Laufende Projekte

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

Entwicklung eines Leitfadens zur dreidimensionalen zerstörungsfreien Erfassung von Manuskripten (); FKZ: HA 5915/14-1

Towards Standards for Three-dimensional Non-invasive Digitisation of Manuscripts

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Projektleitung: , , ,
Projektstart: 1. Mai 2020
Projektende: 30. April 2022
Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
URL: https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/433501541?context=projekt&task=showDetail&id=433501541&

Abstract:

Im Zuge der sich rapide durchsetzenden Digitalisierung werden derzeit ein Großteil der Bestände von Büchereien in elektronische Formate überführt. Die massive Digitalisierung stößt aber auch auf Grenzen. Es existieren Dokumente, deren Zustand durch Alterung oder externe Einflüsse eine konventionelle, optisch basierte Digitalisierung kaum erlauben. Eigene Vorarbeiten zeigten, dass die drei Bildgebungsverfahren Röntgen-Computertomografie, Phasenkontrast-Röntgen-Computertomografie und Terahertz-Bildgebung prinzipiell dazu geeignet sind, nicht-invasive Einblicke in derartige Dokumente zu ermöglichen, digitale Bildinformationen zu generieren und neue Möglichkeiten zur automatisierten Erfassung zu eröffnen.In diesem Forschungsvorhaben wird erstmalig eine konkrete Strategie zur Digitalisierung von solchen Dokumenten entwickelt. Anhand einer strukturierten Evaluation wird ein Qualitätswertes entstehen, der Aussagen über die Güte der Digitalisierung mit einer der drei Modalitäten für bestimmte historische Materialien zulässt, woraus das geeignetste Verfahren abgeschätzt werden kann. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird ein Leitfaden zur Digitalisierung von fragilen Dokumenten entwickelt, mithilfe dessen die Qualität, Machbarkeit und eventuelle Schädigung vor-ab abgeschätzt werden können. Zusätzlich werden Algorithmen entwickelt, die die generierten Daten virtuell aufbereiten.Mit der Durchführung des Forschungsvorhabens werden drei konkrete Ziele verfolgt. Durch die Evaluation der Modalitäten soll anschließend das geeignetste Verfahren für ein spezifisches Dokument ermittelt werden können. Nach Ende des Projekts wird eine Benutzeroberfläche bereitgestellt, in der durch Angabe von Materialkombinationen und relevanter Parameter, die erreichbare Qualität mit jeder Modalität geschätzt wird. So wird es möglich sein, die Variation der Aufnahmeparameter zu testen, beispielhafte Ergebnisse anhand der generierten Datenbank anzuzeigen, und den Qualitätswert zu berechnen.Die Grundlage dafür bildet die Evaluation der drei Modalitäten für relevante Materialien. Hierzu werden realistische Prüfkörper gefertigt. Sowohl die Aufnahmequalität und -auflösung als auch eventuelle Schädigung des Dokuments können auf diese Weise berücksichtigt werden.Anhand des Leitfadens wird dann das geeignetste Verfahren für ein spezifisches Dokument identifiziert werden können. Diese Aussage basiert auf einem prognostizierten Qualitätswert, sodass die optimale Digitalisierungsmodalität im Voraus bestimmt werden kann.Die Evaluation mehrerer Modalitäten sowie die Algorithmenentwicklung sind als zentrale Herausforderung des Forschungsvorhabens zu sehen. Es soll ermöglicht werden, gefährdete Bestände in einem digitalen Format zu speichern, ohne deren Struktur durch manuelle Eingriffe zu zerstören. In der zweiten Förderphase soll eine multimodale Lösung erforscht werden, bei der durch Kombination mehrerer Verfahren Nachteile und Grenzen einzelner Modalitäten kompensiert werden.

Publikationen:

Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden - Metrologie und Messdatenverarbeitung für die geometrische Produktverifikation im Rahmen eines ganzheitlichen Toleranzmanagements (FORTol); FKZ: HA 5915/9-2

Metrologie und Messdatenverarbeitung für die geometrische Produktverifikation im Rahmen eines ganzheitlichen Toleranzmanagements

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden
Projektleitung:
Projektbeteiligte:
Projektstart: 1. April 2020
Projektende: 1. April 2023
Akronym: FORTol
Mittelgeber: DFG / Forschergruppe (FOR)

Abstract:

Die Forschungsgruppe FOR 2271 erforscht grundlagenwissenschaftlich ganzheitliche Vorgehensweisen und effiziente Werkzeuge zur umfassenden Steuerung geometrischer Abweichungen im Produktentstehungsprozess und validiert diese anhand einer Modellfabrik. Das Teilprojekt 3 (TP3) beteiligt sich in der Forschergruppe mit der Bestimmung der Gestaltabweichungen und deren Messunsicherheit sowie der Nutzung dieser Informationen für eine funktionsorientierte Toleranzvergabe. Das TP3 hatte in der ersten Förderphase zum Ziel, geeignete Verfahren zu entwickeln, mit denen die Bereitstellung von Messdaten mit Einzelpunktmessunsicherheiten (EPU) für verschiedene taktile, optische und tomografische Messverfahren umgesetzt werden kann. Darauf aufbauend konnten Methoden zur Beschreibung und Korrektur systematischer Gestaltabweichungen sowie die Bereitstellung von Fusions- und Ausgleichsalgorithmen unter Berücksichtigung der EPU zur Wichtung erarbeitet werden. Diese Arbeiten sowie die Bereitstellung der EPU der Abweichungsrepräsentation und der Unsicherheit einzelner Merkmale, sowie die Bereitstellung des messtechnischen Aufbaus zur Funktionsprüfung des Demonstrators runden den Beitrag des TPs zur Forschergruppe ab.In der zweiten Förderperiode sollen aufbauend auf den bisherigen Ergebnissen weitere Erkenntnisse erzielt werden, um die mit einer Messung assoziierte Messunsicherheit, mit der die Gestaltabweichungen von tolerierten Bauteilen ermittelt werden, durch Optimierung notwendiger Datenverarbeitungsoperationen entlang der Messkette zu reduzieren. Dabei soll durch komplexere Algorithmen ein nutzbarer Informationsgewinn generiert werden, wobei der daraus resultierende deutlich gesteigerte Berechnungsaufwand durch konsequente Anwendung von GPGPU-Programmiertechniken kompensiert werden soll. Die Reduzierung der Messunsicherheit der geometrischen Charakterisierung ermöglicht im Allgemeinen die Vergabe von engeren Toleranzen. Die geplanten Arbeiten umfassen auch metrologische Untersuchungen zu Zahnflankentopografiemessungen zur Ermittlung des Einflusses des zu erwartenden Verschleißes auf die Toleranzvergabe. Zusätzlich werden Ansätze zur Optimierung von Algorithmen zur gewichteten geometrischen Registrierung von Messdaten an Nominal- / Referenzdaten untersucht, um den Fehlereinfluss der Registrierung auf die Datenauswertung und somit die lokale Messunsicherheit von tolerierten Geometrieelementen zu charakterisieren und zu reduzieren. Gemeinsam mit den Projektpartnern wird außerdem untersucht, ob das Vorgehen zur Bestimmung der EPU von Geometrieelementen auf Kantenbereiche übertragbar ist, um die Auswirkungen der hier auftretenden Messunsicherheit auf die zugeordnete Toleranzvergabe abzuschätzen. Die Zusammenarbeit wird durch die normgerechte geometrische Charakterisierung der mechanischen Komponenten des Röntgenblendenprüfstands ergänzt.

Publikationen:

SFB/Transregio 285 Methodenentwicklung zur mechanischen Fügbarkeit in wandlungsfähigen Prozessketten - Metrologie für Fügeprozesse und -verbindungen (C05) (TRR 285 C05); FKZ:

Metrologie für Fügeprozesse und -verbindungen (C05)

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: SFB/Transregio 285
Methodenentwicklung zur mechanischen Fügbarkeit in wandlungsfähigen Prozessketten
Projektleitung:
Projektstart: 1. Juli 2019
Projektende: 30. Juni 2023
Akronym: TRR 285 C05
Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich / Transregio (SFB / TRR)
URL: https://trr285.uni-paderborn.de/

Abstract:

Bei mechanischen Fügeprozessen entstehen Baugruppen, die verfahrensbedingt mechanisch beansprucht und dadurch bereits im Prozess geschädigt werden können. Weiterhin kann es zu geometrischen Abweichungen bei den qualitätsrelevanten Merkmalen einer Verbindung kommen. Im Hinblick darauf sind sowohl eine sichere In-Prozess-Messung der Fügeprozessparameter als auch eine zerstörungsfreie geometrische Post-Prozess-Prüfung zur nachgelagerten Qualitätskontrolle erforderlich. Es sollen Methoden entwickelt werden, die einerseits durch Verbesserung der In-Prozess-Messung zu einer Robustheitssteigerung etablierter Fügeprozesse und andererseits durch eine zuverlässige Beurteilung der Auswirkungen von Prozessänderungen mit computertomografischen Post-Prozess-Messungen, für die eine Rissmessbarkeitsgrenze angegeben werden soll, zur Wandlungsfähigkeit beitragen. Für die In-Prozess-Messtechnik sollen in Kooperation mit fügeprozessanwendenden Teilprojekten dynamische Echtzeit-Messunsicherheitsschätzer auf Basis eines Bayes-Ansatzes erarbeitet werden, die eine Genauigkeitsverbesserung und Messunsicherheitsaussage für die Aufnahme dynamischer Fügeprozessparameter erlauben. Für die Post-Prozess-Prüfung konzentriert sich das Teilprojekt auf die Messbarkeitssteigerung durch Artefaktreduktion und die erstmalige Angabe einer Rissauflösungsgrenze für röntgencomputertomografische (CT) Messungen. Dabei werden die zerstörungsfreie Prüfung für qualitative Aussagen zur Fügepunktausbildung und die dimensionelle Messung zur Überprüfung der Fügebauteilgeometrie adressiert. Für die zerstörungsfreie Prüfung soll die Frage geklärt werden, welche Oberflächendefekte unter Berücksichtigung der metrologischen Strukturauflösung sowie der Interface-Strukturauflösung eindeutig identifizierbar sind. Für die dimensionelle Messung mit CT stellen Multimaterialbauteile aus dem Fügeprozess wegen der fehleranfälligen Oberflächenfindung sowohl an den inneren Grenzflächen als auch in Monomaterialbereichen im Hinblick auf die Messbarkeit bzw. erreichbare Genauigkeit eine bisher ungelöste Herausforderung dar. Unter Ausnutzung von intelligent gewählten Mehrfachmessungen sowie von simulativem Vorwissen soll eine Erfassung der inneren Grenzflächen sowie eine genauere Messung der Oberflächen erarbeitet werden. Die Post-Prozess- und In-Prozess-Messungen werden kombiniert, indem Auswirkungen von Prozessgrößen und deren Änderungen durch CT-Messungen untersucht werden. Am Ende können durch CT-Messungen die Gestalt und Schädigungen von Fügestellen, auch für abgewandelte Fügeprozesse, sicherer erfasst werden und die Erfassbarkeit a priori vorhergesagt werden. Mit Hilfe von Bayes-Filtern können die Prozessgrößen genauer gemessen und in Echtzeit Messunsicherheitsangaben zur Verfügung gestellt werden.

Publikationen:

Advanced Computed Tomography for dimensional and surface measurements in industry (AdvanCT); FKZ: 17IND08

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

Publikationen:

Traceable industrial 3D roughness and dimensional measurement using optical 3D microscopy and optical distance sensors (TracOptic); FKZ: 20IND07

Traceable industrial 3D roughness and dimensional measurement using optical 3D microscopy and optical distance sensors

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: Traceable industrial 3D roughness and dimensional measurement using optical 3D microscopy and optical distance sensors
Projektleitung:
Projektbeteiligte:
Projektstart: 1. Juni 2021
Projektende: 31. Mai 2024
Akronym: TracOptic
Mittelgeber: The European Metrology Programme for Research and Innovation (EMPIR)
URL: https://www.ptb.de/empir2021/tracoptic/home/

Abstract:

To remain competitive European manufacturers strive to make constant improvements in their manufacturing processes. The surface topography of a component part can have a profound effect on the function of the part. This is true across a wide range of industries (such as precision engineering, automotive and medical). It is estimated that surface effects cause 10 % of manufactured parts to fail which has financial implications. Optical measuring systems are widespread in surface and coordinate metrology as they are fast, with high resolution, and contactless (aspects that are essential for the factory of the future). Unfortunately, optical measurements are not often used in industry as they are not traceable. This is due to the complexity of the interaction between the object’s surface and measuring system. This project aims to improve the traceability of 3D roughness and dimensional measurements using optical 3D microscopy and optical distance sensors. Data evaluation, and uncertainty estimation methods will be developed, and be made accessible to industry by good practice guides, publications, training courses etc.

Publikationen:

SFB 814 - Additive Fertigung - Geometrische Mess- und Prüftechnik für die additive Fertigung (C4) (SFB 814 (C4)); FKZ: SFB 814/C04

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

Geometrische Mess- und Prüftechnik für die additive Fertigung (C4)

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Titel des Gesamtprojektes: SFB 814 - Additive Fertigung
Projektleitung:
Projektbeteiligte:
Projektstart: 1. Juli 2011
Projektende: 30. Juni 2023
Akronym: SFB 814 (C4)
Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)
URL: https://www.crc814.research.fau.eu/projekte/c-bauteile/teilprojekt-c4/

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 dimensionalen inkrementellen 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: