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Sprengprägen

Ein neuer, schneller und einfacher Prozess zur Nanostrukturierung harter Oberflächen befindet sich derzeit in der Entwicklungsphase: Das Sprengprägen. Das Institut für Mess- und Regelungstechnik der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover (IMR) und das Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT) haben derzeit den Vorsitz über das Projekt inne, welches sich mit der Anwendbarkeit des Sprengprägeprozesses für Nanostrukturen, wie zum Beispiel holografische Strukturen, befasst. Innerhalb dieses Projekts beschäftigt sich das IMR mit der digitalen Erstellung holografischer Daten, numerischer Simulation und der Auswertung der Transferfunktion des Sprengprägeprozesses.

Ansprechpartner: Dipl.-Phys. B.Sc. Till Scholz

Aktive Mikrooptik

Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen Konzepts für durchstimmbare mikrooptische Systeme auf fluidischer Basis. In einem adaptiven Optofluidiksystem wird eine magnetische Flüssigkeit mit Hilfe von miniaturisierten Spulen bewegt, ein Mechanismus mit dem indirekt die Form einer Flüssigkeitslinse beeinflusst werden kann. Durch das Verschieben einer elektromagnetischen Flüssigkeitssäule, dem Ferrofluid, wird eine zweite, optisch aktive Flüssigkeit in dem Mikrokanalsystem verdrängt. Um eine optimale Anpassung an Anforderungen  wie etwa Brennweite und geometrische Größe, zu gewährleisten, werden sowohl der ferrofluidische als auch der optisch aktive Teil des Systems neu- bzw. weiterentwickelt. Potentielle Anwendungen liegen beispielsweise im Bereich adaptiver Linsensysteme oder durchstimmbarer optischer Filter, wobei sich der gewählte Ansatz besonders für kompakte Systeme mit niedrigem Energie- oder Spannungsbedarf eignet.      

Zunächst soll gezeigt werden, dass es mit einem solchen System möglich wird, die Form einer Flüssigkeitslinse adaptiv zu steuern. In einem weiteren Schritt soll eine brechungsindexangepasste Flüssigkeit in Kavitäten spezifischer geometrischer Form geleitet werden. Je nach Bedarf können ausgewählte optische Elemente mit bestimmten Eigenschaften in den Strahlengang eingebracht werden. Durch das gewählte mikrofluidische Prinzip können unterschiedliche Komponenten der geometrischen und diffraktiven Optik realisiert werden. Insgesamt ermöglicht dieses modular aufgebaute Konzept damit mikrooptische Systeme mit einer breiten Palette von Funktionalitäten. Sowohl die eigentliche Optik als auch der Ansteuerungsmechanismus werden kompakt gebaut. Durch diese Kompaktheit wird es möglichdas System platzsparend in komplexere Systeme zu integrieren.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Thanin Schultheis

Stochastische Strukturen

Multisensormesssystem zur Erfassung stochastischer Defekte
Multisensormesssystem zur Erfassung stochastischer Defekte

Im Rahmen des AiF[1]–Projektes „Stochastische Strukturen“ wird die Auswirkung stochastischer Defekte auf die Funktion von Radial-Wellendichtringen (RWDR) untersucht. Am Projekt nehmen zwei Forschungsstellen teil: Das Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) und das Institut für Maschinenelemente, Konstruktionstechnik und Tribologie (IMKT) der Leibniz Universität Hannover. Das Ziel des gesamten Projektes ist die Beurteilung von stochastischen Oberflächenschäden im Hinblick auf das Funktionsverhalten von RWDR. Hierbei sind insbesondere die Auswirkungen solcher Strukturen auf Leckage und Verschleiß gemeint. Zusätzliches Ziel des IMR ist ein fertigungsnahes Multisensorsystem zur Erfassung von kritischen Oberflächenfehlern zu entwickeln.

Für die Erkennung stochastischer Defekte auf RWDR-Gegenlaufflächen sind Messverfahren notwendig, die geometrische Strukturen sowohl im Bereich von mehreren Millimetern (langwellige Defekte, z.B. Dellen) als auch im Bereich von wenigen zehntel Millimetern (kurzwellige Defekte, z.B. Kratzer) lateral erfassen können. Nach dem Vergleich unterschiedlicher Messmethoden fiel die Entscheidung auf einen Streulichtsensor zur Erfassung langwelliger Defekte und einen chromatischen Sensor zur quantitativen Bestimmung kurzwelliger Defekte.

Multisensorsystem scannt vorerst die Wellenoberfläche mit dem Streulichtsensor und misst langwellige Formabweichungen (Dellen). Parallel sind die kurzwelligen Defekte (Kratzer) mittels Streulichtsensor auch detektiert. Als zweiter Schritt misst der chromatische Sensor quantitativ die Kratzerparameter.

[1] Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke"

Ansprechpartner: Dipl.-Phys. Alexander Leis

Schwingungsmessung an rotierenden Bauteilen

Schwingungsmode einer Trennschleifscheibe, mit dem IMR-Derotator gemessen
Schwingungsmode einer Trennschleifscheibe, mit dem IMR-Derotator gemessen

In vielen Bereichen im industriellen Kontext werden schnell rotierende Bauteile verwendet, wie z. B. in Flugzeug- oder Kraftwerksturbinen. Gerade im High Performance Bereich ist eine Schwingungs- bzw. Modalanalyse unumgänglich, um die Konstruktion und die Betriebsparameter des rotierenden Bauteiles optimal auszulegen und so ein ruhiges Laufverhalten zu garantieren. Ein etabliertes Verfahren zur flächenhaften Schwingungsanalyse stellt die Laser-Doppler-Vibrometrie dar. Bei diesem Verfahren wird ein Objekt an diskreten Punkten mit einem Laserstrahl abgetastet und die Schwingungen mit dem vom Objekt zurückgestreuten Laserlicht unter Ausnutzung des Doppler-Effektes bestimmt. Auf diese Weise können sogar Schwingungsanalysen im Kilohertzbereich durchgeführt werden. Bei rotierenden Objekten kann der Laserstrahl ab einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit nicht mehr mit dem Objekt mitgeführt werden, so dass das Objekt unter dem Laserstrahl wegrotiert. Durch die Kombination aus LDV und Derotator kann der Laserstrahl mit dem rotierenden Objekt mitgeführt und Schwingungsmessungen bis zu einer Objektdrehzahl von n = 10.000 U/min durchgeführt werden. Der Laserstrahl wird durch das Dove-Prisma gelenkt und somit in Rotation versetzt. Zusätzlich muss zur Rekonstruktion der Schwingungsmoden ein Referenz-LDV verwendet werden, dass den Phasenbezug der gemessenen Schwingungen an den diskreten Messpunkten liefert. Auf diese Weise werden z. B. Schwingungsanalysen an einzelnen Lamellen einer Flugzeugturbine möglich.

Bei rotationssymmetrischen Bauteilen, wie Bremsscheiben oder Festplatten, rotieren die auftretenden Schwingungsmoden zumeist mit dem Bauteil mit. Um z. B. die Eigenfrequenzen solcher Moden Fehlerfrei bestimmen zu können, muss das Messsystem mit dem rotierenden Bauteil mitdrehen. Durch den Derotator lässt sich dies einfach realisieren, indem der Laserstrahl des LDV in Rotation versetzt wird. In Abbildung 4 ist exemplarisch eine Schwingungsmode einer Trennschleifscheibe dargestellt, die im Rahmen eines AIF Vorhabens untersucht wurde. Die Messungen wurden mit dem Derotator des IMR und einem scannenden LDV der Firma Polytec durchgeführt.

Ansprechpartner: Dipl.-Phys. Maik Rahlves

Cleansky - Quantification of the Degradation of Microstructured Coatings

Versuchsaufbau bestehend aus Linearachsen, Hochgeschwindigkeitskamera und Projektionsoptik mit Probe

Selbst moderne Passagierflugzeuge benötigen mehrere Tonnen Kerosin pro Stunde. Sowohl aus ökologischen als auch aus ökonomischen Gründen ist es deshalb von hoher Priorität hier Einsparungen zu realisieren. Wie das Projekt „Riblets an Verdichterschaufeln“ zeigt können ribletstrukturierte Oberflächen dazu dienen Reibungsverluste an umströmten Bauteilen drastisch zu minimieren. Ein Ansatz um die Reibungsverluste von Flugzeugen zu minimieren ist die Strukturierung der Flugzeugoberflächen mit Riblets. Mittels von dem imr entwickelten Laboruntersuchungen ist es möglich die Qualität von Riblets lokal zu bestimmen. Für den Einsatz in der Serienproduktion ist es aber von Nöten eine großflächige und zugleich produktionsnahe Qualitätskontrolle sicherzustellen. Hierzu beschäftigte sich das imr in dem von der EU geförderten Projekt Cleansky mit der Entwicklung einer Kontrolleinrichtung basierend auf einer Hochgeschwindigkeitskamera zur Qualität von ribletstrukturierten Oberflächen.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Renke Scheuer

Riblets an Verdichterschaufeln

Mittels Lackierverfahren hergestellte Ribletstrukturen (IFAM, Bremen)

Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Messung von Ribletstrukturen an den Oberflächen von Verdichterschaufeln.

Riblets sind in Strömungsrichtung ausgebildete trapez-, dreieck- oder parabelförmige Rippen, die zur wesentlichen Reduzierung von Wandreibung und somit zu einer signifikanten Verringerung des Gesamtwiderstandes bei turbulenter Umströmung führen. Die typischen Abmessungen der Riblets sind von der Reynolds-Zahl (somit von der  Dichte, Geschwindigkeit des umströmenden Mediums etc.) abhängig und variieren vom mm-Bereich für wässrige bis zum 20 - 50 µm-Bereich für gasförmige Strömungsmedien. Aufgrund der typischen Ribletbreiten für die Verdichterschaufeln, liegen die Spitzenradien der Strukturen im Bereich von 200 - 800 nm.

Solche Abmessungen stellen für die Produktion der Oberflächen ein nicht triviales Problem dar, da die kleinsten Fertigungsabweichungen zu gravierenden Wirkungsänderungen führen können. Umso wichtiger ist die Qualitätskontrolle, welche vorzugsweise durch eine flächenhafte Messung erfolgen soll, um die möglichen örtlichen Fluktuationen entdecken zu können. Hierfür eignet sich das Rasterelektronenmikroskop (REM) prinzipiell sehr gut, da es über eine sehr hohe laterale Auflösung sowie einen großen Messbereich verfügt. Es bringt jedoch einen großen Nachteil mit sich; mit einem REM können lediglich zweidimensionale Bilder aufgenommen werden. Daher beschäftigt sich das IMR seit einiger Zeit mit dem Entwurf eines 3D-Messystemes zur Topografieerfassung auf Basis eines REM.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Renke Scheuer