Laufende Projekte

Im Bereich Fertigungsmesstechnik werden unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Tino Hausotte zurzeit folgende Forschungsprojekte bearbeitet:

Rückführbarer taktiler, aktiver, kraft- und momentmessender Koordinatenmesssystem-Messkopf (TraceForceProbe); FKZ: HA 5915/17-1

Rückführbarer taktiler, aktiver, kraft- und momentmessender Koordinatenmesssystem-Messkopf

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Projektleitung:
Projektbeteiligte:
Projektstart: 1. Januar 2024
Projektende: 31. Dezember 2026
Akronym: TracForceProbe
Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

Abstract:

Das geplante Projekt beinhaltet die Konzeption, den Entwurf, die Realisierung und die Verifizierung eines neuartigen taktilen, aktiven, kraft- und momentmessenden Koordinatenmesssystem-Messkopfes sowie die begleitenden grundlagenwissenschaftlichen Untersuchungen inklusive zur Rückführung der Messung der Antastkräfte und der Auslenkung des Tasters. Die Neuerungen des Messkopfes sind der Verzicht auf elastische Federsysteme und die Levitation des Tasters, die Antastkrafterzeugung vollständig mit Lorentzkräften, die in situ-Kraftkalibrierung gemäß dem Kibble-Prinzip sowie die spezielle Anordnung der Aktoren als Parallelkinematik und der Positionssensoren als Parallelmetrologie. Neben der Positions- und Kraftmessung soll die zusätzliche Messung der Orientierung und auftretenden Momente an der Tasterwechselplatte die Untersuchung neuartiger Korrekturansätze zur Reduzierung der Messunsicherheit für Messungen mit auskragenden und langen Tastern ermöglichen. Die verkürzte Rückführung der Kraft- und Momentmessung und die angestrebte geringe Messunsicherheit der Antastkraft soll es gestatten, die Antastkraft über mehrere Größenordnungen, mit zu erarbeitenden neuen Antaststrategien, gezielt zu variieren. Dies soll einerseits eine signifikante Reduzierung des minimalen Tastkugeldurchmessers und andererseits genaue Messungen von Objekten aus Aluminium oder Kunststoff sowie mit empfindlichen Oberflächen in konventionellen Koordinatenmessgeräten erlauben. Die Erzeugung und rückführbare Messung von Antastkräften bis 2 N mit Unsicherheiten von 20 mikro N + Messwert·0,0001 sowie die Kalibrierung der Antastkräfte ohne zusätzliche, externe Kraftkalibriereinrichtungen soll ermöglicht werden. Der Wechselteller mit Taster soll mit einem levitierenden Flotor (abgeleitet von Fliegen und Rotor) gekoppelt und dessen Lage (Position und Orientierung) mit Hilfe der Signale aus drei zu erarbeitenden, optoelektronischen 2D-Positionssensoren als Parallelmetrologie und von mindestens sechs Tauchspulenaktoren als Parallelkinematik geregelt werden. Die von den Aktoren erzeugten Lorenzkräfte dienen sowohl der Aufrechterhaltung des Levitationszustandes des Flotors als auch zur Messung der auf den Taster und levitierenden Flotor wirkenden Kräfte und Momente, die im Falle einer Einzelantastung oder eines Scanvorganges an einer Messobjektoberfläche auftreten. Die primäre Messung der Antastkraft nach dem Kibble-Prinzip ermöglicht eine Rückführung auf Naturkonstanten entsprechend des neuen, seit Mai 2019 gültigen, SI-Einheitensystems. Die Rückführung der Messung der Position und Orientierung soll über die primäre laserinterferometrische Längenmessung des für die Untersuchungen und Auslenkungskalibrierung genutzten Koordinatenmesssystems erfolgen. Besondere Herausforderungen werden an das Messdatenerfassungs- und Reglerkonzept gestellt, um den Flotor auch während der Antastung in einem Kräfte- und Momentengleichgewicht zu halten und gesteuerte, geregelte und Freiformscans durchführen zu können.

Publikationen:

    Realistische Simulation realer Röntgencomputertomografie-Systeme mit basisqualifizierter Simulationssoftware (CTSimU2); FKZ: 03TN0049A

    Realistische Simulation realer Röntgencomputertomografie-Systeme mit basisqualifizierter Simulationssoftware - CTSimU2

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Gesamtprojekt)

    Projektleitung:
    Projektbeteiligte:
    Projektstart: 1. Oktober 2022
    Projektende: 30. September 2024
    Akronym: CTSimU2
    Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
    URL: https://www.ctsimu.forschung.fau.de/

    Abstract:

    Das Förderprojekt „Realistische Simulation realer Röntgencomputertomografie-Systeme mit basisqualifizierter Simulationssoftware - CTSimU2“ baut auf den Ergebnissen des Projektes CTSimU („Durchstrahlungssimulation für die Messunsicherheitsbestimmung beim Messen geometrischer Merkmale mittels Röntgen-Computertomographie“) auf. In diesem Projekt wurde eine objektive und standardisierte Bewertung von Simulationssoftwares zur Anwendung bei der Röntgen-CT für dimensionelle Messungen in Form eines (Basis-)Qualifizierungsframeworks erarbeitet. Dabei stand die ausreichende physikalische Korrektheit der Durchstrahlungssimulation im Vordergrund. Für die realitätsnahe Simulation einer CT-Anlage in einer Simulationssoftware (digitaler Zwilling) ist jedoch nicht nur die Korrektheit der Simulationssoftware selbst, sondern auch die Güte der Parametrisierung des realen CT-Systems in der Simulationssoftware entscheidend – dies stellt den Ausgangspunkt des 2. Projektes CTSimU2 dar. Die Parametrisierung eines CT-Systems in einer Simulationssoftware lässt sich in vier Schritte unterteilen: nach der Datenaufnahme am realen CT-System (Schritt 1) folgt die Auswertung der aufgenommenen Daten für die Generierung allgemeiner Parameterangaben (Schritt 2). Als letztes folgt die Übertragung der Parameter in die spezifischen Simulationssoftwares (Schritt 3) und die Validierung der resultierenden Simulationsparameter durch einen geeigneten Test (Schritt 4). Die Methodik der Datenaufnahme am CT und die Auswertung der Daten sollen in einem Werkzeugkasten allgemein beschrieben werden. Der dritte Schritt, die Übertragung der Parameter, ist softwarespezifisch und wird beispielhaft mit den vorhandenen Simulationssoftwares durchgeführt. Die Validierung der Parameter ist standardisierbar und soll durch einen zu entwickelnden Test geleistet werden, auf dessen Basis die ausreichend korrekte Simulation einer realen Anlage beurteilt werden kann. Endresultat des Projektes ist ein Richtlinienentwurf (z. B. für der Richtlinienreihe VDI/VDE 2630) zu diesem Test, der einen informativen Annex zum Stand der Technik bezüglich der Möglichkeiten zur Parameterbestimmung enthält. Mit einer Simulationssoftware, die die Basisqualifizierung aus CTSimU bestanden hat und einen Parameterdatensatz für ein reales CT-System enthält, der den Test aus CTSimU2 bestanden hat, sollten realistische Simulationen dieses CT-Systems möglich sein. Das Projekt wird in der Förderrichtlinie WIPANO, administriert durch den Projektträger Jülich und finanziert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages, unter dem Förderkennzeichen 03TN0049A gefördert.

    Publikationen:

    Konzeptionelle Entwicklung und Evaluation eines temperaturkorrigierten fokusabstandsmodulierten Konfokalsensors (InMoKoSens); FKZ: 13N16280

    Konzeptionelle Entwicklung und Evaluation eines temperaturkorrigierten fokusabstandsmodulierten Konfokalsensors

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Titel des Gesamtprojektes: Industrielle fokusabstandsmodulierte, konfokale Abstandssensoren (InMoKoSens)
    Projektleitung:
    Projektbeteiligte: ,
    Projektstart: 1. Juli 2022
    Projektende: 30. Juni 2025
    Akronym: InMoKoSens
    Mittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

    Abstract:

    Die dimensionelle Messung und Prüfung der Formabweichungen, der Rauheit oder von Schichtdicken hochpräziser und ggf. miniaturisierter und mikrostrukturierter Bauteile stellt die Messtechnik vor gänzlich neue Herausforderungen. Beispiele für solche Bauteile sind etwa bei optischen Komponenten zu finden, wie z. B. Freiformoptiken, Mikrolinsenarrays, adaptive Optiken, sowie mikro-elektro-mechanische Systeme. Hierzu werden insbesondere immer schnellere und hochpräzisere optische (also berührungslose) Antastsensoren benötigt, die in Oberflächen- und Koordinatenmessgeräte integriert werden.
    Die Konfokalmikroskopie, bei welcher das Messobjekt punktweise abgetastet wird, zeichnet sich durch ihre hervorragende Strukturauflösung im Vergleich zu anderen optischen Sensoren aus. Auf der anderen Seite bedingt das Messverfahren aufgrund der punktweisen Abtastung auf vielen axialen Höhen eine relativ geringe Messgeschwindigkeit. Um diese Geschwindigkeit zu erhöhen, soll im Rahmen des Verbundprojekts „Industrielle fokusabstandsmodulierte, konfokale Abstandssensoren (In‑MoKoSens)“  industrietauglicher hochfrequent fokusabstandsmodulierter Konfokalsensor und eine speziell angepasste Signalauswertung entwickelt werden, welche in Kombination mit einem neuartigen Ansatz zur Kompensation von temperaturbedingten Messabweichungen eine nachgeführte Messung mit einem lateralen Scan und einer Präzision im einstelligen Nanometerbereich ermöglicht. Das Sensorprinzip, mit dem in Voruntersuchungen bereits sehr gute messtechnische Eigenschaften nachgewiesen wurden, soll durch entsprechende Anpassung der Optik, der Mechanik, sowie des Soft- und Hardwaredesigns in einen robusten industrietauglichen Demonstrator überführt werden.

    Publikationen:

      SFB/Transregio 285 Methodenentwicklung zur mechanischen Fügbarkeit in wandlungsfähigen Prozessketten - Metrologie für Fügeprozesse und -verbindungen (C05) (TRR 285 C05); FKZ:

      Metrologie für Fügeprozesse und -verbindungen (C05)

      (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

      Titel des Gesamtprojektes: SFB/Transregio 285 Methodenentwicklung zur mechanischen Fügbarkeit in wandlungsfähigen Prozessketten
      Projektleitung:
      Projektbeteiligte: , ,
      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.

      Publikationen:

      Traceable industrial 3D roughness and dimensional measurement using optical 3D microscopy and optical distance sensors (TracOptic); FKZ: 20IND07

      Traceable industrial 3D roughness and dimensional measurement using optical 3D microscopy and optical distance sensors

      (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

      Titel des Gesamtprojektes: Traceable industrial 3D roughness and dimensional measurement using optical 3D microscopy and optical distance sensors
      Projektleitung:
      Projektbeteiligte: ,
      Projektstart: 1. Juni 2021
      Projektende: 31. Mai 2024
      Akronym: TracOptic
      Mittelgeber: The European Metrology Programme for Research and Innovation (EMPIR)
      URL: https://www.ptb.de/empir2021/tracoptic/home/

      Abstract:

      To remain competitive European manufacturers strive to make constant improvements in their manufacturing processes. The surface topography of a component part can have a profound effect on the function of the part. This is true across a wide range of industries (such as precision engineering, automotive and medical). It is estimated that surface effects cause 10 % of manufactured parts to fail which has financial implications. Optical measuring systems are widespread in surface and coordinate metrology as they are fast, with high resolution, and contactless (aspects that are essential for the factory of the future). Unfortunately, optical measurements are not often used in industry as they are not traceable. This is due to the complexity of the interaction between the object’s surface and measuring system. This project aims to improve the traceability of 3D roughness and dimensional measurements using optical 3D microscopy and optical distance sensors. Data evaluation, and uncertainty estimation methods will be developed, and be made accessible to industry by good practice guides, publications, training courses etc.

      Publikationen: