Mikro-Koordinatenmessgerät inkl. messplatzrelevanter Bauteile und Software
Final Report Abstract
Die Anwendung des Mikro-Koordinatenmessgerätes Zeiss F25 ermöglicht es, hochgenaue 3D-Messungen von Mikro-Komponenten zu bestimmen. Aufgrund technologischer Grenzen verfügbarer und wirtschaftlicher Fertigungsprozesse weisen beispielsweise Mikrozahnräder (mit Modul m ≤ 200 µm) eine große Formabweichung in Relation zur Gesamtgeometrie auf. Um die gewünschte Funktionsfähigkeit der Mikrozahnräder dennoch sicherzustellen, ist eine Prognose ihrer Tragfähigkeit und Lebensdauer von großer Bedeutung. In der am wbk entstandenen Dissertation von Herrn Dr.-Ing. Benjamin Häfner („Lebensdauerprognose in Abhängigkeit der Fertigungsabweichungen bei Mikroverzahnungen“) wurden daher Effekte der Fertigungsabweichung auf die Tragfähigkeit und Lebensdauer untersucht. Hochgenaue flächenorientierte Messungen der betrachteten Mikrozahnräder mittels dem Mirko-Koordinatenmessgeräts dienten dabei als Eingangsgröße der entwickelten Methodik. Es konnte mit taktilen Messverfahren geometrische Merkmale von Mikroverzahnungen < 1 µm bestimmt werden. Zur Erreichung einer dazu notwendigen, geringen Messunsicherheit konnten am wbk konstante Umweltbedingungen durch schwingungsentkoppelte Fundamente für die Mikro-Koordinatenmessmaschine und eine Klimatisierung im Messlabor mit geregelter Temperatur gestellt werden. Die aufgabenspezifische Messunsicherheit für ein exemplarisches industrielles Mikrozahnrad mit Modul 200 µm konnte durch experimentelle Methoden nach DIN EN ISO 15530-3 mittels Mikroverzahnungsnormal der PTB auf 0,8 – 0,9 µm erreicht werden. Der Genauigkeit des hochgenauen taktilen Messverfahrens zu flächenhaften Zahnradmessung ist eine hohe zugehörige Messdauer geschuldet. Für einen produktionsbegleitenden Einsatz der entwickelten Methode sind optische Messverfahren zu qualifizieren, die mittels Verfahren der künstlichen Intelligenz ausgewertete werden, die in kürzlichen Forschungsarbeiten untersucht wurden. Um die Vorteile optischer und computertomographischer Messverfahren für die industrielle Qualitätssicherung von Mikrozahnrädern nutzbar zu machen, ist eine signifikante Reduktion der Messunsicherheiten nötig. Einen heute bereits realisierbaren Ansatz zur Reduktion der Messunsicherheit stellt die Kombination optischer/computertomographischer und hochpräzise taktile Messdaten mittels Methoden der Datenfusion dar. Dabei werden die Punktewolken verschiedener Messmittel in geeigneter Form kombiniert. Das aktuell am wbk Vorhaben „Praxisgerechte Methoden zur flächenorientierten Messung von Mikrozahnrädern mit minimaler Messunsicherheit“ entwickelte Vorgehen besteht aus drei Stufen: Im ersten Schritt werden die Messungen mit den beiden einzelnen Messgeräten durchgeführt und die Messpunktwolken zueinander registriert. Darauf folgt die Fusion der Messdaten zu einer gemeinsamen Punktwolke. Im letzten Schritt kann diese schließlich mittels geeigneter flächenhafter Verzahnungskenngrößen ausgewertet werden. Das Verfahren kann leicht in bestehende Messsysteme und Zahnradsoftware integriert werden. Zur Qualifizierung von prozessintegrierten Messsystemen unter realen Einsatzbedingungen im Produktionsumfeld ist es erforderlich die anwendungsspezifische Messunsicherheit zu analysieren. Dies ist mit der experimentellen Methode (DIN EN ISO 15530-3) mittels bauteilähnlicher kalibrierter Prüfkörper möglich. Dabei sind vielfältige Einflussfaktoren in der Produktion (Temperatur, Verunreinigungen, Bediener, etc.) zu berücksichtigen. Essentiell sind dabei Kalibriermessungen von Prüfkörpern, die mittels dem hochgenauen Mikro-Koordinatenmessgerät Zeiss F25 durchgeführt werden können. Im Rahmen von Arbeiten des wbk, unter anderem im BMBF-geförderten Vorhaben „Adaptive, prozessübergreifende Qualitätsregelkreise mittels photonischer Sensoren zur Identifikation und Qualitätsmessung von Hochpräzisionsbauteilen“ werden notwendige Kalibriermessungen zur prozessintegrierten Messsystemqualifizierung mit dem Mikro-Koordinatenmessgerät Zeiss F25 durchgeführt, um prozessintegrierte optische Messsysteme zu qualifizieren.
Publications
- 2013, Areal Characterization of Micro Gears by Means of Computed Tomography. 11th International Symposium on Measurement and Quality Control 2013
Lanza, G.; Haefner, B.
- 2013, Flächenhafte Messung von Mikrozahnrädern mittels Computertomographie und Koordinatenmesstechnik. wbk Institut für Produktionstechnik, KIT, Karlsruhe
Lanza, G.; Haefner, B.
- 2013, Methodology for the lifetime prediction of micro gears dependent on present shape deviations and the material structure, Proceedings of ESREL, 22nd European Safety and Reliability Conference
Lanza, G.; Haefner, B. & Gibmeier, J.
- 2013, „Measurement Setup for the Experimental Evaluation of Micro Gears“. Proceedings of euspen 13th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, S. 128–131
Lanza, G. & Haefner, B.
- 2015, Finite Element Simulation for Quality Dependent Lifetime Analysis of Micro Gears“. Proceedings of CMMO, 15th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations. Procedia CIRP 31, S. 41–46
Haefner, B.; Quiring, M.; Gullasch, J.; Glaser, G. & Lanza, G.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.047) - 2015, Function-Oriented Measurements of Micro Gears for Lifetime Evaluation. Proceedings of SENSOR. 17th International Conference on Sensors and Measurement Technology, S. 441–446
Haefner, B. & Lanza, G.,
- 2015, Funktionsorientierte Qualitätssicherung zur Lebensdauerprognose von Mikrozahnrädern. Tagungsband 5. Kongress zur Getriebeproduktion (GETPRO), S. 267–278
Haefner, B. & Lanza, G.
- 2015, Quality Dependent Lifetime Prognosis of Micro Gears, Proceedings of ICG 6th International Conference on Gears, S. 11m 1–10
Haefner, B. & Lanza, G.
- 2017, Funktionsorientierte Messung und Unsicherheitsermittlung zur Lebensdauerprognose von Mikrozahnrädern. 8. Kolloquium Mikroproduktion
Haefner, B.; Biehler, M.; Lanza, G.
- 2017. Function-oriented measurements and uncertainty evaluation of microgears for lifetime prognosis. CIRP Annals-Manufacturing Technology
Haefner, B. and Lanza, G.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirp.2017.04.065)
