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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. Yinan Li

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

Multiskalenmethoden für die dimensionelle Charakterisierung von Oberflächen und Grenzschichten(MARIO)

In der Automobilindustrie befassen sich neue Forschungsansätze im Bereich plasmagespritzter Oberflächenbeschichtungen für flüssigkeitsgeschmierte Hochleistungskontaktpaarungen, wie beispielsweise Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren, mit porösen Materialschichtsystemen zur Optimierung des tribologischen Verhaltens und der Schmierung im Hinblick auf Treibstoffeffizienz.

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und Erforschung von Methoden zur dimensionellen Charakterisierung dieser porösen Oberflächenbeschichtungen mit Hilfe von Multiskalenmethoden zur Datenerfassung und Auswertung. Für eine verlässliche Messung der Form, Oberflächenmikrotopographie und der volumetrischen Geometrieinformationen der porösen Materialschichten ist es notwendig, geeignete Kalibrier- und Messstrategien, basierend auf einer Kombination aus Oberflächenmesstechnik und Mikrocomputertomographie, zu entwickeln. Auf Grundlage eines volumetrischen Messdatenmodells sollen Kenngrößen zur quantitativen Beschreibung der dimensionellen Parameter der Geometrieelemente auf bzw. innerhalb der porösen Oberflächenbeschichtung entwickelt werden. Die Korrelation dieser Parameter mit dem tribologischen Verhalten der jeweiligen beschichteten Oberfläche kann entscheidende Information für eine Optimierungder Parameter des Plasmaspritzprozesses liefern.

Ansprechpartner: M.Sc. Yibo Zou

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