Pituusmetrologian tekniset kehitystarpeet jakautuvat kolmeen eri lähtökohtaiseen pai-nopistealueeseen, jotka ovat monin osin päällekkäisiä. Seuraavissa kappaleissa niitä käsitellään yksityiskohtaisemmin.
Kotimaisen teollisuuden, yhteiskunnan ja akkreditoitujen kalibrointilaboratorioiden tar-peet
Teollisuuden ja akkreditoitujen kalibrointilaboratorioiden tarpeiden tyydyttäminen on erityisen tärkeää. Pituuden KML:n on pystyttävä vastaamaan toisaalta uudenlaisten mittalaitteiden ja toisaalta yhä vaativampien valmistustekniikoiden ja jatkuvasti
kasva-vien laatuvaatimusten asettamiin haasteisiin. Kehitystarpeiden tiedostamisessa on oleellista teollisuuden oma aktiivisuus ja KML:n sekä akkreditoitujen laboratorioiden suorat yhteydet teollisuuteen. Pituusmetrologian tutkimuksen on myös tarvittaessa pa-neuduttava sellaisiin aiheisiin, jotka parantavat suomalaisten mittalaitevalmistajien toi-mintaedellytyksiä.
Teollisuuden ja muun yhteiskunnan lähitulevaisuuden tarpeita ovat kyselyjen pe-rusteella mm. seuraavat:
1. Optisten mittalaitteiden kalibroinnit
Sähköisten etäisyysmittareiden, EPLA (eteenpäin leikkaus avaruudessa) yms. laittei-den kalibroinnit sekä järjestelmäkalibroinnit, video- ja lasermittausjärjestelmien kalib-roinnit sekä 3D-skannereiden kalibkalib-roinnit
2. Konepajatekniset mittaukset tai kalibroinnit Referenssikappalepankki laadunvarmistusta varten
Mittauskoneiden kalibrointien kehittäminen ja mittausepävarmuuden arviointi 3D-digitointi ja etenkin suurten kappaleiden koordinaattimittaus
Isojen mittauskoneiden kalibroinnit Isojen sisäreikien dimensiomittaukset
3. Tuotantovälineiden ja tuotteiden mittausten sekä kalibrointien kehittäminen; mm.
elektroniikkateollisuudessa
Nanometrologia sekä miniatyrisoitujen laitteiden ja komponenttien mittaukset
Erilaisten optisten komponenttien mittaukset esim. diffraktiivisten komponenttien di-mensioiden mittaukset
4. Yleinen kalibrointilaitteiden tarkkuuden ja tehokkuuden kehittäminen mm. automa-tisoinnin ja etäpalvelujen avulla
5. Ohjelmistojen verifioinnit ja sertifioinnit.
Perinteisten valmistustekniikoiden rinnalle kehittyy jatkuvasti uusia teknologioita hyö-dyntävää teollista valmistusta. Näistä mainittakoon nanoteknologia ja mikromekaniik-ka. Suomessa TEKES rahoitti vuosina 1997–1999 nanoteknologian tutkimusohjelman, jossa oli mukana 16 eri tutkimusprojektia, joista useissa syntyi kaupallisia sovelluksia.
Tällä hetkellä TEKESillä on käynnissä FinNano tutkimusohjelma, jossa tutkitaan, hyö-dynnetään ja kaupallistetaan nanomittakaavan rakenteita ja ilmiöitä. Nano- ja mikro-teknologia ovat molemmat varsin uusia tekniikan aloja, joiden dimensiomittaustarpeet poikkeavat huomattavasti perinteisten tekniikoiden tarpeista. Uusien alojen kehityksel-le on tärkeää tarvittavien mittauspalvelujen ja mittauksiin liittyvän asiantuntemuksen helppo saatavuus.
Kansainvälisten sopimusten velvoitteet ja pätevyyden osoitus kansainvälisellä fooru-milla
Kansainvälisessä toiminnassa näkyvimpiä näytön paikkoja Suomen pituusmetrologial-le on osallistuminen alan eurooppalaisiin ja CCL:n avainvertailuihin MRA-sopimuksen vaatimusten mukaisesti. Näistä vertailuista poisjäänti tai niissä epäonnistuminen voi pahimmillaan johtaa siihen, että ko. kalibrointipalveluja ei Suomen osalta saada MRA-sopimuksen CMC-liitteeseen ja että niiltä osin Suomessa tehtyjen mittausten
jäljitettä-vyyteen ja laatuun kohdistuu selkeitä epäilyksiä. Pituusmetrologian avainvertailuiksi CCL ja EUROMET ovat päättäneet seuraavat avainvertailut:
BIPM.L-K11 Lasertaajuudet käynnissä
EUROMET.L-K1 Mittapalat valmis 2002, uusi 2007?
EUROMET.L-K2 Pitkät mittapalat valmis 2005 EUROMET.L-K3 Kulmanormaalit (polygonit) alkaa 2006 EUROMET.L-K4 Halkaisijanormaalit käynnissä EUROMET.L-K5 1D CMM normaalit käynnissä
(porrasmittapala ja pallojono)
EUROMET.L-K6 2D CMM normaalit käynnissä
(reikälevy / pallolevy)
EUROMET.L-K7 Piirtomitta alkaa 2006-7
EUROMET.L-K8 Pinnankarheus suunnitteilla 2007-8
CCL-Nano1 Viivanleveys alkaa 2006
CCL-Nano2 Askelkorkeus/syvyysnormaalit valmis
CCL-Nano3 Piirtomitat valmis
CCL-Nano4 1D hilat valmis
CCL-Nano5 2D hilat käynnissä.
Edellä listattujen vertailujen lisäksi on vuosittain joitain täydentäviä vertailuja eri mitta-uksiin liittyen. Suomen pituusmetrologian tavoitteena on teollisuuden teknisten kau-panesteiden madaltamiseksi osallistua kaikkiin varsinaisiin avainvertailuihin ja tarpeen sekä valmiuksien mukaan nanovertailuihin. Moniin edellä mainittuihin vertailuihin on joko MIKESsä tai TTY TTEK:ssa olemassa riittävä laitteisto. Joiltain osin on kuitenkin vielä paljon tekemistä joko laitehankinnan/-rakentamisen tai suorituskyvyn hiomisen kannalta. MIKESin uusi LEGEX koordinaattimittauskone yhdessä TTY TTEKin vuosien aikana kertyneen osaamisen kanssa nostaa Suomen huipputasolle myös koordinaat-timittauksissa.
Valmisteilla olevassa BIPM.L-K11 teknisessä päivityksessä Suomi on valittu yhdeksi kolmesta EUROMET/COOMET-alueen absoluuttitaajuuksien mittauspaikaksi.
Tutkimus päivittäisen toiminnan ja tuotekehityksen tukena sekä tulevaisuuden tarpeita varten
Tutkimustoiminnan harjoittaminen on välttämätöntä laboratorioiden osaamisen ja val-miuksien kehittämisessä. Metrologian ja teollisuuden historia osoittaa, että teollisuu-dessa käytettävä tarkkuustaso paranee vuosi vuodelta. Säilyttääkseen asemansa ja hyödyllisyytensä kansallisen mittausjärjestelmän tarkkuustason on pysyttävä aina pari askelta teollisuuden välittömien tarpeiden edellä. Ainoa keino tähän on jatkuva toimin-nan kehittämien tutkimuksen kautta. Tulevaisuuden tarpeita ennakoiva tutkimustoimin-ta on siksi tärkeää. Laboratorioiden on pystyttävä osallistumaan metrologian kehittämi-seen myös kansainvälisellä tasolla.
Edellä mainituista erityisesti nanometrologia on kasvava alue, jonka kehittäminen tu-kee uutta teknologiaa kehittävää teollisuutta. Nanoteknologiassa monet ensimmäiset kaupalliset sovellukset hyödyntävät nanopartikkeleita. Nanopartikkelit ja niiden ominai-suudet ovat nousseet esille julkisessa keskustelussa mm. ympäristö- ja terveysriskite-kijänä. MIKESin onkin valmistauduttava siihen, että nanopartikkelin karakterisointi ha-vaitaan tärkeäksi myös terveys- ja lainsäädännöllisistä syistä eikä ainoastaan tuotteen
laatuominaisuuksien kannalta. Myös muut nanoteknologian tuotteet tulevat tarvitse-maan tuotantovaiheeseen edetessään jäljittäviä mittausmenetelmiä ja -palveluita.
MIKESiin on viimeisen reilun 10 vuoden aikana tutkimustoiminnan ja laitehankintojen tuloksena kertynyt varsin kattava mittalaitevalikoima. Lähitulevaisuudessa on väistä-mättä panostettava myös näiden laitteiden elinkaaren pidentämiseen tai korvausinves-tointeihin. Monissa tapauksissa laitteiden tarkkuustasoa ja käytettävyyttä voidaan pa-rantaa melko pienillä työ- tai komponenttipanostuksilla kuten esim. tietokoneen päivi-tyksellä. Toisinaan voidaan joutua tekemään suurempia uusinvestointeja ja työmääräl-tään suurempia mittausohjelmistojen uudelleen kirjoittamisia.
4.5 Tavoitteet vuosille 2007–2011
Seuraavassa on listattu tärkeimmiksi katsottuja tutkimushankeaiheita vuosille 2007–
2011 sekä tavoitteita liittyen koulutukseen ja asiantuntijapalveluihin:
Aihealueita vuosien 2007–2011 kehitysprojekteille:
• Metrin realisoinnin kehittäminen
o tietoliikenneaallonpituuksien jäljitettävyys taajuuskamman kautta o kampainterferometria
• nanometrialueen kalibrointi- ja mittauspalveluiden kehittäminen o jäljitettävä AFM
o laserdiffraktio kalibrointi hiloille o nanopartikkelien karakterisointi
o millimetrialueen mittaukset, nanoCMM o yhden atomikerroksen paksuusnormaalit o viivanleveyden määrittäminen
o mittauskärki-näyte vuorovaikutus
• mikrometrialueen kalibrointi- ja mittauspalveluiden kehittäminen o interferenssimikroskopia, confocal -mikroskopia
• koordinaattimittausten kehittäminen
o 2-D, 3-D paikoitustarkkuus/virhe-erottelu/itsekalibrointi o tarkkuuden parantaminen systemaattisia virheitä korjaamalla o online CMM mittausepävarmuuden määrittäminen
o videomittauslaitteiden kalibrointien kehittäminen o isojen mittauskoneiden kalibroinnit
• suurten kappaleiden/etäisyyksien mittausten kehittäminen
o optisten mittauslaitteiden (takymetri, teodoliitti, ym.) kalibrointien kehittä-minen
o 3-d digitointi
o suurten kappaleiden sisäreikien mittausten kehittäminen
• olemassa olevien vanhempien laitteiden ja menetelmien päivittäminen o SIP pituudenmittauskone
o NPL-TESA mittapalainterferometri o Taylor-Hobson muodonmittauskone o Mittapalakomparaattori
o 30 m mittaradan osittainen automatisointi o porrasmittapalainterferometrin kehittäminen o jodistabiloitujen lasereiden elektroniikat
• menetelmien kehittäminen
o erilaisten matemaattisten ja muiden menetelmien tutkimien systemaattis-ten virheiden eliminoimiseksi esim. ympyrämäisyys, tasomaisuus yms.
mittauksissa
o uusien mittausmenetelmien/anturitekniikoiden tutkiminen esim. ilman tai-tekertoimen määrittämiseksi
o konenäköön perustuva kalibrointien automatisointi
o uusien menetelmien kehittäminen tarkkuuskoneistettujen komponenttien tarkistuksiin (mm. CERN CLIC)
o etäpalvelut esim. koneiden kalibroinneissa sekä asiantuntijapalvelut.
Ulkopuolisen tutkimus- ja kehitysrahoituksen kasvattaminen on yksi tärkeistä lähi-vuosien tavoitteista. Kotimaan toiminnassa levitetään tietoa kalibrointien ja jäljitettävien mittausten merkityksestä teollisuudelle ja julkiselle sektorille. Samalla markkinoidaan MIKESiä tutkimus- ja tuotekehityskumppanina sekä yrityksille että tutkimuslaitoksille.
Muun muassa seuraavia keinoja käytetään ulkopuolisen rahoituksen lisäämiseksi:
• Aktiivinen tiedotus ja koulutustoiminta
o tiedottaminen kalibrointi- ja asiantuntijapalveluista
o osallistuminen seminaareihin ja verkottuminen eri alojen yhteistyöorgani-saatioihin (SLY, Finpro, mikro-nano osaamiskeskus, SAS yms.)
o vuosittaiset seminaarit: Mittaukset konepajassa, Pituusmittausten epä-varmuuslaskenta, käyttäjäklubien (esim. lasermittauskerho, koordinaat-timittauskerho, Scanning probe microscopy (SPM) -kerho) koulutustilai-suudet
• Asiantuntijapalveluiden profilointi ja markkinointi
o MIKESin pituusryhmä tarjosi erilaisia asiantuntijapalveluita vuonna 2005 noin 80 000 €. Palvelut koostuivat erilaisista alkaen erikoismittauksista aina mittausjärjestelmien konsultointiin. Lähivuosina tavoitteena on asi-antuntijapalveluiden lisääminen mm. markkinoinnin avulla.
o tutkimuspalvelujen markkinointi mm. pk-yrityksille TUPAS-projekteja.
MIKESin pituusmetrologian laaja-alainen osaaminen mahdollistaa tutkimus- ja tuoteke-hityspalvelujen tarjoamisen mitä erilaisempiin sovelluksiin. Seuraavilla aihe-alueilla odotetaan todennäköisimmin teollisuus- tai TEKES-rahoitteisen tutkimuksen lisäänty-mistä:
• konenäköpohjaiset automatisoidut mittaussovellukset
• spektroskopiaa hyödyntävien mittausten kehittäminen
• materiaalien dimensionaalisten ominaisuuksien tutkimukset
• konepajateknisten mittausongelmien ratkaisu
• hienomekaanisten osien valmistusprosessin laadunhallinta.
4.6 Lähdeluettelo
1. Vuosikirja 2005, Teknologiateollisuus.