Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ)
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Item-typ:Veröffentlichung, Optische multiangulatorische Messung der Werkzeuglage beim inkrementellen Umformen(2025-10-16); ; Tutsch, RainerBeim inkrementellen Umformen (IBU) treten erhöhte geometrische Abweichungen auf. Zur Kompensation der Pfadabweichungen ist eine optische In-Prozess-Messung der Werkzeugspitzenposition oder der Werkzeughalterlage mit einer Unsicherheit von 50 µm bzw. 0.05° erforderlich. Dazu wird ein Multi-Sensor-System aus schattenabbildenden Sensoren vorgeschlagen, die aus einer Maske mit transparenten und intransparenten Anteilen und einem Kamerachip bestehen. Die Sensoren messen die Position einer Lichtquelle, die den Schatten der Maske auf den Kamerachip projiziert. Das Schattenbild eines oder mehrerer Sensoren liefert die Position einer Leuchtdiode (LED) am Werkzeug. Zur Lagemessung werden drei LEDs erfasst. Mithilfe synthetischer Schattenbilder wurde gezeigt, dass die Sensoren gegenüber einer abbildenden Optik bei der Erfassung eines einzelnen Merkmals eine deutlich geringere Unsicherheit ermöglichen. Störlicht erhöht die erreichbare Messunsicherheit. Experimente zu Umgebungslicht, Reflexionen und anderen Lichtquellen belegen, dass die Messergebnisse durch optische Filter tolerierbar bleiben. Bei der lateralen Positionsmessung sind systematische Abweichungen unter 26 µm erreichbar. Der genutzte Kalibrieransatz führt zu größeren einem Trend folgenden Abweichungen, die korrigierbar sind. Um alle Positionskomponenten mit einer hinreichenden Unsicherheit zu erfassen, ist die Triangulation von zwei oder mehr Sensoren erforderlich ist. Die zufälligen Positionsmessabweichungen liegen dabei unter 5 µm. Durch weitere Sensoren wurde der Messbereich auf 600 mm × 600 mm × 300 mm vergrößert, wobei die Sensoranordnung die Messunsicherheit stärker beeinflusst als die Sensoranzahl. Bei der Lagemessung mit einem Minimalaufbau liegen die zufälligen Abweichungen bei etwa 5 µm. Die systematischen Messabweichungen sind auch ausreichend. Die Lagemessung wurde zudem an einem statischen und bewegten Roboter demonstriert, was die Einsetzbarkeit des Multi-Sensor-Systems zur aktiven Korrektur beim IBU belegt.Dissertation23 43 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Laser line triangulation for fast 3D measurements on large gearsThe causes of geometrical deviations from the production process and the prediction of application properties, such as noise behavior, wear, or material fatigue, are only possible by having detailed information about the gear geometry. The gold standard for the gear quality inspection is represented by dimensional measurements with a tactile sensor system. As a result for industrial applications, the slow serial measurement leads to the compromise of a random inspection of the gear geometry. For the purpose of a faster and more extensive surface acquisition, a laser line triangulation sensor is investigated providing 1280 points at a line width of 25 mm with up to 200 lines/s. The results at the tooth of a large cylindrical involute gear with a pitch circle diameter of 922 mm and a face width of 246 mm show the qualification for fast three-dimensional measurements of the convex and reflective surface. The detection of the complete profile line at once is possible. It is shown that the measurement deviation of laser line triangulation can be minimized by increasing the dynamic threshold. The measurement deviations amount to ± 8.2 μm and can be attributed to random and systematic errors. Compared to the standard gear inspection, an acceleration factor of 5700 was attained. An optical scanning of the complete tooth flank provides the prerequisite for an identification of surface defects in the form of breakouts and blemish.Wissenschaftlicher ArtikelBand:100138 149 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, IR thermographic visualization of flow separation in applications with low thermal contrast(Elsevier Science, 2018-01); ; ; A measurement method for IR thermographic visualization of separated flow on rotor blades for wind turbines is demonstrated. Flow separation has a negative influence on the performance of airfoils, e.g., at wind turbine rotors. Thermographic flow visualization is a non-invasive measurement technique to identify different flow regimes, but the visualization of separated flow without explicit additional heating of the measured object has not been possible to date. For this reason, a measurement approach with an enhanced sensitivity is presented, which evaluates temporal temperature fluctuations from a thermographic images series by means of the standard deviation as well as the analysis of selected Fourier coefficients. The approach is validated by wind tunnel experiments with a non-heated circular cylinder as well as a 2D 6 digit NACA-airfoil. The flow and measurement conditions are chosen to be similar to wind turbines in operation. As a result, the flow regimes including the flow separation are resolved and are in agreement with reference measurements, while the sensitivity of standard thermographic flow visualization was too low. In addition, the Fourier analyses method results in an improvement of the contrast to noise ratio between turbulent and separated flow by 11.6 % compared to the evaluation of the temperature standard deviation. Further improvements are expected in future when taking the complete spatiotemporal temperature fluctuations into account.Wissenschaftlicher ArtikelBand:88121 136 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Messung thermomechanischer Beanspruchungen in laufenden SchleifprozessenDie Kenntnis der zum Beispiel während des Schleifprozesses auftretenden thermomechanischen Werkstückbeanspruchungen und der im Material verbleibenden Veränderungen lässt sich gemäß dem Konzept der Prozesssignaturen nutzen, um den Fertigungsprozess zu optimieren und mit anderen zu vergleichen (z. B. mit der Laserbearbeitung). Voraussetzung für die Erstellung einer Prozesssignatur ist, dass die Beanspruchungen während des laufenden Prozesses charakterisiert werden können. Aufgrund der rauen Prozessbedingungen gibt es beim Schleifen bisher keine prozessbegleitende Technik zur Messung der thermomechanischen Beanspruchungen in Form von Verschiebungen und Dehnungen in der bearbeiteten Randzone. Aus diesem Grund wird die Eignung der Speckle-Fotografie für prozessbegleitende Messungen von Werkstückbeanspruchungen in einem laufenden Schleifprozess ohne Kühlschmierstoff nachgewiesen und ein Konzept für eine Messung unter dem Einsatz von Kühlschmierstoffen vorgestellt.Wissenschaftlicher ArtikelBand:87Heft:3213 169 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, The coherence function and its information content for optical metrology(De Gruyter Oldenbourg, 2022-05-24); ; ; ; The coherence function offers new possibilities for optical metrology that are not available with conventional wave field sensing. Its measurement involves a spatio-temporal sampling of the wave fields modulated by the object under investigation. Temporal sampling is well known e. g. by means of White Light Interferometry (WLI) and spatial sampling can e. g. performed by Computational Shear Interferometry (CoSI). The present paper describes an approach that combines both temporal and spatial sampling using a robust common-path setup. While the evaluation of the coherence function is more elaborate than approaches that either sample the temporal or the spatial domain, an information theoretical treatment shows that it also delivers more information about the object under investigation. Our approach is based on the mutual information that represents the reduction of uncertainty about the object as a consequence of the measurements performed. Using a simplified measurement case, we calculate the mutual information for different measurement situations and demonstrate that spatio-temporal sampling of the coherence function results in a higher mutual information as compared to classical approaches. Based on the proposed approach, we identify further open research tasks for an efficient information extraction from the coherence function to surpass current limitations of optical metrology.Wissenschaftlicher ArtikelBand:89Heft:6101 94 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, In-situ-Untersuchung von Randschichten während des Gasnitrierens mittels Röntgendiffraktometrie und photothermischer RadiometrieThe aim of most applications of nitriding treatments at steel components is to obtain a compact compound layer and/or a deep diffusion layer. The possibility of a survey of the nitriding treatment by analyzing directly the component´s surface state during the nitriding process is particularly interesting, since it allows a process monitoring and control based on the actual nitriding result. In the present study, two measurement methods were developed and combined with the aim of direct surface state analysis during a nitriding treatment: the in-situ X-ray diffraction method and the photothermal radiometry. An experimental setup including a miniature nitriding furnace was developed in order to allow the combined application of both methods during a nitriding process under controlled atmosphere. In the present work, results of combined in-situ measurements on the steel AISI 4140 regarding the nitride layer formation during nitriding process as well as the nitride layer change during the following denitriding of the layer in nitrogen gas are presented and discussed. The investigations show that the photothermal radiometry is sensitive to the changing surface properties due to growing compound layers and when porous layers are generated. This method has a high potential for implementation in industrial nitriding furnaces, but for this, further development for quantitative evaluations of the measurements will be required.Wissenschaftlicher ArtikelBand:72Heft:394 90 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Systematische Ursachenforschung von Erosionsschäden an Windenergieanlagen mittels Computertomographie (XRM) als Basis zur Schadensminimierung und Serviceoptimierung (SUrfErCut) : Schlussbericht vom 30.09.2022(2022-09-30); ; ; ; Im Projekt wurde erstmalig das µ-CT und XRM-Verfahren zur zerstörungsfreien Charakterisierung mehrfach zyklisch belasteter Probekörper angewandt und das an realgroßen Probekörper mit Auflösungen bis zu einem Mikrometer. Die bildbasierte Prüfmethode ermöglicht die Identifizierung, Verortung und Charakterisierung der prozessbedingten- und künstlichen Fehlstellen. Die Anwendung der Röntgenverfahren auf die mehrfach zyklisch belasteten Probekörper ermöglicht die Identifizierung und Bewertung von initial Schädigungen “Efects of defects” und in Abhängigkeit von Position, Fehlergröße auf das Bauteilversagen. Am Ende der Untersuchungen steht ein Katalog von aufzufinden Fehler, die in der Produktion zu vermeiden sind und nach der Produktion sowie in der Anwendung der WEA aufgefunden werden müssen. Ein wesentlicher Aspekt war die Entwicklung von automatisierte Auswerteverfahren der µ-CT und XRM-Bilddaten. Im Projekt wurden Methoden der Künstliche Intelligenz (KI) in Form von „machine learning“ und „deep learning“ erprobt und angewandt. Dazu wurden Verfahren wie das „Random Forest Classification“ (machine Learning) zur Erzeugung von annotierten Datensätzen zum Training von neuronalen Netzen angewandt sowie Untersuchung möglicher und relevanter Architekturen und Formen von neuronalen Netzen (z.B. U-Net und Sensor 3D) durchgeführt. An ausgewählten Proben wurden Vergleiche zwischen dem U-Net und Sensor 3D hinsichtlich Fehlstellenerkennung durchgeführt wobei sich das Sensor 3D als das geeignetere zeigte. Auch wurden Verfahren zur Visualisierung der Entwicklung der Fehlstelle nach zyklischer Erosionsbelastung entwickelt und angewandt. Im Projekt wurde erstmalig aktive Thermografie zur Defektdetektion an rotorblattähnlichen, mehrfach zyklisch mit Regen belasteten Probekörpern erfolgreich angewandt. Es wurde gezeigt, dass aktive Thermografie, insbesondere Langpuls-Thermografie auch ohne besonders starke und komplizierte Datenverarbeitung ein mächtiges Tool bei der Defektdetektion an thermisch trägen Materialien darstellt, speziell bei der Qualitätssicherung Wartung von Rotorblättern an Windenergieanlagen.Bericht357 196 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Tooth flank approximation with root point iteration – potentials and limits in gear metrologyGear production demands high-precision metrology, for which a holistic evaluation approach of the geometric data is proposed to overcome current restrictions. The holistic approximation with integrated partitioning and iterative root point calculation can cope even with modified flanks and is validated for gear parameter estimation with systematic deviations <0.2 µm. Apart from low signal-to-noise-ratio cases, where the approximation suffers from the multidimensionality of the optimization, the accuracy of standard evaluation procedures is achieved. Furthermore, holistic approximation is able to perform the required mathematical separation of the integral geometric elements of a tooth flank automatically when determining unknown gear parameters.Wissenschaftlicher ArtikelBand:70Heft:191 83 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Geometry Measurement of Submerged Metallic Micro-Parts Using Confocal Fluorescence Microscopy(Springer, 2018-07-10); ; ; The in situ geometry measurement of microstructures in the laser chemical machining (LCM) manufacturing process places high demands on measurement systems because the specimen is submerged in a closed fluid circuit. The steep slopes of the manufactured micro-components and the general lack of accessibility hinder the use of standard techniques such as tactile measurement or conventional confocal microscopy. A technique based on confocal fluorescence microscopy shows promise for increasing the measurability on metallic surfaces with large curvatures. By applying an intensely scattering fluorescent coating to the specimen, the surface position can be determined by the change in fluorescence signal at the boundary between specimen and coating. In contrast to the currently tested thin coatings (<100 μm) the measurements in layers thicker than 1 mm, as required for in situ application at the LCM process, show distinct dependencies on the fluorescent medium in terms of concentration and index of refraction. Hence, a fundamentally different signal evaluation approach based on a physical model of the fluorescence signal is needed to extract the surface position information from the detected fluorescence intensity signal. For the purpose of validation, the measurement of a step geometry is performed under the condition of a thick fluid layer and referenced with a tactile measurement. As a result, the model-based approach is shown to be suitable to detect the geometry parameter step height with an uncertainty of 8.8 μm or a step submerged in a fluid layer with a thickness of 2.3 mm.Wissenschaftlicher ArtikelBand:1Heft:380 65 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Temperature and pressure effects on the response behavior of anemometersCup anemometers are within the most used wind speed sensors for the wind energy industry. Wind tunnel calibrations under controlled conditions are required, but during operation uncontrolled environmental conditions occur. This is accounted for in the IEC 61400-50-1:2022 international wind measurements standard, which specifies sensor classification based on their response to external conditions, due to the influence parameters turbulence, air temperature, density, and upflow angle. Temperature and density effects are not covered appropriately in the IEC 61400-50-1:2022, since it assumes that air temperature only influences the bearing friction of a cup anemometer. No guidance is provided on evaluating variations in density, which depends on temperature and pressure. To investigate this, two cup anemometers are measured in Deutsche WindGuard’s Climatic Wind Tunnel, where density is changed by varying pressure and temperature independently. The results show that the sensor’s response to temperature can have other effects than an increase in ball bearing friction. Using pressure or temperature to modify density can even cause opposing results. Hence, varying temperatures and pressures independently is crucial to characterize a sensor’s response. The results correspond to cup anemometers, but the methodology is applicable on all sensors.Wissenschaftlicher ArtikelBand:90Heft:9138 122