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Analysis of dimensional accuracy for micro-milled areal material measures with kinematic simulation
(2021)
The calibration of areal surface topography measuring instruments is of high relevance to estimate the measurement uncertainty and to guarantee the traceability of the measurement results. Calibration structures for optical measuring instruments must be sufficiently small to determine the limits of the instruments.
Besides other methods, micro-milling is a suitable process for manufacturing areal material measures. For the manufacturing by micro-milling with ball end mills, the tool radius (effective cutter radius) is the corresponding limiting factor: if the tool radius is too large to penetrate the concave profile details without removing the surrounding material, deviations from the target geometry will occur. These deviations can be detected and excluded before experimental manufacturing with the aid of a kinematic simulation.
In this study, a kinematic simulation model for the prediction of the dimensional accuracy of micro-milled areal material measures is developed and validated. Subsequently, a radius study is conducted to determine how the tool radius r of the tool influences the dimensional accuracy of an areal crossed sinusoidal (ACS) geometry according to ISO 25178-70 [1] with a defined amplitude d and period length p. The resulting theoretical surface texture parameters are evaluated and compared to the target values. It was shown that the surface texture parameters deviate from the nominal values depending on the effective cutter radius used. Based on the results of the study, it can be determined with which effective tool radius the measurands Sa and Sq of the material measures are best met. The ideal effective radius for the application considered is between 50 and 75 μm.
Areal optical surface topography measurement is an emerging technology for industrial quality control. However, neither calibration procedures nor the utilization of material measures are standardized. State of the art is the calibration of a set of metrological characteristics with multiple calibration samples (material measures). Here, we propose a new calibration sample (artefact) capable of providing the entire set of relevant metrological characteristics within only one single sample. Our calibration artefact features multiple material measures and is manufactured with two-photon laser lithography (direct laser writing, DLW). This enables a holistic calibration of areal topography measuring instruments with only one series of measurements and without changing the sample.
Messgeräte zur geometrischen Produktspezifikation werden mit Normalen nach DIN EN ISO 5436-1 und DIN EN ISO 25178-70 kalibriert. Dabei kommen meist künstliche Oberflächenstrukturen zum Einsatz. Aufgrund immer höherer Anforderungen ist für hochgenaue Messaufgaben allerdings eine praxisorientierte Kalibrierung erforderlich. Ein modellbasierter Ansatz zur Auslegung von Normalen, die eine solche praxisnahe Kalibrierung erlauben, wird im Rahmen dieser Arbeit ohne Einschränkung auf ein spezielles Messverfahren vorgestellt und untersucht. Dabei ermöglichen drei Säulen eine Verbesserung gegenüber konventionellen Normalen: die Berücksichtigung physikalischer Effekte bei der Messung, die Definition neuer Oberflächenstrukturen, als deren Ausgangspunkt reale Bauteiloberflächen dienen, sowie die Berücksichtigung fertigungstechnischer Effekte. Die neu generierten Normale werden mit virtuellen und realen Messungen auf ihren praktischen Einsatz hin untersucht. In diesem Rahmen werden auch neue Kalibrierstrategien, eine Unsicherheitsbilanz sowie ein allgemeiner Leitfaden zur Generierung von Normalen abgeleitet.
Die geometrische Produktspezifikation steht - wie viele andere Industriezweige - vor einschneidenden Veränderungen. Durch Digitalisierung und Automatisierung ändern sich viele industrielle Rahmenbedingungen. Ziel dieser Arbeit ist es, die derzeitigen Trends für die industrielle Rauheitsmesstechnik systematisch zusammenzutragen. Basierend auf diesen Veränderungen werden korrespondierende eigene Forschungsarbeiten vorgestellt, welche an die gezogenen Schlussfolgerungen anknüpfen. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz zur Betrachtung technischer Oberflächen gewählt, welcher zunächst die fertigungstechnische Erzeugung deterministischer Rauheitsstrukturen analysiert. Anschließend werden die Beschreibung der resultierenden Topographiemerkmale mittels mathematischer Modelle und deren messtechnische Erfassung durch typische Topographie-Messgeräte untersucht. Weiterhin wird die hierauf aufbauende Charakterisierung der Oberfläche thematisiert, welche durch die Anwendung der Operationen Einpassung, Interpolation, Filterung und Berechnung von Rauheitskenngrößen gekennzeichnet ist.
Im Rahmen fertigungstechnischer Betrachtungen werden dabei neue Technologien für die Herstellung flächenhafter Kalibriernormale untersucht, welche stellvertretend für deterministische Rauheitsstrukturen dienen, die immer weitere industrielle Verbreitung finden, um funktionelle Bauteileigenschaften mithilfe der Oberflächenbeschaffenheit abzubilden. Als Fertigungsverfahren werden dabei das direkte Laserschreiben sowie das Mikrofräsen betrachtet.
Für die eigentliche Betrachtung dieser Oberflächen werden dabei Ansätze zur Modellierung von Rauheitseigenschaften untersucht, welche auf Methoden aus der Zeitreihenmodellierung basieren.
Die messtechnische Erfassung von Rauheitsstrukturen ist anschließend Gegenstand der Analyse des Übertragungsverhaltens. Dabei werden hier ebenfalls Modelle genutzt, um die Übertragung von Oberflächeneigenschaften durch technische Rauheitsmessgeräte zu modellieren.
Letzte Betrachtungen werden zur Auswertung von Rauheitskenngrößen angestellt. Dabei werden insbesondere die funktionsorientierten Rauheitskenngrößen untersucht, welche aufgrund der zunehmenden Komplexität technischer rauer Oberflächen verstärkt an Bedeutung gewinnen.