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Multiskalige Geometrieprüfung von Fügebereichen (SFB 1153 - C5)

Abbildung 1: Abschätzung der Lichtablenkung im Brechungsindexfeld.
Abbildung 2: Laserstrahl-Ablenkung in Abhängigkeit von Triangulationswinkel und Werkstücktemperatur.

Ziel dieses Teilprojekts ist die Erforschung von Mess- und Auswerteverfahren zur geometrischen inline Zustandsbeurteilung von Fügebereichen umgeformter rotationssymmetrischer Tailored Forming-Bauteile in unterschiedlichen Skalenbereichen. Für eine Einstellung und Regelung des Herstellungsprozesses von Tailored Forming-Bauteilen ist eine vollständige Prüfung der geometrischen Merkmale der Fügebereiche von entscheidender Bedeutung. Die Prüfung der Fügestellen ist im Anschluss an jeden einzelnen Prozessschritt (Fügen, Umformen, Härten u. Endbearbeitung) durchzuführen. Hieraus ergeben sich Vorteile, wie bspw. eine Fehlerfrüherkennung, eine Ausschussreduktion sowie die Möglichkeit der 100%-Qualitätskontrolle und Echtzeit-Prozessregelung.

Innerhalb der ersten Förderperiode soll daher ein schnelles, optisches und flächenhaft messendes Multi-sensormesssystem auf Grundlage des Triangulationsprinzips entwickelt, aufgebaut und erforscht werden, welches auf die Erfassung der Werkstückgestalt auf der Makroebene sowie die Detektion und Charakterisierung von Oberflächendefekten (z. B Lunker, Oberflächenrisse) auf der Mesoebene ausgelegt ist. Im Hinblick auf eine Fusion der Messdaten der unterschiedlichen Skalenbereiche sollen Methoden erforscht werden, mit denen die unterschiedlich hoch auflösenden Sensoren des Messsystems zueinander kalibriert werden können. Um die Fügebereiche im Hinblick auf den neuen Herstellungsprozess zu charakterisieren, sollen an Tailored Forming-Bauteile angepasste Methoden zur Darstellung und Quantifizierung von Geometrieabweichungen bezüglich der konstruktiv vorgegebenen Sollgestalt entwickelt werden.

Die Entwicklung von Methoden zur Messung und Charakterisierung der Fügebereiche von schmiedewarmen Tailored Forming-Bauteilen direkt im Anschluss an den Umformprozess stellt einen besonderen Forschungsschwerpunkt dar. Durch den Wärmeübergang vom schmiedewarmen Bauteil auf die Umgebungsluft wird diese in der Werkstückumgebung aufgeheizt, weshalb sich im isobaren Umfeld des Labors, oder einer Fertigungsanlage, ein Dichtegradient um das Bauteil einstellt. Dieser Gradient hat ein dreidimensionales, inhomogenes optisches Brechungsindexfeld zur Folge.

Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Simulation des Brechungsindexfeldes bei einem angenommenen linearen Verlauf der Temperatur und damit der Massendichte der Luft von der Werkstückoberflächentemperatur bis zur Raumtemperatur und entsprechend linearem Verlauf der optischen Dichte bei einer angenommenen Grenzschichtdicke von 300 mm. Es zeigt sich eine deutliche Strahlablenkung von bis zu mehreren zehn Mikrometern (siehe Abb. 2). Der beschriebene Effekt betrifft alle Arten von optischen Triangulationsverfahren, wie Laserlichtschnitt, Streifenprojektion und Stereo-Photogrammmetrie, gleichermaßen. Die Strahlablenkung übersteigt deutlich den Bereich der angestrebten Messauflösung, so dass eine Berücksichtigung und Kompensation sinnvoll ist. Auch Sensoren mit hoher geometrischer Auflösung, wie in der Weißlichtinterferometrie oder Fokusvariation, unterliegen dem Einfluss dieses Effekts, da sich mit dem Brechungsindex des Mediums auch die optische Weglänge gegenüber der geometrischen Weglänge ändert.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Rüdiger Beermann, Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Markus Kästner

Schnelle Prüfung komplexer Geometrien (SFB871 - C2)

Im Rahmen der Produktregeneration ist die geometrische Formprüfung von Werkstücken unverzichtbar. Dies gilt sowohl für die Beurteilung der Reparaturfähigkeit eines Werkstücks und die Planung des gesamten Regenerationsprozesses als auch für die Überprüfung einzelner Regenerationsstufen. Ziel des Teilprojektes C2 des SFB871 ist es, die tatsächliche Werkstückgeometrie mit der entsprechenden Sollgeometrie des Werkstücks, welche als CAD-Datensatz vorliegt, zu vergleichen und eine geometrische Abweichungsanalyse zu erstellen.

Mit der inversen Streifenprojektion ist es im Gegensatz zur konventionellen Streifenprojektion sehr viel effizienter möglich Abweichungen der Werkstückgeometrie direkt optisch zu erfassen. In wenigen Sekunden können so mehrere Millionen Punkte auf der Werkstückoberfläche dreidimensional gemessen werden. Dafür ist es notwendig ein an die Sollgeometrie des Werkstücks und an die gesamte Geometrie der Messanordnung angepasstes inverses Streifenmuster auf die Werkstückoberfläche zu projizieren und dessen diffuse Reflexion unter einem definierten Triangulationswinkel mittels einer digitalen Kamera aufzunehmen. Die aufwändige Erstellung des inversen Projektionsmusters hat die Etablierung dieser Methode im industriellen Umfeld bisher verhindert.

Im dem Projekt werden neue, auf einem virtuellen Streifenprojektionssystem basierende, Methoden zur effizienten Erzeugung inverser Projektionsmuster erforscht. Mittels Raytracing-Simulationsverfahren kann so im Vorfeld eine virtuelle Messung durchgeführt werden, um bei der anschließenden realen Messung die quantitative Bestimmung von Geometrieabweichungen stark zu beschleunigen.

Zusätzlich zur inversen Streifen Projektion wird ein endoskopisches Streifenprojektionssystem Viboskop(TM) entwickelt. Durch den Messkopf, der nur weniger Millimeter groß ist, können auch innenbereiche vin komplexen Geometrien gemessen werden. Die schnelle und vollständige Erfassung z.B. von Blisken (Blade integrated Disc) wird somit ermöglicht.

Ansprechpartner: M.Sc. Jochen Schlobohm

Datenfusion optisch flächenhaft erfasster Mikrotopografien mit Bezugsebene (DFG)

In diesem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt wird am Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) der Leibniz Universität Hannover (LUH) die Datenfusion von Mikroskopaufnahmen mittels bildverarbeitender Software untersucht. Im Projekt „Datenfusion optisch flächenhaft erfasster Mikrotopografien mit Bezugsebene“ wurden Methoden für eine abweichungsminimierte Datenfusion von überlappenden Messfeldern von bildverarbeitenden 3D-Mikroskopen (Stitching) untersucht. Das Ziel dieser Methode ist die Erstellung von hochauflösenden Messfeldern mit einer Ausdehnung im Bereich von mehreren mm Kantenlänge für die Rauheitsmessung technischer Oberflächen. Aufgrund von vielfältigen Abweichungsursachen wird die Messdatenfusion der Überlappungsbereiche er-schwert. Hierzu zählen optische Fehler (z.B. Verzeichnung), Messrauschen, fehlerhafte oder fehlende Messdaten, sowie Führungsabweichungen der Positioniersysteme, wie z.B. Rotati-onsabweichungen der Achsenausrichtung des CCD-Chips gegenüber den Translationsach-sen sowie mangelnde Wiederholgenauigkeit. Bei kommerziellen Systemen sind die Fehler-quellen häufig nur unzureichend korrigiert und erzeugen Ungenauigkeiten in den Überlap-pungsbereichen. Für die Rauheitsmesstechnik und Charakterisierung von technischen Ober-flächen stellen diese Fehler Probleme dar, welche untersucht und beseitigt werden müssen.

Im Rahmen des Projekts wurde das Verhalten von 3D-Oberfächenmikroskopen mit xy-Positioniereinheiten auf die oben aufgeführten Abweichungen untersucht und eine Software zur Charakterisierung und Korrektur der Verzeichnungen auf Basis von Messungen von schachbrettartigen Verzeichnungstestbildern entwickelt. Messungen mit Auflösungs-, Struk-tur- und Ebenennormalen wurden durchgeführt um Rotations-, Kipp- und Translationsfehler der Positioniereinheiten zu charakterisieren. Die Fehler der abbildenden, positionierenden und datenverarbeitenden Systeme wurden in eine modellbasierte Simulation von 3D-Oberflächenmikroskopen eingebunden um die Stitchingmethoden (Bildregistrierung, Daten-fusion) unter definierten Bedingungen zu untersuchen.

Da bei Messungen mit 3D-Oberflächenmikroskopen, wie Weißlichtinterferometern und Kon-fokalmikroskopen, häufig an Stellen mit hohen Oberflächengradienten fehlende Messwerte durch mangelnde Intensität auftreten, wurden Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel eine Interpolation der fehlenden Messbereiche zu erreichen die robust gegenüber Messrau-schen und Ausreißern in den Überlappungsbereichen ist. Es wurden triangulationsbasierte Verfahren mit pixelbasierten Verfahren verglichen. Die Korrelierbarkeit der wiederhergestell-ten Bereiche ist bei solchen Methoden am erfolgreichsten, die eine (gewichtete) Mittelung der Messwerte der 8-Nachbarschaft zur Interpolation nutzen.

Um die Bildregistrierung bei unbekanntem Überlapp zwischen zwei Messungen mit Positions- und Richtungsinformation zu ermöglichen wurde eine Korrelationsmethode auf Basis eindimensionaler Merkmalsfunktionen der Oberflächen entwickelt. Die Funktionen werden durch Ermittlung von statistischen Größen senkrecht zur Translationsrichtung erstellt. Durch Schätzung des Überlappbereichs kann eine auf wenige Pixel genaue Korrelation mittels Fou-riertransformation bei rauen Oberflächen für geringe Überlappbereiche (10% der Bildfläche, gegenüber 35% bis 20 % notwendigem Überlapp bei alleiniger Verwendung der Korrelation mittels Fourier-Transformation) erzielt werden. Eine subpixelgenaue Registrierung wurde anschließend mit der Fourier-Phasenkorrelation durchgeführt. Beide Methoden wurden mit-tels simulierter Messdaten von rauen Oberflächen eines virtuellen Weißlichtinterferometers getestet und auf ihre Genauigkeit untersucht.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Markus Kästner 

Multiskalen Geometrieerfassung (SFB871-A2)

Versuchsstand

Die geometrische Erfassung des Bauteilzustandes ist eine wichtige Voraussetzung für die Produktregeneration. Die Schädigung durch verschiedene thermische, chemische und mechanische Belastungen führt zu einer hohen Varianz des Zustandes. Für die Bewertung ist eine punktuelle oder linienhafte Messung eines taktilen Systems nicht ausreichend, da die Fehlstellen statistisch über die ganze Oberfläche verteilt sind. Flächenhaft messende optische Sensoren können die Bauteiloberfläche mit einem guten Verhältnis aus Messdauer und Messauflösung digitalisieren.

Geometriefehler können in allen Skalenbereichen auftreten, von einer globalen Verformung des Bauteils bis hin zu Fehlern in der Mikrostruktur. Mit einem einzelnen Sensor hoher Auflösung, ist es nicht möglich innerhalb einer akzeptablen Messzeit die gesamte Werkstückgeometrie zu erfassen. Als Lösungsansatz werden Sensoren, die unterschiedliche, sich überlappende Skalenbereiche auflösen, verwendet, um den Zeitbedarf für die Messung zu verringern.

Der Kern des Messsystems ist ein Multisensorkopf mit einer Kamera für Photogrammetrie und einem Streifenprojektionssystem für die Geometrieerfassung. Der Sensorkopf wird flexibel durch einen 6-Achs-Industrieroboter relativ zum Messobjekt positioniert. Für eine exakte Referenz wird die Position des Sensorkopfes durch ein Lasertracker bestimmt. Für die Detektion von Schäden aus Bild- und Geometriedaten werden aus der Analyse von Beispielschäden Filter und Segmentierungsverfahren entwickelt. Für die Bewertung der Makrogeometrie sind die Abweichungen zwischen Messdaten und CAD-Geometrieinformationen zu bestimmen. Aufgrund des hohen Datenaufkommens wird nach geeigneten Verfahren gesucht, um die Ergebnisse übersichtlich aufzubereiten. In Kooperation mit den anderen Teilprojekten des SFB871 werden aus den gemessenen Abweichungen Kenngrößen für die Wiederaufarbeitung der Turbinenschaufeln entwickelt.

Ansprechpartner: M.Sc. Nils Melchert und M.Sc. Tim Betker

Inverse faser-endoskopische 3-D Geometrieprüfung (SFB/TR73 B6)

Im ersten Antragszeitraum wurde innerhalb des Teilprojekts B6 „Endoskopische Geometrieprüfung“ ein endoskopisches Streifenprojektionssystem zur Messung von filigranen und schwer zugänglichen Geometrieelementen innerhalb von Werkzeugen zur Blechmassivumformung entwickelt und erforscht. Für das Messsystem wurden die für die konventionelle Streifenprojektion üblichen Projektions- und Bilderfassungsverfahren auf die erschwerten Bedingungen der Endoskopie adaptiert und neue, an die komplexe Optik angepasste Methoden zur Messdatenerfassung entwickelt. Mit Hilfe des neuen Messsystems konnten in Kooperation mit an der Werkzeugentwicklung beteiligten Teilprojekten erste Untersuchungen an Innengeometrien von Werkzeugen zur Blechmassivumformung durchgeführt werden.

Die Weiterentwicklungen im zweiten Antragszeitraum des SFB/TR 73 beinhalteten die Entwicklung und Erforschung von Verfahren zur taktzeitgerechten Verringerung der Messzeit sowie zur Fusion einzelner Messdatensätze, unter anderem in enger Zusammenarbeit mit dem Projekt A6 des SFB / TR 73, zu einem Gesamtmessdatensatz im Hinblick auf eine Qualifizierung des neuartigen Messverfahren für eine holistische Abweichungsanalyse filigraner Geometrieelemente an Werkzeugen zur Blechmassivumformung in der Prozesskette. Neben der Entwicklung von Verfahren zur quantitativen Beschreibung des Werkzeugverschleißes ist zudem die Entwicklung eines prototypischen Aufbaus im Hinblick auf den fertigungsnahen Einsatz des endoskopischen Messsystems geplant.

Die Zielsetzung für den dritten Antragszeitraum ist eine genauere Modellierung des Messsystems zur weiteren Reduzierung von Messabweichungen. Zusätzlich ist eine Integration in einen exemplarischen Blechmassivumformprozess geplant, um eine inline-Prüfung von Blechmassivumformwerkzeugen zu realisieren. 

Die Größe des Messvolumens des Faser-endoskopischen Messsystems beträgt etwa 7x7x5 mm³ bei einer Messgenauigkeit von etwa 7 µm für Verzahnungsgeometrien. Für typische Messobjekte liegt die Messzeit unterhalb einer Sekunde. 

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Steffen Matthias

Einsatzpotential einer örtlich aufgelöst messenden Umformkraftsensorik und Qualifizierung zu einem Prozessüberwachungssystem (AiF)

Das Forschungsprojekt “Einsatzpotential einer örtlich aufgelöst messenden Umformkraftsensorik und Qualifizierung zu einem Prozessüberwachungssystem“ ist von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert und in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) erforscht. 

Ziel dieses Forschungsprojektes war die Neuentwicklung flexiblen und kostengünstigen Messsystems zur Messung der Umformkraft an Stufenpressen, dass durch seine Integration in den Krafthauptfluss deutlich höheren Genauigkeitsansprüchen gerecht wird. Das neue Messsystem kann die Umformkraft ortsauflösend detektieren. Die Vorteile dieser Ortsauflösung sind zum Beispiel die Aufdeckung von Fehlbelastungen des Werkzeuges sowie die automatische Erkennung von Produktionsfehlern im laufenden Prozess. 

Zur Produktion von Bauteilen begrenzter Größe in hohen Stückzahlen mit hohen Umformgraden werden in der Praxis häufig Stufenpressen eingesetzt. Solche Bauteile weisen mehrere, teilweise abgestuft angeordnete Funktionsflächen auf. Die zulässigen Fertigungstoleranzen sind jedoch gering. Zur Herstellung sind mehrere unterschiedliche, genau aufeinander abgestimmte Umformprozesse erforderlich, die mit Hilfe eines mehrstufigen Werkzeugsatzes während eines Stößelhubes gleichzeitig ausgeführt werden.  

Mit Hilfe der hier angewandten Systematik des modellbasierten Sensordesigns können an die Geometrie der Übertragungsflächen bzw. Maschine und Werkzeug angepasste Kraftaufnehmer entwickelt werden, die eine örtlich aufgelöste Kraftmessung ermöglichen. Durch die Nutzung der Informationen aus einer örtlich aufgelösten Kraftmessung eröffnen sich somit bislang ungenutzte Potentiale für die Prozessüberwachung, die zurzeit in diesem Projekt erschlossen werden sollen.

Ansprechpartner: M.Sc. Yinan Li

Messkette

Funktionsintegrierte poröse Implantatbeschichtungen (Ulderup-Stiftung)

Poröse Oberfläche

Die Implantation eines künstlichen Gelenkes, einer Endoprothese, zählt in Deutschland zu den am häufigsten durchgeführten Operationen und gilt mittlerweile als Routineeingriff. Ein kritischer Faktor bei den Endoprothesen ist die Beschaffenheit der Gleitfläche. Da durch Verschleiß verursachte Abriebpartikel Fremdkörperreaktionen des umgebenden Gewebes auslösen können, was wiederum zu einer Lockerung und somit zum Versagen der Endoprothese führen kann, hängt die Lebensdauer der Implantate maßgeblich von der Verschleißfestigkeit und der Schmierung der Gleitfläche ab. Mit den derzeitig eingesetzten Werkstoffpaarungen kann bereits eine Lebensdauer von etwa 15 Jahre erzielt werden. Das bedeutet jedoch, dass vor allem  junge Patienten oftmals von einer kostspieligen und risikoreichen Revisionsoperation betroffen sind.

Ziel des Forschungsprojektes ist daher die Entwicklung funktionsintegrierter, poröser  Implantatbeschichtungen, die zum einen eine hohe Verschleißbeständigkeit durch den Schichtwerkstoff selbst aufweisen und zum anderen eine aktive Reibungsminderung durch die gezielte, gleichmäßige Freisetzung eines biokompatiblen schmierenden Fluides gewährleisten. Darüber hinaus wird die Integration eines "Local Drug-Eluting" Systems zur Freisetzung entzündungshemmender Wirkstoffe angestrebt.

Am IMR erfolgt sowohl die herstellungsbegleitende als auch die abschließende Charakterisierung der Implantatoberflächen mittels bildgebender Verfahren.

Ansprechpartner: M.Sc. Nina Loftfield