Klausurtagung SFB 747 am in Barnstorf

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1 Klausurtagung SFB 747 am 24. + 25.09.2008 in Barnstorf
B5 Sichere Prozesse Teilprojektleiter wiss. Mitarbeiter C. v. Kopylow (BIAS) G. Goch (BIMAQ) B. Scholz-Reiter (BIBA) N. Wang (BIAS) K. Lübke (BIMAQ) A. Kirchheim (BIBA)

2 Ziel B5 Sichere Prozesse 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)

3 Arbeitspakete B5 Sichere Prozesse 2007 2008 2009 2010 Soll Soll Soll
AP 1: Projekt-AK‚ Sichere Prozesse (Alle) Soll AP 2: Holografische Mikroskopie (Wang) Soll AP 3: Implementation digitaler Holografie (Wang) Soll AP 4: Gewinnung Formdaten (Wang) Soll AP 5: Kalibrierung und Validierung (Wang) Soll

4 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse Ziel
Grundlegende Voruntersuchungen für den Einsatz der digitalen Holografie Verfahrenssimulation: Geometrie  erreichbare Auflösung Oberflächencharakteristika: Streuverhalten Strahlquellen: Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Rauheit

5 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse Das zu messende Mikrobauteil
Messungsverfahren: Triangulationssensoren -spiegelnder Sensor -diffuser Sensor -mit Halterung Interferometer Mikroskop

6 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse Messung mit spiegelndem Sensor
Ungefähr 6 Stunden Messdauer mit 1250 x 1250 und 1 µm Strukturen erkennbar Das Oberteil kann gemessen werden

7 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse Messung mit diffusem Sensor
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 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse Einsatz einer Halterung
drehbar gelagert; Einstellbare Position jeweils in Winkelschritten von 30° Spitze zur Aufnahme des Napfbauteils

9 B5 Sichere Prozesse Arbeitspaket 02 Mit diffusem Sensor und Halterung

10 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse Mit diffusem Sensor und Halterung
Ungefähr 2 St. Messdauer für jede Messung Die Kante des Napfes kann gemessen werden zu aufwendig Strukturen schwer erkennbar

11 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse
Messung mit digitaler Interferometrie Zweiwellenlängenmethode (570 nm und 575 nm) Messdauer ca. 10 s Messung der Oberfläche, Strukturen erkennbar Kanten nicht messbar wegen hoher Krümmung

12 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse
Messung mit Mikroskop (Fa. Keyence)

13 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse Versuchsgeometrie in Simulation
Parameter: Strahlengänge N.A. Winkel zwischen Objekt- und Referenzstrahl Specklegröße Abtasttheorem Auflösung

14 B5 Sichere Prozesse Arbeitspaket 02 Numerische Apertur (N.A.)

15 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse
Winkel θ zwischen Objekt- und Referenzstrahl

16 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse Specklegröße S
Verhältnis W zwischen Specklegröße S und Pixelgröße ΔK

17 B5 Sichere Prozesse Arbeitspaket 02 erreichbare Auflösung

18 Arbeitspaket 02 B5 Sichere Prozesse Erkenntnisgewinn Ausblick
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 Arbeitspaket 03 B5 Sichere Prozesse 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 Arbeitspaket 03 B5 Sichere Prozesse Laboraufbau Auflösung
Geometrie mit bestimmten Parameter aus AP2 Auflösung

21 Ziele B5 Sichere Prozesse
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)

22 Arbeitspakete B5 Sichere Prozesse 2007 2008 2009 2010 Soll Soll Soll
AP 6: Erstellen von Bauteildaten mittels Simulation (Lübke) Soll AP 7: Untersuchung der Unsicherheit bei der Berechnung von geometrischen Kenngrößen (Lübke) Soll AP 8: Untersuchung der Wechsel-wirkung zwischen Messunsicherheit und Prozessfähigkeit (Lübke) Soll

23 Arbeitspaket 06 B5 Sichere Prozesse
Simulation von Testprofilen mit bekannten Eigenschaften zur Überprüfung der Approximationsalgorithmen Simulation von Testprofilen Extra-punkt Kreis Zylinder

24 Prinzip der Messung mit digitaler Holografie
B5 Sichere Prozesse Arbeitspaket 06 Simulation komplettes Mikroumformbauteil mit definierten zufälligen Unsicherheiten, zukünftig auch Welligkeiten. z in w.E. 45° Prinzip der Messung mit digitaler Holografie x in w.E. y in w.E.

25 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-Elemente einer Punktwolke separieren? (nicht im Antrag) Zylinder, Torus, Ebene

26 Arbeitspaket 07 B5 Sichere Prozesse
Anzahl (Mess-) Punkte > Freiheitsgrade der Approximation  überbestimmtes Gleichungssystem Lösen durch Minimieren der Abstände vom Element Approximation nach Zielfunktion 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 Arbeitspaket 07 B5 Sichere Prozesse
Zielfunktionen in der Geometrie-Messtechnik: Gauß Tschebyscheff weitverbreitet in der Geometrie-Messtechnik beispielsweise Formabwei-chungen, MI/MC Elemente (Maß und Bezugselemente)

28 Arbeitspaket 07 B5 Sichere Prozesse Approximation von Gauß-,
Tschebyscheff- A Hüll- (Minimum Circumscribed) B Pferchelementen (Maximum Inscribed) C t A B C R R R (X, Y) (X, Y) t: Rundheitsabweichung nach DIN ISO 1101

29 Arbeitspaket 07 B5 Sichere Prozesse Tschebyscheff-Kreis R (X,Y)
y in w.E. (X,Y) x in w.E.

30 Arbeitspaket 07 B5 Sichere Prozesse Pferchkreis Hüllkreis R (X,Y) R
y in w.E. y in w.E. (X,Y) Pferchkreis Hüllkreis x in w.E. x in w.E.

31 Arbeitspaket 07 B5 Sichere Prozesse Weitere Beispiele Pferchzylinder
Hüllkugel Tschebyscheff-Ebene

32 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 Arbeitspaket 08 B5 Sichere Prozesse Jetziger Stand:
Neue DIN ISO (2007) bietet vereinfachtes Formelwerk für Prozessleistungsgrößen Neben Normalverteilung auch andere Verteilungen Annahme: Prozesse beherrscht Untersuchung große Anzahl Bauteile  MUM

34 Arbeitspaket 08 B5 Sichere Prozesse Weiteres 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 redundant vorhanden?

35 Arbeitspaket 08 B5 Sichere Prozesse Weiteres Vorgehen:
Diskussion mit IfS (Wosniok) Ausblick Simulation einer Serienfertigung, beispielsweise Durchmesser eines Näpfchens Auswertung

36 B5 Sichere Prozesse Aktueller Stand Messung von Mikrobauteilen oder Makrobauteilen mit Mikroeigenschaften 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 Geometrie-Messtechnik (Maß, Form- und Lageabweichungen) Mikrobauteile Oberflächenmesstechnik > >

37 B5 Sichere Prozesse Aktueller Stand Messung von Mikrobauteilen oder Makrobauteilen mit Mikroeigenschaften Mahr Primar MX4 Mitutoyo CS-5000H CNC Leitz Ref /B4 Mahr PGK 120 Mahr LD 120

38 B5 Sichere Prozesse Aktueller Stand Messung von Mikrobauteilen oder Makrobauteilen mit Mikroeigenschaften Tiefziehwerkzeuge im SFB 747 B3 B3 B3 R R auf Primar MX4 > Ø 0.5mm

39 B5 Sichere Prozesse Aktueller Stand Messung von Mikrobauteilen oder Makrobauteilen mit Mikroeigenschaften Tiefziehstempel

40 B5 Sichere Prozesse Aktueller Stand Messung von Mikrobauteilen oder Makrobauteilen mit Mikroeigenschaften Tiefziehring

41 Approximationsalgorithmen und Künstliche Neuronale Netze
B5 Sichere Prozesse Simulation von Tiefenbildern D <= 1mm Approximationsalgorithmen und Künstliche Neuronale Netze Qualitätslenkung Qualitätsprüfung ?

42 Approximationsalgorithmen und Künstliche Neuronale Netze
B5 Sichere Prozesse Simulation von Tiefenbildern D <= 1mm Approximationsalgorithmen und Künstliche Neuronale Netze Qualitätslenkung Qualitätsprüfung ?

43 Simulation von Tiefenbildern
B5 Sichere Prozesse Simulation von Tiefenbildern Lübke: Simulation unsicher-heitsbehafteter Mikronäpfe Wang: Transformation Mesh  Tiefenbild Wang: Mesh in GeoMagic z in w.E. y in w.E. x in w.E.

44 Auswertung von Tiefenbildern
B5 Sichere Prozesse Auswertung von Tiefenbildern Auswertung im „Fringe Processor“ (BIAS) Zufällige Unsicherheit 1µm

45 Arbeitspakete B5 Sichere Prozesse 2007 2008 2009 2010 Soll Soll Soll
AP 9: Logistische Qualitätsplanung Soll AP 10: Methodik zur automatisierten, intelligenten Klassifikation von Qualitätsabweichung Soll Soll AP 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung Soll 45 45

46 Arbeitspaket 09: Logistische Qualitätsplanung
B5 Sichere Prozesse 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] Die DIN ES ISO 9000:2005 ist die gültige Norm für Qualitätsmanagementsysteme. In ihr werden die grundlegenden Begriffe definiert, die innerhalb des TP „Qualitätsprüfung und logistische Qualitätslenkung mikrotechnischer Fertigungsprozesse“ von Bedeutung sind. Da im Umfeld der grundlagenorientierten Forschung nur ein Teil des Geltungsbereichs von Qualitätsmanagementsystemen von Bedeutung ist, wurde zu Beginn des Projektes definiert mit welcher Bedeutung die Begriffe des Qualitätsmanagements zu verstehen sind. Hierfür werden im Folgenden die relevanten Definitionen aus der DIN EN ISO 9000:2005 zusammengefasst. Die Qualitätsplanung als zentraler Aspekt des ersten Arbeitspakets ist definiert als „Teil des Qualitätsmanagements, der auf das Festlegen der Qualitätsziele und der notwendigen Ausführungsprozesse sowie der zugehörigen Ressourcen zum Erreichen der Qualitätsziele gerichtet ist“. Qualitätsziele sind definiert als „etwas bezüglich Qualität Angestrebtes oder zu Erreichendes“ wobei zwei Anmerkungen aus der Norm dieses näher erläutern „Qualitätsziele beruhen im Allgemeinen auf der Qualitätspolitik der Organisation“ und „Qualitätsziele werden im Allgemeinen für die zutreffenden Funktionsbereiche und Ebenen in der Organisation festgelegt“. Im Rahmen dieses Projektes wird der Begriff Qualitätsziel entgegen den Anmerkungen der Norm (s.o.) auf den zu untersuchenden Prozess angewendet. Die Qualitätsplanung bezüglich des betrachteten Prozesses (Tiefziehen auf der MUM) beinhaltet daher die Festlegung der zu erreichenden Qualität, wobei Qualität als „Grad, in dem ein Satz inhärenter Merkmale Anforderungen erfüllt“ definiert ist. Der Begriff „logistische Qualitätsplanung“ schränkt das Umfeld der Qualitätsplanung auf den Bereich ein, der aus dem Betrachtungswinkel der Logistik wichtig ist. 46 46

47 Arbeitspaket 09: Logistische Qualitätsplanung
B5 Sichere Prozesse Arbeitspaket 09: Logistische Qualitätsplanung Vorgehen: Festlegung des zu betrachtenden Umfeldes Untersuchung von Mikrobauteilen Festlegung von Qualitätsabweichungen 47

48 B5 Sichere Prozesse Ergebnisse 48
Grundlage für die Analyse von Fehlerursachen und die Anwendung von Methoden des Qualitätsmanagements FMEA ist die Kenntnis des zugrunde liegenden Systems, Weiterentwicklung von Methoden des Qualitätsmanagements für die Mikrofertigung (µFMEA; Karlsruhe) Die Fehlermöglichkeits- und Einfluss-Analyse ist eine strukturierte, systematische Arbeitstechnik, um Fehlerrisiken bereits im Produktentwicklungsprozess zu identifizieren. Ziel ist durch die Planung und Umsetzung geeigneter Maßnahmen Fehlerursachen und damit Fehler zu vermeiden beziehungsweise die Weiterleitung fehlerhafter Teile zu verhindern, wenn die Ursachenbeseitigung deutlich unwirtschaftlicher ist. Komplexerer Prozesse geeignet, um dieses zu untersuchen Visualisierung des Prozesses (C4) 48 48

49 Festlegung von Schnittstellen:
B5 Sichere Prozesse Festlegung von Schnittstellen: XML Schnittstelle zum BIMAQ .flt (float Daten) für die Tiefenbilder des bias bottomplane topplane cylinder bottomtorus toptorus 49

50 Untersuchung von Mikrobauteilen (45 Stk.)
B5 Sichere Prozesse Untersuchung von Mikrobauteilen (45 Stk.) Falten (21,43%) Risse (14,29%) abgelöster Deckel (2,38%) Deformationen (35,71%) 500µm 500µm 50

51 B5 Sichere Prozesse Arbeitspaket 10: Methodik zur automati-sierten, intelligenten Klassifikation von Qualitätsabweichung Ziel: Entwicklung eines Verfahrens zur Prüfung von Mikrobauteilen 51

52 B5 Sichere Prozesse 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) 52

53 Simulation eigener Datensätze Einarbeitung in den Fringe Processor
B5 Sichere Prozesse Tätigkeiten: Simulation eigener Datensätze Einarbeitung in den Fringe Processor Programmierumgebung Einrichtung der ersten Funktionen Überblick bestehender Funktionen beschafft 53

54 B5 Sichere Prozesse 54

55 Arbeitspaket 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung
B5 Sichere Prozesse Arbeitspaket 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung Ziel: Konzept für eine Qualitätslenkung im Mikrobereich Qualitätslenkung: Teil des Qualitätsmanagements, der auf die Erfüllung von Qualitätsanforderungen gerichtet ist. 55

56 Arbeitspaket 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung
B5 Sichere Prozesse Arbeitspaket 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung Vorgehen: Exemplarische Prozesse der Mikrofertigung aufnehmen Identifikation von Schwachstellen bei der Qualitätslenkung 56

57 Arbeitspaket 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung
B5 Sichere Prozesse Arbeitspaket 11: Übergeordnete logistikorientierte Qualitätslenkung Ergebnisse: Aus dem IVAM ca. 30 Unternehmen ausgewählt Fragebogen entwickelt Unternehmen kontaktiert 57

58 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 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
B5 Sichere Prozesse Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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61 Einschließung der Approximation
Jensensche Ungleichung  hier Exponent p: 50 < p < 100 n: number of points Qp Quelle: Goch, G., Annals of the CIRP 39/1: and 41/1: Exponent p

62 Weiteres Vorgehen Ausblick
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 Hüllkreis 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 max(di) Rfix RMCC (X,Y)

64 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 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: