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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

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

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

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

(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

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

Publikationen:

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.

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 dergeometrischen Messtechnik die einzige Technologie, die sowohl innen- als auchaußenliegende Merkmale eines Werkstücks mit einer Messung zerstörungsfreimessen kann. Allerdings sind zur Angabe der Messunsicherheit für eine Messgrößenach Stand der Technik (VDI/VDE 2630 Blatt 2.1) zwanzig Wiederholmessungen ankalibrierten Werkstücken notwendig. Da die Messung mit realen CT Messgerätenzeit- und kostenintensiv ist, wird analog zur taktilen Koordinatenmesstechnikeine numerische Messunsicherheitsbestimmung durch Simulation angestrebt (vgl.VDI/VDE 2617 Blatt 7, GUM Supplement 1). Daher existiert ein großes Interessean Durchstrahlungs¬simulations¬software, um die Messaufgaben zu simulieren. DieSimulation bietet den Vorteil, dass sie sowohl zeitsparend als auch kosten- undressourceneffizient ist. Allerdings ist die Zuverlässigkeit der verschiedenenSimulationsumgebungen momentan nicht quantifizierbar. Für eine glaubwürdigeAnwendung von Simulationsumgebungen benötigen Anwender eine Beurteilungderselben- auch, um eine Norm- bzw. Richtliniensicherheit in der Praxissicherzustellen.

Das Ziel dieses Projekts ist es daher, einenRichtlinienentwurf VDI/VDE 2630 Blatt 2.2 "Basis¬qualifi-zierung vonSoftwaresystemen für die Simulation geometrischer Messungen mitRöntgen-Computertomografie" zu erstellen. Auf dieser Basis soll es möglichsein, die Eignung von Simulations¬umgebungen zur Ermittlung deraufgabenspezifischen Messunsicherheit zu bewerten. Dazu wird ein Testframeworkentwickelt, mit welchem Durchstrahlungs¬simulations¬softwares basisqualifiziertwerden können. Eine Basisqualifizierung bezeichnet hierbei eine Qualifizierungim Hinblick auf typische, als relevant empfundene Messszenarien.

Zur Erstellung des Testframeworks sind mehrere Schrittenotwendig. Zuerst werden in einer Anforderungsanalyse die Anforderungen an dieverwendeten Simulationssoftwares festgelegt. Diese Anforderungen werden ineinem Lastenheft zusammengefasst. Für die Entwicklung des Testframeworks isteine Umsetzung der Anforderungen des Lastenhefts in konkrete Testszenariennotwendig. Hierfür müssen Referenzgeometrien und Referenzdatensätze erstelltwerden. Auf Basis der Simulationsergebnisse für die verschiedenen erstelltenTestszenarien muss eine Bewertung der entsprechenden Simulationssoftwareerfolgen. Für welche eine Bewertungsmatrix erarbeitet wird.

Das finale Testframework wird anschließend validiert, indemfür positiv bewertete Simulationssoftware ein Vergleich realer und simulierterMessdaten anhand der dimensionellen Messergebnisse vollzogen wird.

Zur Sicherung des normativen Charakters der Arbeit wird daraufgeachtet, dass diese Basisqualifizierung mithilfe des Testframeworks auch fürandere, nicht im Projekt repräsentierte Simulationssoftwaresysteme möglich ist.

Das Projekt wird in der Förderrichtlinie WIPANO,administriert durch den Projektträger Jülich und finanziert durch dasBundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses desdeutschen 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

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 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 situMesstechnik, ist eine Postprozessmessung zur Feststellung von inneren als auchäußeren Merkmale erforderlich. Hierbei stellen innere Defekte wie die Bauteilporositäteinen relevanten Bewertungsparameter auf die Stabilität dar. Zur Bewertung derPorosität stellt die Röntgen-Computertomografie ein zerstörungsfreies,ortsaufgelöstes Analyseverfahren dar, dass mittels zweidimensionalerDurchstrahlungsbilder eine dreidimensionale Rekonstruktion des Bauteils zulässt.Dies ermöglicht eine Eingrenzung der Lage der Poren und macht weitere Analysenmöglich. Diese Bewertung wird jedoch durch den bisherigen Stand der Technik inBezug auf die Auflösung, Messartefakte und der fehlenden Möglichkeiten zurAngabe von Messunsicherheiten begrenzt. Auf Hinblick dessen sollen durch CT-Simulationeneines modellierten virtuellen metrologischen CTs und realen metrologischenCT-Analysen ein Porositätsnormal entwickelt werden, dass eine Detektierbarkeitsgrenzeund eine Fehlerabschätzung ermöglicht.

Durch diese Postprozessmessung soll ein Abgleich mit der inder 2.Förderperiode erarbeitete Inline- und in situ Messverfahren zurIdentifizierung lokaler Ursachen von auftretenden Poren fundiert erreichtwerden.

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 2012
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 feinenNebenformelementen zu erfüllen, also lokal ausreichend hohe Auflösung, großerMessbereich, kurze Mess- und Prüfzeiten sowie Variantenflexibilität zugewährleisten, wurde in der ersten Phase das neuartige Sensorkonzept der mehrskaligenMulti-Komponenten-Streifenprojektion mit unterschiedlichen Messbereichenerarbeitet. Ziel der zweiten Phase war es, eine robuste, bedienerunabhängigefertigungsnahe Messung für die Blechmassivumformung zu realisieren. Hierfürwurden Strategien zur Kalibrierung des Messsystems erarbeitet, die eineDatenfusion nach einer Neupositionierung der Sensoren ermöglichen. Zusätzlichwurden aufbauend auf den bisherigen Ergebnissen Methoden erforscht, wie weitereMessverfahren, 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 Ergebnisseder durchgängige automatisierte Messprozess komplettiert. Hierzu wird in einemersten Schritt eine vollautomatische und bedarfsgerechte Kalibrierung für dasmehrskalige Multisensor-Messsystem untersucht und entwickelt. Damit könneneinerseits die derzeit noch erforderlichen, manuellen Eingriffe in diePositionierung und Digitalisierung des eigens erarbeiteten Kalibrierkörpersersetzt werden und anderseits die Bestimmung des notwendigenKalibrierintervalls durch Methoden zur Bewertung der Kalibrierqualität unddaraus abgeleitete Kalibrierintervalle wissenschaftlich begründet werden. Ineinem zweiten Schritt gilt es, die gleichzeitige Erfassung von diffus undgerichtet reflektierenden Oberflächen zu ermöglichen. Insbesonderehochreflektive Bereiche lassen sich auf Grund der Überbelichtung mit demStreifenlichtprojektionsverfahren nicht ausreichend sicher erfassen. Auf Basisder Analyse des Einflusses der Reflektivität und der Neigungswinkel derOberflächen auf das Messergebnis, wird ein Messsystem und -verfahren zursimultanen Streifenlichtprojektions-messung und deflektometrischen Messung vongerichtet reflektierenden Bereichen untersucht und entwickelt. Weiterhin istder Einfluss des prozessbedingten Restschmierstoffs auf die Messergebnisse zubestimmen, indem die Eigenschaften der auftretenden Dünnschichten auf demBauteil auf Grundlage verschiedener Schmierstoffmischungen hinsichtlich derSchichtausbildung und Verteilung der Schmierstoffe vor und nach der Umformunguntersucht werden. Dies ermöglicht die Bestimmung und Korrektur der lokalen,systematischen Messabweichung durch den Schmierstofffilm.

Publikationen: