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Laufende Projekte

Im Bereich Fertigungsmesstechnik werden unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Tino Hausotte zurzeit folgende Forschungsprojekte bearbeitet:

Verbundkoordinator

Marion Merklein, Prof. Dr.-Ing. habil., Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Projektbearbeitung

Projektbeschreibung

Mit der Blechmassivumformung wird ein neues Fertigungsverfahren bereitgestellt, welches im Vergleich zur spanenden Fertigung die Herstellung von Präzisionsbauteilen in einer wesentlich kürzeren Taktzeit und mit geringerem Ressourcenbedarf ermöglicht. Zusätzlich sind die Fertigung komplexerer Bauteile und damit die Integration filigraner, funktionstragender Geometrieelemente erreichbar. Da einerseits eine hohe Genauigkeit – vergleichbar mit spanend gefertigten Präzisionsteilen – gefordert ist, andererseits aufgrund der hohen Integrationsdichte mehr Geometrieelemente in kürzerer Zeit zu prüfen sind als bei konventioneller Fertigung, steigen die Anforderungen an eine taktzeitgerechte Prüfung.

Um die Anforderungen für die Messung der Blechmassivumformteile mit feinen Nebenformelementen zu erfüllen, also lokal ausreichend hohe Auflösung, großer Messbereich, kurze Mess- und Prüfzeiten sowie Variantenflexibilität zu gewährleisten, wurde in der ersten Phase das neuartige Sensorkonzept der mehr­skaligen Multi-Komponenten-Streifenprojektion mit unterschiedlichen Messbereichen erarbeitet. Ziel der zweiten Phase war es, eine robuste, bedienerunabhängige fertigungsnahe Messung für die Blechmassivumformung zu realisieren. Hierfür wurden Strategien zur Kalibrierung des Messsystems erarbeitet, die eine Datenfusion nach einer Neupositionierung der Sensoren ermöglichen. Zusätzlich wurden aufbauend auf den bisherigen Ergebnissen Methoden erforscht, wie weitere Messverfahren, z. B. endoskopische Streifenprojektion (Teilprojekt B6), Fokusvariation oder rasternde Messungen mit hochauflösenden optischen Sensoren, die mit der Streifenprojektion kombiniert werden können.

In der gegenwärtigen dritten Phase wird auf Basis der bisherigen Ergebnisse der durchgängige automatisierte Messprozess komplettiert. Hierzu wird in einem ersten Schritt eine vollautomatische und bedarfsgerechte Kalibrierung für das mehrskalige Multisensor-Messsystem untersucht und entwickelt. Damit können einerseits die derzeit noch erforderlichen, manuellen Eingriffe in die Positionierung und Digitalisierung des eigens erarbeiteten Kalibrierkörpers ersetzt werden und anderseits die Bestimmung des notwendigen Kalibrierintervalls durch Methoden zur Bewertung der Kalibrierqualität und daraus abgeleitete Kalibrierintervalle wissenschaftlich begründet werden. In einem zweiten Schritt gilt es, die gleichzeitige Erfassung von diffus und gerichtet reflektierenden Oberflächen zu ermöglichen. Insbesondere hochreflektive Bereiche lassen sich auf Grund der Überbelichtung mit dem Streifenlichtprojektionsverfahren nicht ausreichend sicher erfassen. Auf Basis der Analyse des Einflusses der Reflektivität und der Neigungswinkel der Oberflächen auf das Messergebnis, wird ein Messsystem und -verfahren zur simultanen Streifenlichtprojektions-messung und deflektometrischen Messung von gerichtet reflektierenden Bereichen untersucht und entwickelt. Weiterhin ist der Einfluss des prozessbedingten Restschmierstoffs auf die Messergebnisse zu bestimmen, indem die Eigenschaften der auftretenden Dünnschichten auf dem Bauteil auf Grundlage verschiedener Schmierstoffmischungen hinsichtlich der Schichtausbildung und Verteilung der Schmierstoffe vor und nach der Umformung untersucht werden. Dies ermöglicht die Bestimmung und Korrektur der lokalen, systematischen Messabweichung durch den Schmierstofffilm.

Messsystem

Messsystem

Förderung

Dieses Forschungsprojekt wird seit 2009 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregio 73 „Umformtechnische Herstellung von komplexen Funktionsbauteilen mit Nebenformelementen aus Feinblechen – Blechmassivumformung“ sowie durch die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gefördert.

Laufzeit

01.01.2017 bis 31.12.2020 (der dritten Phase)

Projekthomepage

Verbundkoordinator

Dietmar Drummer, Prof. Dr.-Ing., Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Projektbearbeitung

Projektbeschreibung

Die Qualität von SLM-gefertigten Bauteilen (englisch: Selective Laser Melting, Abk. SLM) wird von vielen unterschiedlichen Faktoren beeinflusst. Schwindung, Verzug, Lunker und Materialeinschlüsse, sowie Schwankungen der Oberflächenrauheit wirken sich auf die Funktionalität der Bauteile aus.

Um bereits während der Bauphase die Qualität und Maßhaltigkeit von additiv gefertigten Bauteilen überprüfen zu können, werden im Teilprojekt C4 die wissenschaftlichen Grundlagen für eine inkrementellen Inline-Prüfung basierend auf optischen Messprinzipien untersucht. Am Beispiel eines SLM-Prozesses für Polymere werden angepasste Messstrategien, optische Koordinatenmesssysteme und Sensorkühlkonzepte realisiert und evaluiert. Dabei kann gezeigt werden, dass alleine mit einer ausschließlich dimensionelen inkrementelle Messung nicht alle Ursachen für Bauteilabweichungen eindeutig zugeordnet werden können. Für eine  zielgerichtete Korrektur der Fertigungsparameter sind die daraus resultierenden  Unsicherheiten damit noch zu groß.

Gegenstand weiterer Untersuchungen ist es daher, die bisherige fotogrammetriebasierte Inline-Messtechnik einerseits um die Messung weiterer Einflussgrößen wie Laserleistung, Schmelzpoolgröße sowie Anlagen- und Messsystemtemperatur zu erweitern, andererseits Referenzierungssysteme zur Verkürzung des metrologischen Kreises und zur Reduzierung der Messunsicherheiten aufzubauen. Damit können Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge für Fertigungsabweichungen besser quantifiziert werden, was zu einem verbesserten Prozessverständnis beiträgt, eine Korrektur dieser Einflüsse ermöglicht sowie die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit von SLM-Bauteilen signifikant verbessert.

Eine Verknüpfung der gewonnenen Erkenntnisse und Informationen soll zu einer Bauteilüberwachung führen, wodurch ein Trend zur Abweichung von der idealen Geometrie erkannt und korrigiert werden kann.

Referenzieren des Pulverbettes für Schichtversatz- und Schichtdickenmessung

Referenzieren des Pulverbettes für Schichtversatz- und Schichtdickenmessung

Dynamische optische und thermografische Messung des Schmelzpools

Dynamische optische und thermografische Messung des Schmelzpools

Förderung

Dieses Forschungsprojekt wird seit 2011 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 814: „Additive Fertigung“ sowie durch die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gefördert.

Laufzeit

01.01.2013 bis 31.10.2016 (der zweiten Phase)

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Verbundkoordinator

Sandro Wartzack, Prof. Dr.-Ing., Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Projektbearbeitung

Projektbeschreibung

Das Ziel dieses Teilprojektes besteht in der Etablierung von Methoden zur Bestimmung und Nutzung der Einzelpunktmessunsicherheiten bei flächenhaften Messungen zur Erfassung der zu erwartenden systematischen Gestaltabweichungen aus der Fertigung. Darauf aufbauend soll eine geeignete Methodik zur Beschreibung bzw. Approximation dieser systematischen Gestaltabweichungen mithilfe adäquater Fusions- und Ausgleichsalgorithmen entwickelt werden. Bei diesen Algorithmen ist eine Gewichtung der Einzelmesspunkte in Abhängigkeit ihrer Unsicherheit vorgesehen. Weiterhin sollen Unsicherheitsangaben für die Approximation auf Basis der Residuen und Einzelpunktunsicherheiten ermittelt werden. Mithilfe dieser Informationen erfolgt anschließend eine Optimierung der Messungen durch an die systematischen Fertigungsabweichungen und die Einzelpunktunsicherheiten angepasste Messstrategien. Dies wird durch Optimierung der Anzahl und Verteilung an Einzelpunkten im Fall taktiler Verfahren, der Anzahl und Ausrichtung der Einzelaufnahmen bei dem zu untersuchenden optisch flächenhaften Verfahren sowie durch die gewichtete Fusion von Datensätzen mit abweichenden Orientierungen des Bauteils bei volumetrisch röntgentomografischen Verfahren ermöglicht.

Förderung

Dieses Forschungsprojekt wird seit 2016 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projektes FOR 2271: „Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden“ gefördert.

Laufzeit

01.05.2016 bis 30.04.2019 (der ersten Phase)

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Projektbearbeitung

Projektbeschreibung

Die Miniaturisierung und Mikrostrukturierung komplexer Bauteile und die damit einhergehend immer enger werdenden Fertigungstoleranzen stellen die Messtechnik vor neue Herausforderungen. Mit speziellen Mikro- und Nanokoordinatenmesssystemen ist es heute bereits möglich hochgenaue, dreidimensionale Relativbewegungen zwischen Sensor und Messobjekt in Bereichen von einigen Millimetern und mit Auflösungen im Nanometer- oder Sub-Nanometerbereich zu realisieren. Jedoch besteht noch Bedarf an hochgenauen Sensoren zur Antastung der Messobjekte, die solchen herausfordernden Messaufgaben gewachsen sind. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Erarbeitung der Grundlagen, die Entwicklung und Untersuchung eines robusten, genauen, hochfrequent fokusabstandsmodulierten, konfokalen Punktsensors sowie dessen Integration und Validierung in einem Nanokoordinatenmesssystem. Durch eine innovative Kombination einer fasergekoppelten konfokalen Beleuchtung und Detektion, einer einstellbaren, akustisch getrieben Gradientenindex-Flüssigkeitslinse (TAG-Linse) zur Modulation des Fokusabstandes und einer für die Konfokalmikroskopie neuartigen Signalauswertung mit Lock-In-Verstärker soll für den Stage-Scanning-Betrieb des Nanokoordinatenmesssystems eine signifikante Steigerung der Genauigkeit und Reduktion der Messunsicherheit und der Messzeit unter Beibehaltung der bekannten Vorteile des konfokalen Messprinzips ermöglicht werden.

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Sachbeihilfen

Laufzeit

01.05.2016 bis 30.04.2019

Projekthomepage

Verbundkoordinator

Anne-Francoise Obaton, Dr. habil., Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), France

Projektbearbeitung

Projektbeschreibung

Overview
Additive manufacturing (AM) offers an effective solution in the medical sector. It enables the production, on demand, of customised implants which match the patient’s anatomy, with grafts that promote bone growth, as well as surgical guides that help the surgeons. The objective of this project is to provide a comprehensive basis to enable the safe use of medical AM products. Therefore, within this project off-the-shelf medical devices, patient specific guides and implants manufactured from patient image or numerical model will be qualified. This will guarantee their reliability to notified bodies and facilitate acceptance of AM in the medical sector.

Need
The need for this project is justified by the fact that AM technology for medical applications has advanced at a much faster pace than regulations and quality controls. Patient specific implants (PSIs) and patient specific guides (PSGs) are to be used in highly critical applications governed by strict safety requirements from notified bodies and hence controlling the quality of the parts are of paramount importance. In order for the medical device industry to have confidence in the AM technology they need validated techniques to verify the finished parts and improve the process and reliability of the manufacturing chain.

In order to validate these techniques, medical devices and standard objects, manufactured using different AM processes and materials, need to first be fabricated and characterised. Relevant aspects that have to be taken into account for these characterisations are the dimensions of external and internal geometry as well as internal defects, roughness and porosity, which will also influence the mechanical properties of the medical devices. Work is required to a) determine the precision limits of dimensional measurements and the relative sensitivity of industrial and medical XCT, and to b) qualify alternative, faster and cheaper nondestructive characterisation techniques, for routine control.

The manufacturing process of patient specific medical devices with AM contains a number of steps, from the prior CT scan of the patient to the final manufacture and clinical use, each of which can introduce errors. The material used also has an influence on the parts as well on the category of processes used. Manufacturers need tools and protocols for the detection and quantification of defects so that the best material and manufacturing process can be reliably selected. It is therefore necessary to characterise the parts at various stages in the production and application process to quantify errors in the chain from medical imaging to clinical use.

Förderung

The EMPIR initiative is co-founded by the European Union´s Horizon 2020 research and innovation programme and the EMPIR Participating States.

Laufzeit

01.06.2016 bis 31.05.2019

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Verbundkoordinator

Virpi Korpelainen, MIKES Metrology, VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland

Projektbearbeitung

Projektbeschreibung

The demand for smaller and higher-performance electronic devices in our everyday lives requires the development of increasingly smaller and more sophisticated nanoscale components. Yet current techniques to measure the dimensions of nano-objects are inadequate for emerging needs, as the uncertainties involved are too great to meet the requirements of industry and scientific research. Conventional 3D metrology, using coordinate measuring machines, is accurate to almost one nanometre, but an emerging class of scanning probe microscopes (SPM) have the potential to exceed this level of accuracy beyond the nanometre level. However, standardised SPM techniques, traceable to reference measures, have not yet been devised. This project will build on the achievements of EMRP project NEW01 Trend by developing SPM-based approaches to measure objects in three dimensions, which can be traced reliably to reference measures. More accurate nano-measurement will support the development of new and higher-performance devices in fields as diverse as medicine, energy capture and storage, and space exploration, offering the potential for broad technological and societal impact.

Förderung

The EMPIR initiative is co-founded by the European Union´s Horizon 2020 research and innovation programme and the EMPIR Participating States.

Laufzeit

01.10.2016 bis 30.09.2019

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Verbundkoordinator

Enrico Savio, Prof., Università degli Studi di Padova, Italy

Projektbearbeitung

Projektbeschreibung

Open and innovative education, training and youth work, embedded in the digital era

Manufacturing is today based on multiple suppliers located in different countries and continents, intensively using automation, data exchange and advanced manufacturing technologies embedded in the digital era. New opportunities to advance manufacturing are based on the so-called “Industry 4.0” design principles, including: Interoperability, Virtualisation, Decentralisation, Real-time capability, Service orientation and Modularity. Measuring technologies and in particular Coordinate Metrology are an essential tool for the implementation of this concept in modern product engineering and process control; to operate, program and manage the most advanced measuring systems, highly competent and skilled personnel is required.

The project will design, implement and validate a set of tools and learning content to innovate education in Coordinate Metrology, taking advantage of new opportunities of the digital era. An innovative content development and distribution system will be developed, allowing the adaptation to individual preferences and featuring modern tutor-learners interaction by social networks. New interactive tools for the assessment of individual learning needs will enable the identification of customised learning paths and related assessment of learning outcomes. Moreover, the project will include active participation of learners to distance laboratory workshops using in real-time expensive measuring equipment, bridging the worlds of education and work.

Förderung

Dieses Forschungsprojekt wird seit 2016 durch die Europäischen Union im Rahmen des Programms „Erasmus+“ gefördert.

Laufzeit

01.09.2016 bis 31.08.2019

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  • offizielle Projekthomepage

Verbundkoordinator

Wojciech Plowucha, PhD, University of Bielsko-Biala, UK

Projektbearbeitung

Projektbeschreibung

The ISO standards for the Geometrical Product Specification and Verification (GPS) define an internationally uniform symbol language, that allows expressing unambiguously and completely all requirements for the micro and macro geometry of a product with the corresponding requirements for the inspection process in technical drawings, taking into account current possibilities of measurement and testing technology. This avoids ambiguities and inconsistencies during the planning of manufacturing and inspection processes and in addition costs through time-consuming arrangements between the client and suppliers. The GPS that is inherently inscribed in design of mechanical parts plays important role in the competitiveness of a company and essential in client-supplier co-operation. Basing on the experiences of the consortium members and especially industrial partner VW, one can be sure that both the companies and engineers await a high quality training offer in the range of Geometrical Product Specification and Verification. The fact that such recognized player in the automotive industry which is VW considers the problem as important proves for the necessity of serious addressing the issue. The GPS-VToolbox project will produce innovating curriculum content and structure. The project will encourage wide applications of new communication and information technologies in teaching and learning. The curriculum will be developed by taking into account current trends in engineering education as well as practice-based cases.

The proposed curriculum covers:

  • geometrical characteristics
  • size and ISO system of limits and fits
  • tolerances of form, orientation, location and runout
  • principle of independency and other requirements (e.g. E, M, L, R, P, F)
  • general tolerances, complex geometrical features (threads, splines, gears)
  • roughness, waviness and primary profile (2D and 3D)
  • measurements with use of conventional measuring devices, measuring machines (especially CMMs)
  • measurements of form deviations and surface roughness
  • measurements in micro- and nanoscale
  • inspection by gauges and decision rules for proving conformance or non-conformance with specifications
  • measurement uncertainty
  • tolerancing of assemblies
  • dimensional chains
  • calibration of measuring equipment.

Förderung

Dieses Forschungsprojekt wird seit 2015 durch die Europäischen Union im Rahmen des Programms „Erasmus+“ gefördert.

Laufzeit

01.10.2015 bis 30.09.2018

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Verbundkoordinator

Ulrich Neuschaefer-Rube, Dr.-Ing. habil., PTB

Projektbearbeitung

Projektbeschreibung

Computed tomography (CT) is an aspiring contact-free measurement method which allows to determine the complete geometry of objects (inner and outer geometry including surface texture) typically not fully accessible to other measurement methods.

To support dimensional metrology in future advanced manufacturing, the project will develop traceable CT measurement techniques for dimensions and surface texture. Open issues regarding traceability, measurement uncertainty, sufficient precision/accuracy, scanning time, multi-material, surface form and roughness, suitable reference standards, and simulation techniques will be clarified.

Therefore the AdvanCT project will face the following objects:

  1. To develop traceable and validated methods for absolute CT characterisation including the correction of geometry errors by 9 degrees of freedom (DoF). This will include the development of reference standards, traceable calibration methods and thermal models for instrument geometry correction, as well as the correction of errors originating in the X-ray tube and the detector in order to improve CT accuracy.
  2. To develop improved and traceable methods for dimensional CT measurements with focus on measurements of sculptured / freeform surfaces, roughness, and multi-material effects including supplementary material characterisation.
  3. To develop fast CT methods for inline applications based on improved evaluation of noisy, sparse, few, or limited angle X-ray projections, reconstruction methods. This will be done using reduced number of projections from well-known directions and include enhanced post-processing.
  4. To develop traceable methods for uncertainty estimation using virtual CT models and Monte-Carlo simulations. This will include calibrated reference standards, the determination of accurate model parameters and the development of correction methods for specific CT image forming artefacts.
  5. To facilitate the take up of the technology and measurement infrastructure developed in the project by the measurement supply chain (accredited laboratories, instrumentation manufacturers), standards developing organisations (e.g. ISO TC213, VDI-GMA 3.33 Technical Committee Computed Tomography in Dimensional Measurements) and end users (e.g. plastic manufacturers, automotive, telecommunication, medical and pharmaceutical industries and metrology service providers).

The institute of manufacturing metrology will focus on the following aspects:

  1. The investigation of temperature variation within a CT system and its impact on projection stability as well as measurement deviations. The resulting thermal data can improve the characterization of CT systems.
  2. The systematic determination of model parameters for measurement simulation („digital twin“). The simulation of the measurement process could allow e.g. numerical measurement uncertainty evaluation. A successful parameter determination is a prerequisite for a faithful virtual CT model. Therefore, it is a key element for the simulation based uncertainty evaluation

Förderung

The EMPIR initiative is co-founded by the European Union´s Horizon 2020 research and innovation programme and the EMPIR Participating States.

Laufzeit

01.06.2018 bis 31.05.2021

Projekthomepage