1
IWTLFMIfS
Klausurtagung SFB 747am 24. + 25.09.2008 in Barnstorf
N. Wang (BIAS)K. Lübke (BIMAQ)A. Kirchheim (BIBA)
B5 Sichere Prozesse
Teilprojektleiter wiss. Mitarbeiter
C. v. Kopylow (BIAS)G. Goch (BIMAQ)B. Scholz-Reiter (BIBA)
2
IWTLFMIfS
Ziel
Qualitätsprüfung des Mikroumformprozesses
Entwicklung einer optischen Messtechnik zur schnellen Formerfassung des Mikrobauteils (Wang)Wechselwirkung zwischen Messunsicherheit und Prozessfähigkeit (Lübke)Qualitätsprüfung und Qualitätslenkung in Mikrofertigungs- prozessen (Kirchheim)
B5 Sichere Prozesse
3
IWTLFMIfS
2007 2008 2009 2010Arbeitspakete
AP 1: Projekt-AK‚ Sichere Prozesse (Alle)
AP 2: Holografische Mikroskopie (Wang)
B5 Sichere Prozesse
AP 3: Implementation digitaler Holografie (Wang)
AP 4: Gewinnung Formdaten (Wang)
AP 5: Kalibrierung und Validierung (Wang)
Soll
Soll
Soll
Soll
Soll
4
IWTLFMIfS
Ziel
Grundlegende Voruntersuchungen für den Einsatz der digitalen Holografie
Verfahrenssimulation: Geometrie erreichbare AuflösungOberflächencharakteristika: StreuverhaltenStrahlquellen: Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Rauheit
B5 Sichere Prozesse
Arbeitspaket 02
5
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Das zu messende Mikrobauteil
B5 Sichere Prozesse
Messungsverfahren:
•Triangulationssensoren-spiegelnder Sensor-diffuser Sensor-mit Halterung
•Interferometer
•Mikroskop
6
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Messung mit spiegelndem Sensor
B5 Sichere Prozesse
• Ungefähr 6 Stunden Messdauer mit 1250 x 1250 und 1 µm
• Strukturen erkennbar
• Das Oberteil kann gemessen werden
7
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Messung mit diffusem Sensor
B5 Sichere Prozesse
• Ungefähr 2 Stunden Messdauer mit 512 x 512 und 5 µm
• Form wird oben und unten erfasst
• Der überwiegende Teil der Kante kann nicht gemessen werden
8
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Einsatz einer Halterung
B5 Sichere Prozesse
drehbar gelagert;Einstellbare Position jeweils in Winkelschritten von 30°
Spitze zur Aufnahme des Napfbauteils
9
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Mit diffusem Sensor und Halterung
B5 Sichere Prozesse
10
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Mit diffusem Sensor und Halterung
B5 Sichere Prozesse
• Ungefähr 2 St. Messdauer für jede Messung
• Die Kante des Napfes kann gemessen werden
• zu aufwendig
• Strukturen schwer erkennbar
11
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Messung mit digitaler Interferometrie
B5 Sichere Prozesse
• Zweiwellenlängenmethode
(570 nm und 575 nm)
• Messdauer ca. 10 s
• Messung der Oberfläche, Strukturen erkennbar
• Kanten nicht messbar wegen hoher Krümmung
12
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Messung mit Mikroskop (Fa. Keyence)
B5 Sichere Prozesse
13
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Versuchsgeometrie in Simulation
B5 Sichere Prozesse
Parameter:Strahlengänge•N.A.•Winkel zwischen Objekt- und Referenzstrahl•Specklegröße•Abtasttheorem
Auflösung
14
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Numerische Apertur (N.A.)
B5 Sichere Prozesse
F
Linse
Objekt
α
WD
WD: Arbeitsabstandα: Halber ÖffnungswinkelN.A.: sin(α)
15
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
Winkel θ zwischen Objekt- und Referenzstrahl
B5 Sichere Prozesse
Blende
F F
F
F
Blende
Linse
Objekt
Objekt
Bild
Bild
θmax
CCD
θmax
CCD
Z
Z
16
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
•Specklegröße S
B5 Sichere Prozesse
A
ZS
F F
Blende
Objekt
Bild
θmax
CCD
Z
•Verhältnis W zwischen Specklegröße S und Pixelgröße ΔK
2
K
SW
17
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
erreichbare Auflösung
B5 Sichere Prozesse
GB
ZObj
'
Blende CCD mit Länge/Breite B
Z
G mal vergrößertes Bild
18
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 02
B5 Sichere Prozesse
Erkenntnisgewinn• Untersuchung der Oberflächencharakteristika durch
Triangulationssensoren, Interferometrie und Mikroskop.• Wechselwirkung zwischen Parameter der Versuchsgeometrie und
Auflösung.• Festlegung der möglichen Geometrien nach Simulationsergebnis der
Auflösung.
Ausblick• Streuverhalten der Mikrobauteile zu untersuchen• Diese mögliche Geometrien am Laborsaufbau zu testen
19
IWTLFMIfS
B5 Sichere Prozesse
Arbeitspaket 03
Ziel
Laboraufbau zur Messung der Geometrie der Mikrobauteile zu realisieren
• Erstellung des auf die MUM übertragbaren Laboraufbaus: Testen unterschiedlicher Geometrien (aus AP2)• Ermittelung der erreichbaren Auflösung und Kalibrierung• Analyse der Messunsicherheit für unterschiedlichen Bauteile und Aufbaugeometrien
20
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 03
Laboraufbau
B5 Sichere Prozesse
Geometrie mitbestimmtenParameteraus AP2
Auflösung
21
IWTLFMIfS
Ziele
Entwicklung einer optischen Messtechnik zur schnellen Formerfassung des Mikrobauteils (Wang)
Bereitstellung simulierter Bauteildaten (AP 6)Untersuchung der Unsicherheiten (AP 7)
Messunsicherheit (zufällig/systematisch)Auswertungsalgorithmen (Approximation)
Wechselwirkung zwischen Messunsicherheit und Prozessfähigkeit (AP 8)
Zusätzliche Überprüfung der Hologramme mit KNN (Kirchheim)Qualitätslenkung (Kirchheim)
B5 Sichere Prozesse
22
IWTLFMIfS
2007 2008 2009 2010Arbeitspakete
AP 6: Erstellen von Bauteildaten mittels Simulation (Lübke)
AP 7: Untersuchung der Unsicherheit bei der Berechnung von geometrischen Kenngrößen(Lübke)
B5 Sichere Prozesse
AP 8: Untersuchung der Wechsel-wirkung zwischen Messunsicherheitund Prozessfähigkeit (Lübke)
Soll
Soll
Soll
23
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 06• Simulation von Testprofilen mit bekannten Eigenschaften
zur Überprüfung der Approximationsalgorithmen• Simulation von Testprofilen
B5 Sichere Prozesse
KreisZylinder
Extra-punkt
24
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 06
• Simulation komplettes Mikroumformbauteil mit definierten zufälligen Unsicherheiten, zukünftig auch Welligkeiten.
B5 Sichere Prozesse
-0.50
0.5
-0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2
-0.5
0
0.5
1
x-axisy-axis
z-ax
is
45°
Prinzip der Messung mit digitaler Holografie
z in
w.E
.
x in w.E.y in w.E.
25
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 06
B5 Sichere Prozesse
• Abschätzung der Messunsicherheit der digitalen Holografie (Wang)
• In welcher Richtung wirkt sich die Messunsicherheit aus? (Wang)
• Anpassung der simulierten Profile an die reale Messtechnik
• Wie kann man die einzelnen Geometrie-Elementeeiner Punktwolke separieren? (nicht im Antrag)
-0.50
0.5
-0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2
-0.5
0
0.5
1
x-axisy-axisz-
axis
Zylinder, Torus, Ebene
26
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 07
1. Anzahl (Mess-) Punkte > Freiheitsgrade der Approximation überbestimmtes Gleichungssystem
2. Lösen durch Minimieren der Abstände vom Element
3. Approximation nach Zielfunktion
B5 Sichere Prozesse
R
(X, Y)di
Beispiel: Kreis in 2D• Position im Raum: Mittelpunkt (X, Y)• Element Parameter: Radius R
• di: Abstand des (Mess-) Punktes mit Index i
27
IWTLFMIfS
.:2
1
1
22 MindQNormL
n
iiG
Zielfunktionen in der Geometrie-Messtechnik:• Gauß• Tschebyscheff
B5 Sichere Prozesse
.sup: MindQNormT iT
weitverbreitet in der Geometrie-Messtechnik
beispielsweise Formabwei-chungen, MI/MC Elemente (Maß und Bezugselemente)
Arbeitspaket 07
28
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 07Approximation von• Gauß-, • Tschebyscheff- A• Hüll- (Minimum Circumscribed) B• Pferchelementen (Maximum Inscribed) C
B5 Sichere Prozesse
t
(X, Y) (X, Y)
R RR
t: Rundheitsabweichung nach DIN ISO 1101
A B C
29
IWTLFMIfS
0 5 10 15 20
-10
-5
0
5
10
x-axis
y-ax
is
Arbeitspaket 07
Tschebyscheff-Kreis
B5 Sichere Prozesse
(X,Y)
R
y in
w.E
.
x in w.E.
30
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 07
B5 Sichere Prozesse
0 5 10 15 20
-10
-5
0
5
10
x-axis
y-ax
is
(X,Y)
R
0 5 10 15 20
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
x-axis
y-ax
is
R
Pferchkreis Hüllkreis
(X,Y) y in
w.E
.
x in w.E.
y in
w.E
.
x in w.E.
31
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 07Weitere Beispiele
Pferchzylinder Hüllkugel Tschebyscheff-Ebene
B5 Sichere Prozesse
32
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 07
B5 Sichere Prozesse
• Abschätzung der Unsicherheit für Tschebyscheff-, Hüll- und Pferchelemente allgemeingültiger Ansatz
• Approximation von Kegel/Torus und entsprechenden Hüll-/Pferchelementen
• Wie kann man die einzelnen Geometrie-Elemente einer Punktwolke separieren? (nicht im Antrag)
33
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 08Jetziger Stand:• Neue DIN ISO 21747 (2007) bietet vereinfachtes
Formelwerk für Prozessleistungsgrößen• Neben Normalverteilung auch andere Verteilungen• Annahme: Prozesse beherrscht• Untersuchung große Anzahl Bauteile MUM
B5 Sichere Prozesse
34
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 08Weiteres Vorgehen:• Auftretende Unsicherheiten
• Approximation• Messunsicherheit
• Untersuchung der stat. Methoden in GUM(DIN V ENV 13005)
• Untersuchung der stat. Methoden in DIN ISO 21747• Sind Auswertemethoden in GUM und DIN ISO 21747
redundant vorhanden?
B5 Sichere Prozesse
35
IWTLFMIfS
Arbeitspaket 08Weiteres Vorgehen:• Diskussion mit IfS (Wosniok)
Ausblick• Simulation einer Serienfertigung, beispielsweise
Durchmesser eines Näpfchens• Auswertung
B5 Sichere Prozesse
36
IWTLFMIfS
Ziel:• Welche Mikrogeometrien sind möglich?• Wie können Mikrobauteile gespannt werden?• Welches Equipment bietet diese Möglichkeit?
Keine kurzfristige Lösung für die Messung eines Mikronapfes auf vorhandenen Messgeräten
B5 Sichere Prozesse
OberflächenmesstechnikMikrobauteileGeometrie-Messtechnik
(Maß, Form- und Lageabweichungen)
> >
Aktueller Stand Messung von Mikrobauteilen oder Makrobauteilen mit Mikroeigenschaften
37
IWTLFMIfS
Aktueller Stand Messung von Mikrobauteilen oder Makrobauteilen mit Mikroeigenschaften
B5 Sichere Prozesse
Mitutoyo CS-5000H CNC
Mahr Primar MX4
Mahr PGK 120
Mahr LD 120
Leitz Ref. 10.7.6/B4
38
IWTLFMIfS
Aktueller Stand Messung von Mikrobauteilen oder Makrobauteilen mit Mikroeigenschaften
Tiefziehwerkzeuge im SFB 747
B5 Sichere Prozesse
B3B3 B3
auf Primar MX4> Ø 0.5mm
RR
39
IWTLFMIfS
Aktueller Stand Messung von Mikrobauteilen oder Makrobauteilen mit Mikroeigenschaften
Tiefziehstempel
B5 Sichere Prozesse
40
IWTLFMIfS
Aktueller Stand Messung von Mikrobauteilen oder Makrobauteilen mit Mikroeigenschaften
Tiefziehring
B5 Sichere Prozesse
41
IWTLFMIfS
Simulation von Tiefenbildern
B5 Sichere Prozesse
Approximationsalgorithmen und Künstliche Neuronale Netze
D <= 1mm
Qualitätsprüfung ?Qualitätslenkung
42
IWTLFMIfS
Simulation von Tiefenbildern
B5 Sichere Prozesse
-0.50
0.5
-0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2
-0.5
0
0.5
1
x-axisy-axis
z-ax
is
Approximationsalgorithmen und Künstliche Neuronale Netze
D <= 1mm
Qualitätsprüfung ?Qualitätslenkung
43
IWTLFMIfS
Simulation von Tiefenbildern
B5 Sichere Prozesse
-0.50
0.5
-0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2
-0.5
0
0.5
1
x-axisy-axis
z-ax
is
Lübke: Simulation unsicher-heitsbehafteter Mikronäpfe Wang: Mesh in GeoMagic
Wang: Transformation Mesh Tiefenbild
x in w.E.y in w.E.
z in
w.E
.
44
IWTLFMIfS
Auswertung von Tiefenbildern
B5 Sichere Prozesse
• Auswertung im „Fringe Processor“ (BIAS)
• Zufällige Unsicherheit 1µm
-0.5
0
0.5
-0.8-0.6
-0.4-0.2
00.2
-0.5
0
0.5
1
x-axis
y-axis
z-axis
45
IWTLFMIfS 45
2007 2008 2009 2010Arbeitspakete
AP 9: Logistische Qualitätsplanung
AP 10: Methodik zur automatisierten, intelligenten Klassifikation von Qualitätsabweichung
B5 Sichere Prozesse
AP 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung
Soll
Soll Soll
Soll
46
IWTLFMIfS 46
Arbeitspaket 09: Logistische Qualitätsplanung
Ziel:Durchführung einer Qualitätsplanung
Qualitätsplanung: Teil des Qualitätsmanagements, der auf das Festlegen der Qualitätsziele und der notwendigen Ausführungsprozesse sowie der zugehörigen Ressourcen zum Erreichen der Qualitätsziele gerichtet ist [DIN ISO 9001:2005]
B5 Sichere Prozesse
47
IWTLFMIfS 47
Arbeitspaket 09: Logistische Qualitätsplanung
Vorgehen:•Festlegung des zu betrachtenden Umfeldes•Untersuchung von Mikrobauteilen•Festlegung von Qualitätsabweichungen
B5 Sichere Prozesse
48
IWTLFMIfS 48
Ergebnisse
B5 Sichere Prozesse
49
IWTLFMIfS
B5 Sichere Prozesse
Festlegung von Schnittstellen:• XML Schnittstelle zum BIMAQ• .flt (float Daten) für die Tiefenbilder des bias
49
bottomplane
topplane
cylinder
bottomtorus
toptorus
50
IWTLFMIfS
B5 Sichere Prozesse
Untersuchung von Mikrobauteilen (45 Stk.)• Falten (21,43%)• Risse (14,29%)• abgelöster Deckel (2,38%)• Deformationen (35,71%)
50
500µm 500µm
51
IWTLFMIfS 51
Arbeitspaket 10: Methodik zur automati-sierten, intelligenten Klassifikation von Qualitätsabweichung
Ziel: Entwicklung eines Verfahrens zur Prüfung von Mikrobauteilen
B5 Sichere Prozesse
52
IWTLFMIfS 52
Arbeitspaket 10: Methodik zur automati-sierten, intelligenten Klassifikation von Qualitätsabweichung
Vorgehen: • Auswahl von Merkmale auf den Tiefendaten• Wahl von geeigneten Datensätzen• Auswahl von neuronalen Netzen (& weiteren Verfahren)Schwierigkeiten: • Keine realen Tiefenbilder vorhanden
• Eigene Simulation von Bildern• Datensätze mit Hilfe alternativer Messverfahren• Simulation von Tiefenbildern (Lübke, Wang)
B5 Sichere Prozesse
53
IWTLFMIfS
B5 Sichere Prozesse
Tätigkeiten:
• Simulation eigener Datensätze
• Einarbeitung in den Fringe Processor– Programmierumgebung– Einrichtung der ersten Funktionen– Überblick bestehender Funktionen beschafft
53
54
IWTLFMIfS 54
B5 Sichere Prozesse
55
IWTLFMIfS 55
Arbeitspaket 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung
Ziel:• Konzept für eine Qualitätslenkung im Mikrobereich
Qualitätslenkung:Teil des Qualitätsmanagements, der auf die Erfüllung von Qualitätsanforderungen gerichtet ist.
B5 Sichere Prozesse
56
IWTLFMIfS 56
Arbeitspaket 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung
Vorgehen:• Exemplarische Prozesse der Mikrofertigung aufnehmen• Identifikation von Schwachstellen bei der Qualitätslenkung
B5 Sichere Prozesse
57
IWTLFMIfS 57
Arbeitspaket 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung
Ergebnisse:• Aus dem IVAM ca. 30 Unternehmen ausgewählt• Fragebogen entwickelt• Unternehmen kontaktiert
B5 Sichere Prozesse
58
IWTLFMIfS
B5 Sichere Prozesse
Ausblick und gemeinsames Ziel:
Bis Ende 2008 ist der vollständige Prozess bestehend aus dem Gewinnen von Messdaten, Übergabe an Kirchheim und Lübke sowie Auswertung der Daten durchlaufen.
58
59
IWTLFMIfS
B5 Sichere Prozesse
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
60
IWTLFMIfS
61
IWTLFMIfS
50 100 150 200 250 300 3500.97
0.98
0.99
1
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
1.06
exponent p
QT in
mm
Einschließung der Approximation
• Jensensche Ungleichung
pn
i
pi
pd
nlb
1
1
1
1
pn
i
pidub
1
1
n: number of points
Qp
Quelle: Goch, G., Annals of the CIRP39/1:553-556 and 41/1:597-600
1TQ
.limsup
1
1
MindQdQpn
i
p
ip
piT
hier Exponent p:50 < p < 100
Exponent p
62
IWTLFMIfS
Ausblick
Weiteres Vorgehen• Simulation unsicherheitsbehafteter Mikroumformbauteile zur
Generierung simulierter Hologramme• Kontinuierliche Anpassung der simulierten Punktwolken an die realen
Gegebenheiten der Digitalen Holografie• Prüfen des Durchlaufs eines kompletten Prozesses bis Ende 2008• Bestimmung und Darstellung der Unsicherheit von Approximations-
algorithmen• Wechselwirkung zwischen Unsicherheiten und Prozessfähigkeit
aufbauend auf µ-EWMA Karte (Universität Karlsruhe)
• Extra: Messen der rechteckigen Mikroumformwerkzeuge
63
IWTLFMIfS
Hüllkreis
)max( ifixMCC dRR
(X,Y)
Rfix
max(di)
RMCC
• Modified Tschebyscheff-Approximation without parameter R only center-point (X, Y) is calculated
• Set R to a fix value Rfix (all points outside of the initial solution)
• Approximate spatial position X and Y by T-Norm
• The position of center-point (X, Y) is influenced by the maximum distances touching points of the MCCircle
64
IWTLFMIfS
Veröffentlichungen
• Lübke, K; von Freyberg, A.; Goch, G.: Approximation von Tschebyscheff-Kreisen zur Berechnung von Hüll-/Pferchkreisen und Rundheitsabweichungen. Tagungsband XXI. Messtechnisches Symposium des Arbeitskreises der Hochschullehrer für Messtechnik e.V., Paderborn, 2007, S. 93-102.
• Goch, G.; Lübke, K.: Tschebyscheff Approximation for the Calculation of Maximum Inscribed/Minimum Circumscribed Geometry Elements and Form Deviations. Annals of the CIRP, 2008, 57/1:517-520.