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

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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.