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Anwenderunterstützung bei der Nutzung und Überprüfung von optischen 3D-Oberflächenmessgeräten
(2019)
Technische Oberflächen werden mit immer komplexeren, dreidimensionalen Strukturen hergestellt, um gewünschte Funktionseigenschaften zu erhalten. Mit taktilen Rauheitsmessgeräten lassen sich diese allerdings nur schwer charakterisieren. Besser eignen sich hierfür optische Rauheitsmessgeräte, die die Oberfläche flächenhaft erfassen können. Diese unterscheiden sich allerdings in ihren Eigenschaften und Einstellungen von den in der Industrie bekannten und bewährten taktilen Systemen. Daher wird in dieser Arbeit ein Assistenzsystem vorgestellt, das die Anwender unterstützt, ihr optisches Rauheitsmessgerät sicher und normgerecht nach DIN EN ISO 25178 einzusetzen.Das Assistenzsystem führt Schritt für Schritt durch die Planung einer Messaufgabe, durch die Überprüfung zur Kontrolle der korrekten Funktion des Gerätes und der Eignung für die Messaufgabe, und im letzten Schritt durch die normgerechte Auswertung der Messung, um die gewünschten 3D-Oberflächenkennwerte zu erhalten.
Das virtuelle, optische Messen wird in der industriellen Anwendung häufig vernachlässigt. Um optische Messergebnisse jedoch vorhersehbar und zuverlässig zu machen, ist es erforderlich, Sensoren zu modellieren und die Resultate, sogenannte virtuelle Messergebnisse, zu analysieren. Die zulässigen Modellvereinfachungen sind dabei vom zugrunde liegenden, physikalischen Messprinzip abhängig. In dieser Arbeit werden zwei virtuelle, optische Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien unter paraxialen Annahmen modelliert. Zudem werden Untersuchungen zum Übertragungsverhalten der Sensoren angestellt. Beim ersten Sensor handelt es sich um einen winkelauflösenden Streulichtsensor zur Messung der statistischen Verteilung von Gradienten geometrischer Oberflächen. Der zweite Sensor ist ein kurzkohärentes Interferometer zur vertikal hochauflösenden Messung von Topographien. Während dem winkelauflösenden Messprinzip ein inkohärenter Modellansatz zugrunde liegt, werden beim Interferometer kohärente Annahmen getroffen. Mithilfe der Sensormodelle ist es möglich, geometrische Oberflächen virtuell anzutasten und, basierend auf generierten oder real gemessenen Topographiedaten, virtuelle Messungen anzustellen. Auf diese Weise werden umfangreiche Untersuchungen zum Übertragungsverhalten der Sensoren ermöglicht. Darüber hinaus wird ein eigens entwickeltes, VTK-basiertes Programm vorgestellt, das die nichtsequentielle Berechnung optischer Sensoren ermöglicht. Dieses Programm nutzt Ray Tracing zur Simulation nichtsequentieller, optischer Systeme. Des Weiteren werden Ansätze für die parallele Datenverarbeitung mit CUDA® vorgestellt. Der paraxial modellierte, winkelauflösende Streulichtsensor wird demnach zusätzlich nichtsequentiell simuliert und die Ergebnisse der paraxialen und der nichtsequentiellen Berechnung werden gegenübergestellt.
Die Bestimmung der Filtrierbarkeit von Suspensionen mit einer neuen Auswertemethode auf der Grundlage bekannter und erprobter Auswerteverfahren ergibt eindeutige Auswertekriterien insbesondere bei inkompressiblen Feststoffen und newtonschen Flüssigkeiten. Eine verbesserte Messtechnik erfasst den Filtratanfall bei beginnender Sättigung genau und vereinfacht die Zeitnahme. Methode und Technik erhöhen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Bestimmung von Filtermittel- und Filterkuchenwiderstand und schaffen eine präzise Grundlage zur Auslegung von kontinuierlichen Fest-Flüssig-Filtern hoher Durchsatzleistung oder zur Entwicklung widerstandsarmer Filtermittel. Die Messungen zeigen einen hohen Anteil des Filtermittelwiderstandes am Gesamtwiderstand und erlauben die Berechnung eines Richtwertes für den Filtermittelwiderstand. Die industrielle Fest-Flüssig-Trennung wird in der chemischen, pharmazeutischen und Aufbereitungs-Industrie zu einem großen Teil auf kontinuierlich betriebenen Filtern durchgeführt, bei denen die Flüssigkeit vom Feststoff durch Kuchenfiltration sehr vollständig getrennt werden kann. Diese Filter sind durch Filtrationszykluszeiten zwischen 10 und 100 Sekunden charakterisierbar. Bei der Auslegung, Simulation oder Optimierung dieser Filter ist der Prozessingenieur auf genaue Daten zur Filtrierbarkeit der Suspensionen angewiesen. Die Theorie des durchströmten Filterkuchens ist sehr perfektioniert. Weniger Beachtung hatte dagegen der Einfluss des Filtermittels auf den Gesamtwiderstand bei der Filtration gefunden. Dies lag in der Vergangenheit teilweise daran, dass die genaue Bestimmung des Filtermittelwiderstandes RM – die zusammen mit der Bestimmung des Filterkuchenwiderstandes rK erfolgt – schwierig war. In den letzten Jahren wurden Filter für sehr hohe spezifische Durchsätze gebaut, bei denen dieser Wert von erheblichem Einfluss ist. Ziel der Arbeit war es, mehr Wissen und genaue Daten zum Filtermittelwiderstand zu erarbeiten. Es wurden umfangreiche Messungen des Filtermittelwiderstandes mit unterschiedlichen Filtermitteln und verschiedenen Produkten in wässrigen Suspensionen durchgeführt. Zur genauen Bestimmung des Filtermittelwiderstandes wurde ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Versuchsaufbau mit rechnergestützter Datenerfassung entwickelt. Filtratanfall und Druckverlauf wurden bei den Versuchen festgehalten. Bei der Auswertung der Filterkurven wurden eindeutige Kriterien zur Bestimmung von Anfang und Ende der Filtration eingeführt. Dies erfolgte durch die Kombination von zwei bekannten und erprobten Auswerteverfahren zur Bestimmung der Filtrationseigenschaften. Diese Kombination ergab mit der verbesserten Versuchstechnik neben der Eindeutigkeit auch den Vorteil der exakten Erfassung des Filtratanfalls bei beginnender Sättigung, die ebenfalls zur erhöhten Genauigkeit bei der Bestimmung der Filterwiderstände beitrug. Der Filtermittelwiderstand kann bei kontinuierlich betriebenen Filtern am Ende des Filtrationszyklus 25 % des Gesamtwiderstandes und mehr erreichen. Bei leicht filtrierbaren Feststoffen werden trotz offener Filtergewebe auch höhere Anteile am Gesamtwiderstand gefunden. Der Filtermittelwiderstand ist bei kontinuierlichen Filtern ein wesentlicher Faktor bei der Filterauslegung. Durch Variation der Parameter der Filtergleichung wie Feststoffgehalt, Druck usf. wurden die Einflüsse wichtiger Betriebsparameter auf tendenzielle Änderungen der Widerstände untersucht. Bei diesen Messungen wurde festgestellt, dass der Durchflusswiderstand des Filtermittels bei höheren Durchflussgeschwindigkeiten nicht konstant ist. Die Einführung einer Reynoldszahl, die auf den nominellen Porendurchmesser bezogen ist, erlaubt es Strömungszustände zu definieren, ab denen der Durchflusswiderstand nicht mehr konstant ist. Mit den bekannten Gesetzten der Durchströmung poröser Haufwerke lassen sich Widerstandszahlen, analog zur Rohrreibungszahl, und daraus Druckverluste errechnen. Letztere sind mit den gemessenen Druckverlusten aus der Bestimmung der Filtermittelleerwiderstände gut korreliert. Mechanische Vorgänge bei der Partikelabscheidung an Filtermitteln werden anhand eines Kugel-Loch-Modells diskutiert. Experimentelle Ergebnisse stützen Schlussfolgerungen, die aufgrund dieses Modells gezogen wurden. Dazu wurden Überlegungen möglich, welche einige Tendenzen bei der Variation der Porengrößen bei unterschiedlichen Filtermedien erklären können.
Die vorliegende Arbeit behandelt das Thema der pneumatischen Abstandsmessung. Diese Technologie ist neben der taktilen und optischen Messtechnik eine der drei Ansätze, um Messaufgaben in der Fertigungsmesstechnik zu lösen. Der große Vorteil pneumatischer Sensoren ist ihr Selbstreinigungseffekt, wodurch in rauen Umgebungen sicher gemessen werden kann. Momentan fehlende Grundlagenkenntnisse führen jedoch zu einer ineffizienten Nutzung der Technik. Im Rahmen dieser Arbeit wurde neues Wissen erarbeitet, so dass eine optimierte Anwendung dieser Sensorklasse möglich ist. Für das laterale und dynamische Verhalten der Sensoren sind Modelle zur Vorhersage von Messergebnissen vorgestellt. Weiterhin finden sich ausführliche Auslegestrategien für systemkritische Bauteile in dieser Arbeit. Auf Basis der Grundlagenuntersuchungen sind die wichtigsten Einflussgrößen der Messunsicherheit erläutert. Zur effizienten Wissensübertragung ist abschließend eine moderne Software präsentiert, welche eine Auslegung pneumatischer Sensoren für eine gegebene Messaufgabe ermöglicht und so das gesamte Wissen der Arbeit für den Anwender in der Industrie zusammenfasst.
Die taktile Rauheitsmesstechnik ist ausgiebig erforscht, genormt und dient für andere Messprinzipien und Messverfahren als Referenz. Allerdings fehlen für eine Rauheitsmessung auf Konturen Grundlagenuntersuchungen, Richtlinien und Normen. Eine Messung und Auswertung der Rauheit und Kontur in einem Schritt bringen der Industrie wertvolle ökonomische Vorteile. Kombinierte Rauheits- und Konturenmessplätze erlauben bereits heute aufgrund ihres vertikalen Messbereiches von mehreren Millimetern und einer vertikalen Auflösung im Nanometerbereich eine kombinierte Rauheits- und Konturenmessung in nur einem Messvorgang. Das Ziel der vorliegenden Dissertation sind Grundlagenuntersuchungen, um starke und schwache Einflüsse bei der taktilen 2D Rauheitsmessung auf Konturen zu ermitteln. Einflussgrößen und Messparameter werden aufgezeigt, analysiert und neue Ansätze für die Messstrategie und die Auswertung präsentiert und untersucht. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen erfolgen an ausgewählten Normalen und technischen Oberflächen mit den vorgestellten Parameterkombinationen. Die Auswertung der Rauheitskennwerte wird mit den erläuterten Auswertemethoden durchgeführt und es erfolgt eine Analyse der Profile. Für ein vollständiges Messergebnis wird die Messunsicherheit bestimmt und diskutiert.