Bücher aus dem Jahr 2011

Die Fertigungsüberwachung komplex geformter Strangprofile während des Herstellungsprozesses ist mit steigenden Anforderungen verbunden. Dabei sind die geometrischen Produktmerkmale wie Länge oder Form kontinuierlich zu kontrollieren. Die Halbzeuge aus Stahl, Messing, Aluminium oder Kunststoffen werden aus wirtschaftlichen Gründen für die Herstellung vieler technischer Produkte eingesetzt und müssen daher hinsichtlich Ihrer Gestalt überwacht werden. Die heutzutage verwendeten optischen Sensorsysteme können entweder nur geringe Datendichte mit ausreichender Messunsicherheit und Messrate, oder konkave Profilzonen mit unzureichender Messunsicherheit und zu langsam bestimmen. Ein erheblicher technischer Vorteil besteht darin, die singulären Messverfahren in einem optischen Multi-Sensor-Messverfahren zu vereinen. Mit den Prüfaussagen lassen sich Ausschuss- und Nacharbeitsanteile reduzieren und gleichzeitig die Bauteilqualität bezüglich der Gestalt verbessern. In der vorliegenden Arbeit wird daher ein wissenschaftlicher Beitrag für ein geeignetes optisches Multi-Sensor-Messverfahren zur echtzeitfähigen, präzisen und vollständigen Messung konkaver Strangprofile vorgestellt und gemäß wissenschaftlichen Standards evaluiert. Danach wurde das neue Messverfahren in der realen Fertigungsumgebung verifiziert. (Quelle: Shaker Verlag)

Das ehemalige DIN-Normenheft 7 stellt in bewährter Form die Zusammenhänge zwischen Maß-, Form- und Lagetoleranzen vor. Mitarbeiter von Konstruktionsabteilungen in Unternehmen erhalten ebenso wie Studierende mit der vorliegenden 6., erweiterten Auflage eine praxisbezogene Erläuterung der einschlägigen Normeninhalte. Darüber hinaus werden Form- und Lagetoleranzeigenschaften nebst dazugehörigen Begriffen definiert und Möglichkeiten sowie Beispiele für Zeichnungseintragungen aufgezeigt. Eine Gegenüberstellung der einschlägigen ISO-, DIN-, ON- und SN-Normen rundet den Inhalt ab. Weitere behandelte Themen: Maximum-Material-Bedingung / Minimum-Material-Bedingung / Toleranzarten und Toleranzzonen / Projizierte (vorgelagerte) Toleranzzone / Anwendungsbeispiele / Alte und neue Zeichnungsangaben / Prüfung von Form- und Lageabweichungen, Prüfung nicht formstabiler (flexibler) Teile. (Quelle: Deutsche Nationalbibliothek)

Mikrotechnisch hergestellte Produkte haben in einer Vielzahl von Feldern des täglichen Lebens Einzug gehalten. All diese Produkte müssen auf Maßhaltigkeit und ihre Funktion überprüft werden, um vorgegebene charakteristische Größen wie von Aktoren erzeugte Kräfte, Federraten und geometrische Abmessungen der Systeme und damit ihre einwandfreie Funktion zu garantieren. Üblicherweise werden Mikrosysteme in Zeilen und Spalten mit fester periodischer Anordnung auf einem gemeinsamen Substrat arrangiert und alle parallel, d.h. alle zur gleichen Zeit bearbeitet. Um nun eine große Anzahl an verschiedenen Geometrien und somit an Systemen bei einer Batchfertigung wirtschaftlich messen zu können, bietet sich eine parallelisierte taktile Messtechnik an. Hierbei könnten alle Vorteile taktil messender Systeme genutzt werden, ohne den Nachteil langer Messzeiten in Kauf nehmen zu müssen. In dieser Arbeit werden Tasterarrays beschrieben, mit deren Hilfe sich nicht nur Strukturabmessungen einzelner Systeme, sondern auch Formabweichungen eines in der Fertigung befindlichen Substrats und Kräfte und Verschiebungen in alle drei Raumrichtungen messen lassen. Die hier vorgestellten Tasterarrays bestehen aus Einzeltastern, die entsprechend dem Abstand der zu messenden Mikrosysteme in einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. An einem Tasterarray aus 3 x 3 Tastern werden die Herstellungsprozesse, die einzelnen Komponenten und die sich aus der parallelen Antastung ergebenden Besonderheiten des Sensorarrays näher untersucht. Für die Untersuchungen wurden Tasterarrays mit Siliziummembranen und Kunststoffmembranen angefertigt. Unabhängig vom verwendeten Membranmaterial wurden für die Arrays unterschiedliche elektrische Verschaltungen erstellt. Bei den Designs der Einzeltaster, die den Ausgangspunkt für die Entwicklung der Tasterarrays darstellten, dienen vier Wheatstone-Brücken zur Detektion einer Antastung. Bei ihnen werden alle Brücken einzeln mit Spannung versorgt, was sich allerdings als nicht praktikabel herausgestellt hat, da die hohe Anzahl an benötigten Kontakten schwer zu handhaben wäre. Um nun diese Zahl zu reduzieren und die Signalverarbeitung bzw. die Primärelektronik zu vereinfachen, wurde zunächst eine Verschaltung mit einer Reihenschaltung aller Brücken getestet und anschließend verschiedene zeilen- und spaltenweise Anordnungen der Leiterbahnen erstellt. Weiteres Augenmerk lag auf einer Anpassung der für das Antasten der zu messenden Objekte eingesetzten taktilen Elemente an die Bedürfnisse eines Tasterarrays. Kommerziell erhältliche taktile Elemente weisen bei ihren Abmessungen und der Positionierung der Tastkugel auf dem Taststiftschaft zu große Abweichungen auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurden angepasste taktile Elemente aus Silizium, Keramik und Wolframkarbid angefertigt. Bei den taktilen Elementen aus Silizium konnte das eutektische Bonden als Verbindungstechnik angewendet werden, wodurch sich die beim üblicherweise verwendeten Kleben auftretenden Kriecheffekte gänzlich ausschließen ließen. Mit den stern- und l-förmigen taktilen Elementen aus Wolframkarbid und deren reduziertem Tastkugeldurchmesser auf 40 µm ist es nun erstmals möglich, Strukturen wie Hinterschnitte, Einstiche im Inneren von Bohrungen oder Gräben, die sich zum Grund hin aufweiten, zu messen, die bisher in der Mikromesstechnik nicht zugänglich waren. Um nicht nur bei den geometrischen Abmessungen der taktilen Elemente geringe Abweichungen zu garantieren, wurden verschiedene Vorrichtungen zur parallelen Montage der Taststifte angefertigt, die deren exakte Ausrichtung erlauben. Zum Charakterisieren der Tasterarrays oder des Mikrokoordinatenmessgeräts, in dem die Arrays zum Einsatz kommen, oder zum Vergleich der Tasterarrays mit Messgeräten mit verschiedenen Messprinzipien werden diverse angefertigte Prüfkörper vorgestellt. Trotz Verbesserungsbedarfs bei der Ausrichtung der Tastkugeln zueinander steht nun ein taktiles Messverfahren zur wirtschaftlichen Messung von Mikrostrukturen zur Verfügung. (Quelle: Shaker Verlag)

Der medinzinische Fortschritt geht einher mit innovativen Produktentwicklungen in der Medizintechnik, z.B. bei unterschiedlichsten Implantaten und Instrumenten. Die Entwicklung ist u. a. gekennzeichnet durch fortschreitende Miniaturisierung und Präzision. Dadurch steigen auch die Ansprüche an die Geometrie- und Oberflächeneigenschaften der meist komplexen Formelemente weiter an. Demzufolge nimmt die Notwendigkeit hochgenauer maßlicher Prüfung zur Verifizierung dieser Eigenschaften rapide zu. Carl Zeiss stellt sich erfolgreich und zuverlässig dieser Herausforderung. Selbst ein bedeutender Hersteller sowohl von Medizintechnik als auch von Mess- und Prüftechnik hat Carl Zeiss ein hohes Wissen im Bereich der industrielle Fertigung von Medizingeräten und -produkten. Hierzu werden in diesem Buch messtechnische Lösungen für die Medizintechnik vorgestellt und ihr Einsatz erklärt. Dabei wird auf die notwendigen Messgeräte und die aufgabengerechte Sensorik genauso eingegangen wie auf die Herausforderungen der automatisierten 100%-Vollkontrolle. Es werden Methoden zur Überprüfung der Verlässlichkeit der Messergebnisse und Evaluation der Prüfprozessgüte angesprochen und es wird auf die dafür notwendigen Vorgehensweisen detailliert eingegangen. Die erweiterten Vorschriften für Medizingeräte und Produkte durch die FDA bzw. andere Behörden stellen hohe Ansprüche an die verwendete Messtechnik und an die elektronische Messergebnisdokumentation. Dies wird am Ende des Buches ausführlich angesprochen; im Anhang folgen einfach anwendbare Checklisten zu den Vorschriften laut 21 CFR Teil 11. (Quelle: Deutsche Nationalbibliothek)

Der stete Trend zur Miniaturisierung schafft insbesondere in der Qualitätssicherung von Mikrobauteilen neue Herausforderungen. Um bei Mikrozahnrädern die Zuverlässigkeit erreichen zu können, wie sie großen Zahnrädern seit vielen Jahrzehnten zugeschrieben wird, ist die Beherrschung des Messprozesses eine wesentliche Voraussetzung. Die Quantifizierung und Einschätzung der Fähigkeit des Messprozesses wird durch die Messunsicherheit ermöglicht. Für die Ermittlung der Messunsicherheit auf experimentellem Weg zeigt die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Methode durch die Verwendung eines einfachen, aber präzisen Mikroverzahnungsnormals einen Weg auf. Die Methode teilt sich in fünf Schritte auf, an deren Ende sowohl ein ausgelegtes sowie gefertigtes Mikroverzahnungsnormal als auch eine mit diesem Mikroverzahnungsnormal ermittelte Messunsicherheit für die Messung des Profils, der Flankenlinie und der Teilung eines geradverzahnten, evolventischen Mikrostirnrades stehen. Da sich das Mikroverzahnungsnormal aus wenigen Standardgeometrien verwendet werden vor allem genormte Prüfstifte höchster Qualität - zusammensetzt, wird ermöglicht, mit einem vergleichsweise preiswerten Normal alle wesentlichen Geometrien einer evolventischen Zahnflanke für den Mikrometerbereich abzubilden. Neben Profil, Flankenlinie und Teilung wird darüber hinaus die gesamte Zahnflankenfläche am Mikroverzahnungsnormal abgebildet, um für eine stärker an Bedeutung gewinnende funktionsbezogene Qualitätssicherung das Messergebnis einer funktional relevanten Zahnflankenfläche mit einer Mess-unsicherheit vergleichbar zu machen. Es konnte anhand des Mikroverzahnungsnormals der Einfluss der Anzahl sowie Verteilung der Messpunkte bei der Profilmessung an einem Normal aufgezeigt werden. Zwischen der wälzweg-, der radius- und der kreiswinkeläquidistanten Verteilung zeigten sich deutliche Unterschiede. Dies zeigt auch für Messungen mit anderen Normalen, dass schon bei der Kalibrierung die Anzahl und Verteilung der Messpunkte berücksichtigt werden müssen. Ein globaler Kalibrierwert, wie sonst üblich, ist in solch einem Falle nicht empfehlenswert. Für eine anwenderfreundliche Nutzung des Mikroverzahnungsnormals wird dieses „als Zahnrad“ gemessen. Das bedeutet, dass die Messung des Mikroverzahnungsnormals so durchgeführt wird, als wäre es ein Mikrozahnrad und kein aus Zylindern bestehendes Normal. Dies erlaubt nicht nur die Messung und Auswertung des Mikroverzahnungsnormals über eine beim Anwender vorhandene Softwarelösung, sondern ermöglicht ebenso eine unkomplizierte und direkte Bestimmung der Messunsicherheit anhand der dem Anwender bekannten Verzahnungskenngrößen. Ein Zahnradmodell zur Einbindung des Mikro-verzahnungsnormals in eine Verzahnungssoftware wurde entwickelt. Durch die Gestaltung des Mikroverzahnungsnormals lässt sich dieses nach erfolgter Bestimmung der Messunsicherheit auch regelmäßig im Serienbetrieb zur Überprüfung der Messunsicherheit des Messprozesses einsetzen. Hierzu wird, anstelle eines Mikrozahnrades, das Mikroverzahnungsnormal gemessen und mit den zuvor bestimmten Messunsicherheitswerten verglichen. Eine beispielhaft durchgeführte Messunsicherheitsermittlung hat die prinzipielle Eignung des Mikroverzahnungsnormals gezeigt. Anhand der erhaltenen Ergebnisse konnten erste Hinweise zur Verbesserung des verwendeten Messprozesses abgeleitet werden. Das entwickelte Mikroverzahnungsnormal ist, neben der experimentellen Ermittlung der Messunsicherheit, auch für eine Erstqualifizierung des Messgerätes geeignet. Um die Eignung eines Messgerätes zur Messung von Mikrozahnrädern zu prüfen, kann das Mikroverzahnungsnormal gemessen werden. Durch einen Vergleich dieser ausgewerteten Messung mit den Kalibrierwerten der entsprechenden Qualitätsmerkmale lässt sich die Eignung des Messgerätes für die Messaufgabe feststellen. Durch die enge Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) als nationalem Metrologieinstitut, sowohl bei der Entwicklung des Mikroverzahnungsnormals als auch bei dessen Kalibrierung konnte sichergestellt werden, dass das Normal den Ansprüchen, die an ein solches Normal gestellt werden, genügt. (Quelle: Shaker Verlag)

Dieser Abschlussbericht ist dem von der DFG geförderten Schwerpunktprogramm (SPP 1159) „Neue Strategien der Mess- und Prüftechnik für die Produktion von Mikrosystemen und Nanostrukturen“ gewidmet und beinhaltet allgemeingültige Ergebnisse aus den Projekten und insbesondere auch aus den projektübergreifenden Arbeitskreisen. Diese wurden an Universitäten, bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM) und Fraunhofer-Instituten in sechsjähriger Forschungsarbeit erzielt. Zahlreiche innovative Forschungsansätze zur Mess- und Prüftechnik für die Produktion von Mikrosystemen und Nanostrukturen wurden im Rahmen dieses koordinierten Forschungsprogramms gebündelt und wichtige Grundlagen für eine industrielle Nutzung geschaffen. Der Inhalt umreißt insbesondere Grundsätze und Prinzipien für die Gestaltung von Elementen der allgemein gültigen prüftechnischen Kette. Diese umfasst alle Phasen eines Prüfprozesses von der Definition der Messgröße bis zur Bewertung des Messergebnisses für die Konformitätsprüfung, die Fertigungslenkung und die Kalibrierung von Messgeräten und Normalen in der Mikro- und Nanotechnologie. In den Projekten des Schwerpunktprogramms wurden Grundsätze, Prinzipien und Regeln für die Messgrößendefinition, Messabläufe und Gestaltung von Elementen der prüftechnischen Kette erforscht und in Experimenten verifiziert. Die Beiträge lassen sich diesen Teilbereichen zuordnen: Mikrotolerierung, Mikrogetriebe und Mikroverzahnungen, Streulicht-Messprozesse, Untersuchung von Oberflächendefekten und Nanostrukturen, Intervallmethoden zur Bewertung unsicherer Messinformationen, Grundlagen für Mikro-Kalibrierstrukturen, Moderne Filterverfahren in der Oberflächen-/Rauheitsmesstechnik, Haftfestigkeitsprognose von Mikrobeschichtungen, Parallelisierte Messtechnik für Mikrostrukturen, Fusion von Messergebnissen unterschiedlicher Messverfahren, Messunsicherheitsermittlung in der Mikro- und Nanomesstechnik. Der Abschlussbericht umfasst zudem die Ergebnisse zu übergreifenden Themen, die in Arbeitskreisen diskutiert und bearbeitet wurden. Forschungsaktivitäten fanden in den Arbeitskreisen „Datenfusion und Datenmodell“, „Messunsicherheit, Kalibrierung und Normale“, „Modellierung, virtuelle Messgeräte“, „Oberfläche, Rauheit, Hydrophilie“ und „Standard Geometrie Elemente, geometrische Größen und Algorithmen“ statt. (Quelle: Shaker Verlag)

Die rasche Weiterentwicklung eingesetzter Technologien erfordert kontinuierliche Maßnahmen zur Erhaltung und gezielten Förderung der Kompetenzen und Fähigkeiten von Mitarbeitern im Unternehmen entsprechend deren jeweiligen Aufgaben. Eine geeignete berufsbegleitende Weiterqualifizierung der Mitarbeiter ist somit ein unverzichtbarer Bestandteil eines umfassenden, modernen Qualitätsmanagements. Diese Situation betrifft die Fertigungsmesstechnik besonders, da hier eine spezifische Grundausbildung fehlt, aber die Vielfalt und Komplexität der eingesetzten Messverfahren stetig zunimmt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methodik zur bedarfsgerechten, effizienten Erstellung ganzheitlicher Qualifizierungsmaßnahmen entwickelt und am Beispiel der Fertigungsmesstechnik umgesetzt und verifiziert. Diese anbieterorientierte Systematik wurde durch das Konzept für ein Assistenzsystem zur Unterstützung der Anwender bei der Auswahl passender Angebote ergänzt. Damit steht nun eine allgemein anwendbare Vorgehensweise zur Erstellung ganzheitlicher Konzepte für die Mitarbeiterqualifizierung bereit. (Quelle: Shaker Verlag)

Die vorgestellte Methode schafft die Voraussetzungen für die automatisierte Angabe eines vollständigen Messergebnisses bestehend aus bestem Schätzwert und erweiterter Messunsicherheit für praxisnahe Präzisionskoordinatenmessungen mit Bildsensoren. Die neu entwickelte Methode basiert auf dem Wissen über die Qualität des Bildes. Zur Schätzung der Messunsicherheit werden signifikante Bildinformationen in Kombination mit Messresultaten aus Wiederholmessungen von Voruntersuchungen herangezogen. Adaptiv wird zu jeder Messszene die Bildqualität quantitativ erfasst. Die auf diese Weise wissensbasiert geschätzte Messunsicherheit ermöglicht dem Anwender die Bewertung der Zuverlässigkeit des angezeigten Messwerts und die Vergleichbarkeit mehrerer Messungen ohne empirische Berechnungen auf der Basis aufwändiger Wiederholmessungen durchführen zu müssen. (Quelle: Deutsche Nationalbibliothek)