• Zielgruppen
  • Suche
 

Inspektion von mikrostrukturierten Oberflächen unter industriellen Bedigungen

Durch eine spezielle Mikrostrukturierung von Oberflächen lässt sich der Strömungswiderstand des jeweiligen Bauteils reduzieren. Die Form dieser Struktur ist der Haut von Haifischen nachempfunden und wird Riblets genannt. Das Einsatzgebiet dieser Struktur findet sich vor allem an der Außenhaut von Flugzeugen und an Verdichterschaufeln von Flugzeugtriebwerken. Die Struktur besteht aus periodischen Erhebungen aus der Bauteiloberfläche. Die Periodenlänge dieser Struktur entspricht dabei - je nach vorherrschender Strömungsbedingung - etwa 50-500 µm und die Strukturhöhe etwa 10-200 µm. Die Strömungs-reduzierende Wirkung der Riblets ist bereits seit längerem bekannt, jedoch sind effiziente Herstellungsverfahren für Riblets noch in Entwicklung.

In diesem Projekt werden neue Messsysteme entwickelt, um den Herstellungsprozess von Riblets effizienter gestalten zu können. Dazu gehört vor allem die Entwicklung von Messsystemen, die mikroskopische Inspektionen nicht nur unter Laborbedingungen erlauben, sondern direkt während des Herstellungsprozesses. Diese Messsysteme müssen einerseits eine sehr hohe Auflösung aufweisen, damit auch Defektstellen im Bereich von <10 µm gefunden werden können. Andererseits müssen die neu entwickelten Messsysteme sehr robust gegenüber allen Herstellungsbedingungen sein. Dazu zählen insbesondere Verunreinigungen etwa durch Kühlmittel während eines Schleifprozesses oder Vibrationen.

Die hohe Auflösung der Messsysteme zur Inspektion von Riblets führt außerdem zu sehr geringen Messbereiche pro Einzelmessung. Im Rahmen des Projekts werden Möglichkeiten untersucht, große, mirostrukturierte Oberflächen trotz der geringen Einzelmessbereiche effizient zu messen.

Die Entwicklung dieser Messsysteme erfolgt im Rahmen des BMBF-Projektes: VIPlets: Nachweis des aerodynamischen Potentials von durch Schleifen und Laserabtrag hergestellten Riblets in einem hochbelasteten Axialverdichter

Ansprechpartner: M.Sc. Thomas Müller

3D-REM Oberflächenmesstechnik mittels räumlich verteilter Everhart-Thornley Detektoren

Prinzipielle Skizze der Struktur zur Reduzierung der Sekundärelektronen mit möglichen Laufbahnen

Oberflächenmesstechnik basierend auf der Rasterelektronenmikroskopie (REM) erlaubt es Materialien bis auf die atomare Ebene zu untersuchen. Dafür wird die Probe mit einem Elektronenstrahl punktweise bestrahlt und resultierende Strahlungsintensitäten aufgezeichnet. Klassische Untersuchungen beschränken sich dabei auf die verschiedenen Intensitäten, die Bildverarbeitungs- oder Visualisierungsmethoden zugeführt werden. Das Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) erforscht seit vielen Jahren eine Methode zur hoch-präzisen 3D Elektronenmikroskopie, die neben Intensitätswerten auch das Oberflächenprofil der Probe rekonstruiert. Diese 3D-REM Messtechnik stellt nicht nur eine einzigartige neue Messmethode dar, sondern eröffnet auch neue Einblicke in die Feinstruktur der Materialoberflächen, aus der neue Analyseverfahren in verschiedensten Anwendungsbereichen entstehen werden. Bis auf weiteres werden diese Methoden der Forschung vorbehalten sein, aber in einigen Jahren könnten diese durch eine Firma wie ZEISS die Marktreife erlangen.

Das vom IMR entwickelte Messverfahren nutzt mehrere Detektoren für sekundäre Elektronen (SE), so dass mit niedrigen Strahlungsenergien gearbeitet werden kann und eine hohe Genauigkeit der Oberflächenrekonstruktion erzielt werden kann. Zur Bildgebung wird dafür die Abstrahlcharakteristik verwendet, aus der sich mit ausgefeilten Materialmodellen die Oberflächenneigung berechnen lässt und auf diese Weise ein Profil der Oberfläche erstellen werden kann.  In einer ersten Entwicklungsstufe wurden dazu zwei Detektoren, angeordnet in einem 180° Winkel, verwendet. Die Ergebnisse waren vielversprechend, so dass in einer weiteren Entwicklungsstufe das System zurzeit auf vier Everhart-Thornley Detektoren und eine aufwändige Elektronen-„Linse“ erweitert wird. Auch hier lassen Simulationen und erste Ergebnisse erwarten, dass die Messergebisse eine neuartige Qualität im Vergleich zu bestehenden Bildgebungsverfahren besitzen. Ein Hindernis bei diesem Ansatz sind Rückstreuelektronen (BSE), die die Messergebnisse verfälschen können, weil diese hochenergetischen Elektronen weitere SE in Oberflächen der Probenkammer auslösen.

Um diesen Effekt maßgeblich zu reduzieren, beabsichtigt das IMR eine Elektronenfalle basierend auf Nanostrukturen zu entwickeln. Damit könnten die unerwünschten Elektronen abgefangen werden und das IMR erwartet die Auslösung der Messungen auf diese Weise weiter steigern zu können. Eine Anordnung der Elektronenfalle an der Kanonenunterseite ist am sinnvollsten, da hier der Großteil der BSE auftrifft.  Die Struktur soll hochenergetische Elektronen aufnehmen und dort entstehende sogenannte SE3 Emission auffangen. Dafür ist es notwendig, neben einem geeigneten Material auch die optimale Oberflächenstruktur für die Elektronenfalle zu finden. Wahrscheinlich ist dies eine Rechtecksignalform, allerdings müssen die Abmessungen der Rechtecke bzw. die Tiefe der Löcher durch mehrere Versuchsreihen ermittelt werden.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Renke Scheuer

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