10000 bis 20000 Nanometern. Alles darüber hinaus muss manuell gemacht werden“, so Prof. Karl-Josef Schalz von der Fakultät Naturwissenschaft und Technik der HAWK, der gleichzeitig auch Vorstandsvorsitzender des Göttinger Messtechnik-Netzwerks Measurement Valley ist. Das erfordert Zeit und viel Knowhow des jeweiligen Bearbeiters.

„Diese Handarbeit, die im Extrembereich erforderlich ist, soll durch die neu zu entwickelnde Technik automatisiert werden“, erklärt Winfried Busch, Inhaber von Busch Microsystems. „Man überspringt quasi die bisherige Distanz zwischen manuell und automatisch erreichbarer Genauigkeit.“ Busch baut mechanische Präzisionssysteme, auf denen die Kunden Messsensoren oder Laser anbringen und diese mit externer Software etwa in der Produktion von Elektronik oder Flachbildschirmen einsetzen – Coherent in Göttingen ist beispielsweise ein Kunde von Busch. „Der Endverbraucher kennt die Technik nicht, aber sie hat eine Breitenwirkung überall im Alltag“, betont Schalz.

Die Idee zu dem Projekt kommt aus dem praktischen Bedarf der industriellen Fertigung, die immer höhere Ansprüche an Mess- und Bearbeitungsgenauigkeiten stellt. Die Präzision werde derzeit insbesondere durch die Führungen begrenzt, auf denen sich die Messkomponenten bewegen. Diese sogenannten Ablauffehler aufgrund geringster Unebenheiten ließen sich technisch kaum noch verringern, so Schalz.

Die jetzt zu entwickelnde „Ultra-Präzisions-Geradheitsmessmaschine“ soll über einen Umweg Abhilfe schaffen. Mit ihr soll die Geradheit von Referenzlinealen ultrapräzise vermessen werden können, die dann wiederum in Bearbeitungs- und Messmaschinen eingebaut werden. Die Abweichungen der Bewegungen von Maschinenkomponenten gegenüber dem Referenzlineal werden dann in Echtzeit gemessen und durch eine Software weggerechnet. „So lässt sich die Genauigkeiten merklich verbessern, ohne bessere Maschinenführungen zu benötigen“, sagt Schalz.

Das Projekt hat ein Finanzvolumen von einer halben Mio. Euro, die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen bewilligte innerhalb von nur sechs Wochen etwa zwei Drittel der Summe als Förderung, der Rest kommt von Busch. „Es war für uns erstaunlich, dass die Förderzusage so schnell kam“, sagt Busch. Für Schalz ein Zeichen, wie hoch das Innovationspotenzial eingeschätzt wird. „Gleichwohl gibt es das Risiko, dass wir das Ziel nicht zu 100 Prozent erreichen“, so Schalz. Denn die technischen Herausforderungen sind enorm: „Fehler durch Wärme sind unsere größten Gegner.“ Denn schon bei geringen Temperaturveränderungen kann sich das Material des Referenzlineals verformen. Aber auch Vibrationen aus unterschiedlichen Quellen oder elektromagnetische Felder und selbst die Art der Abtastung des Lineals können Einfluss auf die Messergebnisse haben. „Doch unsere ersten Ergebnisse sind vielversprechend.“

Eine Frage des Maßstabs

Ein Millimeter wird in 1000 Mikrometer (μm) unterteilt:  250 μm  messen etwa die kleinsten bekannten Käferarten, das menschliche Haar beginnt bei etwa  50 μm  Durchmesser. Ein Mikrometer wiederum wird in 1000 Nanometer (nm) unterteilt: Einen Durchmesser von etwa  110 nm  hat das Aids-Virus. Die Zielmarke der HAWK-Industriekooperation liegt hingegen bei  10 nm . Einen noch einmal deutlich kleineren Durchmesser hat im Vergleich dazu die Doppelhelix der DNA mit  2 nm . Die nächste kleinere Maßeinheit ist der Pikometer (pm) – ein Nanometer besteht aus 1000 pm. Eine Größe von ungefähr  135 pm  hat beispielsweise das Gold-Atom. Das kleinste Atom, der Wasserstoff, ist hingegen nur etwa  25 pm  durchmessend. Nach dem Pikometer kommt der Femtometer (fm): 1000 fm sind ein Pikometer. In diesem Messbereich liegt unter anderem die Größe eines Neutrons mit etwa  1,7 fm .

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