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Laufende Projekte

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

Durchstrahlungssimulation für die Messunsicherheitsbestimmung beim Messen geometrischer Merkmale mittels Röntgen-Computertomografie

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Projektleitung:
Projektbeteiligte: ,
Projektstart: 1. April 2019
Projektende: 31. März 2021
Akronym: CTSimU
Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

Abstract:

Die industrielle Röntgen-Computertomographie (CT) ist in der
geometrischen Messtechnik die einzige Technologie, die sowohl innen- als auch
außenliegende Merkmale eines Werkstücks mit einer Messung zerstörungsfrei
messen kann. Allerdings sind zur Angabe der Messunsicherheit für eine Messgröße
nach Stand der Technik (VDI/VDE 2630 Blatt 2.1) zwanzig Wiederholmessungen an
kalibrierten Werkstücken notwendig. Da die Messung mit realen CT Messgeräten
zeit- und kostenintensiv ist, wird analog zur taktilen Koordinatenmesstechnik
eine numerische Messunsicherheitsbestimmung durch Simulation angestrebt (vgl.
VDI/VDE 2617 Blatt 7, GUM Supplement 1). Daher existiert ein großes Interesse
an Durchstrahlungs¬simulations¬software, um die Messaufgaben zu simulieren. Die
Simulation bietet den Vorteil, dass sie sowohl zeitsparend als auch kosten- und
ressourceneffizient ist. Allerdings ist die Zuverlässigkeit der verschiedenen
Simulationsumgebungen momentan nicht quantifizierbar. Für eine glaubwürdige
Anwendung von Simulationsumgebungen benötigen Anwender eine Beurteilung
derselben- auch, um eine Norm- bzw. Richtliniensicherheit in der Praxis
sicherzustellen.

Das Ziel dieses Projekts ist es daher, einen
Richtlinienentwurf VDI/VDE 2630 Blatt 2.2 "Basis¬qualifi-zierung von
Softwaresystemen für die Simulation geometrischer Messungen mit
Röntgen-Computertomografie" zu erstellen. Auf dieser Basis soll es möglich
sein, die Eignung von Simulations¬umgebungen zur Ermittlung der
aufgabenspezifischen Messunsicherheit zu bewerten. Dazu wird ein Testframework
entwickelt, mit welchem Durchstrahlungs¬simulations¬softwares basisqualifiziert
werden können. Eine Basisqualifizierung bezeichnet hierbei eine Qualifizierung
im Hinblick auf typische, als relevant empfundene Messszenarien.

Zur Erstellung des Testframeworks sind mehrere Schritte
notwendig. Zuerst werden in einer Anforderungsanalyse die Anforderungen an die
verwendeten Simulationssoftwares festgelegt. Diese Anforderungen werden in
einem Lastenheft zusammengefasst. Für die Entwicklung des Testframeworks ist
eine Umsetzung der Anforderungen des Lastenhefts in konkrete Testszenarien
notwendig. Hierfür müssen Referenzgeometrien und Referenzdatensätze erstellt
werden. Auf Basis der Simulationsergebnisse für die verschiedenen erstellten
Testszenarien muss eine Bewertung der entsprechenden Simulationssoftware
erfolgen. Für welche eine Bewertungsmatrix erarbeitet wird.

Das finale Testframework wird anschließend validiert, indem
für positiv bewertete Simulationssoftware ein Vergleich realer und simulierter
Messdaten anhand der dimensionellen Messergebnisse vollzogen wird.

Zur Sicherung des normativen Charakters der Arbeit wird darauf
geachtet, dass diese Basisqualifizierung mithilfe des Testframeworks auch für
andere, nicht im Projekt repräsentierte Simulationssoftwaresysteme möglich ist.

Das Projekt wird in der Förderrichtlinie WIPANO,
administriert durch den Projektträger Jülich und finanziert durch das
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
deutschen Bundestages, unter dem Förderkennzeichen 03TNH026A gefördert.

Work package overview
Work package overview

Advanced Computed Tomography for dimensional and surface measurements in industry

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: Advanced Computed Tomography for dimensional and surface measurements in industry
Projektleitung:
Projektbeteiligte: ,
Projektstart: 1. Juni 2018
Projektende: 31. Mai 2021
Akronym: AdvanCT
Mittelgeber: The European Metrology Programme for Research and Innovation (EMPIR)
URL: https://www.ptb.de/empir2018/advanct/home/

Abstract:

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




Traceable three-dimensional nanometrology

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: Traceable three-dimensional nanometrology
Projektleitung:
Projektbeteiligte: , ,
Projektstart: 1. Oktober 2016
Projektende: 30. September 2019
Akronym: 3DNano
Mittelgeber: The European Metrology Programme for Research and Innovation (EMPIR)
URL: https://www.ptb.de/emrp/15sib09-home.html

Abstract:

The overall goal of this project is to meet current and future requirements for traceable 3 dimensional (3D) metrology at the nanometre level with measurement uncertainties below 1 nm. To achieve this requires new routes for traceability, further developments of existing instruments and validated 3D measurement procedures. Additionally, new calibration artefacts must be developed and made available to industry as traceable reference standards to enable valid comparison of fabrication and measurement results, and establish a robust basis for design of objects with traceable nanoscale dimensions and tolerances.
Scanning Probe Microscopes (SPMs) available in national metrology institutes (NMIs) have low uncertainties, are traceable to the SI-metre and significantly outperform commercial SPMs in accuracy. However, there is a large gap between SPMs and the rest of 3D metrology. Conventional 3D metrology is based on coordinate measuring machines (CMMs) that have been significantly improved in recent decades e.g. micro CMMs, therefore they can reach almost nanometre level uncertainties. SPM technology has the potential to offer even lower uncertainties. However, the measuring principle, measurand definitions and current written standards are still very far from what could be used for 3D measurements, which explains the use of the term 2.5D for SPM techniques. The aim of the project is to further develop SPM instrumentation, measurement procedures, data interpretation and reference materials to bridge this gap, as proper understanding of probe-sample interactions is crucial for the reduction of measurement uncertainty.

Publikationen:

European Training for Coordinate Metrology 4.0

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: European Training for Coordinate Metrology 4.0
Projektleitung:
Projektstart: 1. September 2016
Projektende: 31. August 2019
Akronym: CoMeT 4.0
Mittelgeber: Programm für Lebenslanges Lernen / Erasmus

Abstract:

The project will offer new high-quality learning opportunities for
lifelong education on innovative measuring technologies (including:
Industrial Computed Tomography, Fringe-projection & Reverse
Engineering).

To enhance access for all, the learning material will be
distributed adapting to the individual learning style. Learners will
select the preferred tool (tablets, web-based learning platforms or
printouts) for the best learning experience.

Practical work using measuring equipment will be part of the
education: this is vital for successful VET in Coordinate Metrology. A
learner-centered approach and industrial case studies will be used to
motivate learners and let them understand the industrial relevance of
the topic.

Publikationen:


Bestimmung der Messunsicherheit und systematischen Gestaltabweichungen für eine funktionsorientierte Toleranzvergabe

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: FOR 2271: Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden
Projektleitung:
Projektbeteiligte: ,
Projektstart: 1. Juni 2016
Projektende: 31. Dezember 2019
Akronym: FORTol
Mittelgeber: DFG / Forschergruppe (FOR)
URL: http://gepris.dfg.de/gepris/projekt/260682773?context=projekt&task=showDetail&id=260682773&

Abstract:

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.

Publikationen:

Fokusabstandsmodulierter fasergekoppelter Konfokalsensor für die Oberflächenmesstechnik

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Projektleitung:
Projektstart: 1. Mai 2016
Projektende: 30. November 2019
Akronym: MoKoSens
Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

Abstract:

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.                             

Publikationen:

Referenzieren des Pulverbettes für Schichtversatz- und Schichtdickenmessung
Referenzieren des Pulverbettes für Schichtversatz- und Schichtdickenmessung

Inkrementelle In-Line Prüftechnik für die additive Fertigung (C04)

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: SFB 814: Additive Fertigung
Projektleitung:
Projektbeteiligte: ,
Projektstart: 1. Juli 2011
Projektende: 30. Juni 2023
Akronym: SFB 814
Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)
URL: http://www.sfb814.forschung.uni-erlangen.de/index.shtml

Abstract:

Die Qualität von lasergesinterten Bauteilen 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
in situ und in-Prozess Prüfung basierend auf optischen Messprinzipien
untersucht. Am Beispiel eines Lasersinterprozesses (LSS-K) für Polymere
werden angepasste Messstrategien 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 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.

Neben der Begutachtung der Bauteilqualität durch in situ
Messtechnik, ist eine Postprozessmessung zur Feststellung von inneren als auch
äußeren Merkmale erforderlich. Hierbei stellen innere Defekte wie die Bauteilporosität
einen relevanten Bewertungsparameter auf die Stabilität dar. Zur Bewertung der
Porosität stellt die Röntgen-Computertomografie ein zerstörungsfreies,
ortsaufgelöstes Analyseverfahren dar, dass mittels zweidimensionaler
Durchstrahlungsbilder eine dreidimensionale Rekonstruktion des Bauteils zulässt.
Dies ermöglicht eine Eingrenzung der Lage der Poren und macht weitere Analysen
möglich. Diese Bewertung wird jedoch durch den bisherigen Stand der Technik in
Bezug auf die Auflösung, Messartefakte und der fehlenden Möglichkeiten zur
Angabe von Messunsicherheiten begrenzt. Auf Hinblick dessen sollen durch CT-Simulationen
eines modellierten virtuellen metrologischen CTs und realen metrologischen
CT-Analysen ein Porositätsnormal entwickelt werden, dass eine Detektierbarkeitsgrenze
und eine Fehlerabschätzung ermöglicht.

Durch diese Postprozessmessung soll ein Abgleich mit der in
der 2.Förderperiode erarbeitete Inline- und in situ Messverfahren zur
Identifizierung lokaler Ursachen von auftretenden Poren fundiert erreicht
werden.

Publikationen:

Hydra-Streifenlichtprojektionssystem mit Hexapod als Positioniereinheit
Hydra-Streifenlichtprojektionssystem mit Hexapod als Positioniereinheit

Strategien für das funktionsorientierte optische Prüfen umgeformter Präzisionsbauteile (A06)

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: Umformtechnische Herstellung von komplexen Funktionsbauteilen mit Nebenformelementen aus Feinblechen - Blechmassivumformung -
Projektleitung:
Projektbeteiligte: , ,
Projektstart: 1. Januar 2009
Projektende: 31. Dezember 2020
Akronym: TR 73 - A06
Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich / Transregio (SFB / TRR)
URL: https://www.tr-73.de/

Abstract:

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.

Publikationen: