Bei der Instandhaltung und Qualitätssicherung von Bauteilen ist eine umfassende Zustandscharakterisierung notwendig, um eine fundierte Aussagen über den Ist-Zustand treffen zu können. Diese Arbeit befasst sich mit der multimodalen Messung von Turbinenschaufeln von Flugtriebwerken. Während des Betriebs unterliegen diese hohen Belastungen, welche zu funktionskritischen Verschleißerscheinungen führen können. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Messsystems, das in der Lage ist diese Verschleißerscheinungen zu erfassen. Hierzu wurden unterschiedliche Sensoren, die jeweils Teilaspekte des Bauteilzustands abbilden können, zu einem Multisensorsystem zusammengeführt. Zur Rekonstruktion der makroskopischen Gestalt wird ein Streifenprojektionssystem eingesetzt. Zur Auswertung der flächigen Messungen und Detektion von Oberflächenmerkmalen wie Kühlluftbohrungen und Beschädigungen, werden Algorithmen basierend auf geometrischen Eigenschaften sowie neuronalen Netzen implementiert. Um die Oberflächeneigenschaften der Turbinenschaufeln zu charakterisieren wird ein Beleuchtungssensor entwickelt. Dieser bildet die Grundlage für eine modellbasierte Charakterisierung der Reflexionseigenschaften, was eine Unterscheidung verschiedener Bereiche ermöglicht. Zur Erweiterung der darstellbaren Skalenbereiche wird ein Kurzkohärenz-Interferometer zur Rekonstruktion von Mikrostrukturen in das Messsystem integriert. Für alle Sensoren und die im Messsystem verwendete Aktorik werden Strategien zur Kalibrierung der Komponenten zueinander implementiert, sodass eine Fusion der Daten in ein einheitliches Koordinatensystem ermöglicht wird. Auf diese Weise kann eine 3D-Darstellung der Turbinenschaufel erstellt werden, die
mit den zusätzlichen Erkenntnissen der eingesetzten Algorithmen und Sensoren ergänzt wird. Durch die Kombination dieser Daten wird der Informationsgehalt des Modells erhöht, was eine umfassendere Beurteilung des Zustands der Turbinenschaufeln ermöglicht.
Aktualisiert: 2023-05-11
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Bei der Instandhaltung und Qualitätssicherung von Bauteilen ist eine umfassende Zustandscharakterisierung notwendig, um eine fundierte Aussagen über den Ist-Zustand treffen zu können. Diese Arbeit befasst sich mit der multimodalen Messung von Turbinenschaufeln von Flugtriebwerken. Während des Betriebs unterliegen diese hohen Belastungen, welche zu funktionskritischen Verschleißerscheinungen führen können. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Messsystems, das in der Lage ist diese Verschleißerscheinungen zu erfassen. Hierzu wurden unterschiedliche Sensoren, die jeweils Teilaspekte des Bauteilzustands abbilden können, zu einem Multisensorsystem zusammengeführt. Zur Rekonstruktion der makroskopischen Gestalt wird ein Streifenprojektionssystem eingesetzt. Zur Auswertung der flächigen Messungen und Detektion von Oberflächenmerkmalen wie Kühlluftbohrungen und Beschädigungen, werden Algorithmen basierend auf geometrischen Eigenschaften sowie neuronalen Netzen implementiert. Um die Oberflächeneigenschaften der Turbinenschaufeln zu charakterisieren wird ein Beleuchtungssensor entwickelt. Dieser bildet die Grundlage für eine modellbasierte Charakterisierung der Reflexionseigenschaften, was eine Unterscheidung verschiedener Bereiche ermöglicht. Zur Erweiterung der darstellbaren Skalenbereiche wird ein Kurzkohärenz-Interferometer zur Rekonstruktion von Mikrostrukturen in das Messsystem integriert. Für alle Sensoren und die im Messsystem verwendete Aktorik werden Strategien zur Kalibrierung der Komponenten zueinander implementiert, sodass eine Fusion der Daten in ein einheitliches Koordinatensystem ermöglicht wird. Auf diese Weise kann eine 3D-Darstellung der Turbinenschaufel erstellt werden, die
mit den zusätzlichen Erkenntnissen der eingesetzten Algorithmen und Sensoren ergänzt wird. Durch die Kombination dieser Daten wird der Informationsgehalt des Modells erhöht, was eine umfassendere Beurteilung des Zustands der Turbinenschaufeln ermöglicht.
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Bei der Instandhaltung und Qualitätssicherung von Bauteilen ist eine umfassende Zustandscharakterisierung notwendig, um eine fundierte Aussagen über den Ist-Zustand treffen zu können. Diese Arbeit befasst sich mit der multimodalen Messung von Turbinenschaufeln von Flugtriebwerken. Während des Betriebs unterliegen diese hohen Belastungen, welche zu funktionskritischen Verschleißerscheinungen führen können. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Messsystems, das in der Lage ist diese Verschleißerscheinungen zu erfassen. Hierzu wurden unterschiedliche Sensoren, die jeweils Teilaspekte des Bauteilzustands abbilden können, zu einem Multisensorsystem zusammengeführt. Zur Rekonstruktion der makroskopischen Gestalt wird ein Streifenprojektionssystem eingesetzt. Zur Auswertung der flächigen Messungen und Detektion von Oberflächenmerkmalen wie Kühlluftbohrungen und Beschädigungen, werden Algorithmen basierend auf geometrischen Eigenschaften sowie neuronalen Netzen implementiert. Um die Oberflächeneigenschaften der Turbinenschaufeln zu charakterisieren wird ein Beleuchtungssensor entwickelt. Dieser bildet die Grundlage für eine modellbasierte Charakterisierung der Reflexionseigenschaften, was eine Unterscheidung verschiedener Bereiche ermöglicht. Zur Erweiterung der darstellbaren Skalenbereiche wird ein Kurzkohärenz-Interferometer zur Rekonstruktion von Mikrostrukturen in das Messsystem integriert. Für alle Sensoren und die im Messsystem verwendete Aktorik werden Strategien zur Kalibrierung der Komponenten zueinander implementiert, sodass eine Fusion der Daten in ein einheitliches Koordinatensystem ermöglicht wird. Auf diese Weise kann eine 3D-Darstellung der Turbinenschaufel erstellt werden, die
mit den zusätzlichen Erkenntnissen der eingesetzten Algorithmen und Sensoren ergänzt wird. Durch die Kombination dieser Daten wird der Informationsgehalt des Modells erhöht, was eine umfassendere Beurteilung des Zustands der Turbinenschaufeln ermöglicht.
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Bei der Instandhaltung und Qualitätssicherung von Bauteilen ist eine umfassende Zustandscharakterisierung notwendig, um eine fundierte Aussagen über den Ist-Zustand treffen zu können. Diese Arbeit befasst sich mit der multimodalen Messung von Turbinenschaufeln von Flugtriebwerken. Während des Betriebs unterliegen diese hohen Belastungen, welche zu funktionskritischen Verschleißerscheinungen führen können. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Messsystems, das in der Lage ist diese Verschleißerscheinungen zu erfassen. Hierzu wurden unterschiedliche Sensoren, die jeweils Teilaspekte des Bauteilzustands abbilden können, zu einem Multisensorsystem zusammengeführt. Zur Rekonstruktion der makroskopischen Gestalt wird ein Streifenprojektionssystem eingesetzt. Zur Auswertung der flächigen Messungen und Detektion von Oberflächenmerkmalen wie Kühlluftbohrungen und Beschädigungen, werden Algorithmen basierend auf geometrischen Eigenschaften sowie neuronalen Netzen implementiert. Um die Oberflächeneigenschaften der Turbinenschaufeln zu charakterisieren wird ein Beleuchtungssensor entwickelt. Dieser bildet die Grundlage für eine modellbasierte Charakterisierung der Reflexionseigenschaften, was eine Unterscheidung verschiedener Bereiche ermöglicht. Zur Erweiterung der darstellbaren Skalenbereiche wird ein Kurzkohärenz-Interferometer zur Rekonstruktion von Mikrostrukturen in das Messsystem integriert. Für alle Sensoren und die im Messsystem verwendete Aktorik werden Strategien zur Kalibrierung der Komponenten zueinander implementiert, sodass eine Fusion der Daten in ein einheitliches Koordinatensystem ermöglicht wird. Auf diese Weise kann eine 3D-Darstellung der Turbinenschaufel erstellt werden, die
mit den zusätzlichen Erkenntnissen der eingesetzten Algorithmen und Sensoren ergänzt wird. Durch die Kombination dieser Daten wird der Informationsgehalt des Modells erhöht, was eine umfassendere Beurteilung des Zustands der Turbinenschaufeln ermöglicht.
Aktualisiert: 2023-05-05
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mit den zusätzlichen Erkenntnissen der eingesetzten Algorithmen und Sensoren ergänzt wird. Durch die Kombination dieser Daten wird der Informationsgehalt des Modells erhöht, was eine umfassendere Beurteilung des Zustands der Turbinenschaufeln ermöglicht.
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Aktualisiert: 2023-05-05
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Aktualisiert: 2023-04-27
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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden zur Schadensdetektion sowie der Charakterisierung von kaltgasgespritzten Funktionsschichten auf Leichtbaustrukturen anhand akustischer und optischer Messtechnik. Dabei wird detailliert auf die Methoden sowie Grenzen der Verfahren eingegangen und aufgezeigt, inwieweit eine entsprechende Evaluierung der Funktionsschichten möglich ist. Hierzu wird nach einer kurzen Einführung in die Grundlagen der Analyse von Körperschallsignalen sowie deren Anwendungsbereiche, auf die diversen Untersuchungen im Rahmen der Arbeit hinsichtlich einer Schadensdetektion sowie Charakterisierung der Schichtdicke eingegangen. Für die Analysen wurden eine Vielzahl an Versuchen durchgeführt und die entsprechenden Proben metallografisch untersucht. Die während der Beschichtung der Strukturen aufgezeichneten Körperschallsignale sind durch verschiedenste Verarbeitungsschritte, wie die schwellwertbasierte Extraktion der Messdaten, die prozesszeitadaptive Effektivwertbildung oder auch Filterung der Messdaten verarbeitet worden.
Zur Schadensdetektion der Funktionsschichten werden verschiedenste Kenngrößen aus dem Zeit- wie auch aus dem Frequenzbereich auf deren Eignung hin zur Überwachung der erzielten Schichtqualität durch den Abgleich mit den erzeugten metallografischen Untersuchungen analysiert und bewertet.
Für die Charakterisierung der Schichtdicke wird ein neues Verfahren beschrieben, dass eine, im Rahmen dieser Arbeit, sowohl quantitative sowie qualitative Rekonstruktion der Schichtdicke unter Zuhilfenahme von a priori Wissen bzgl. der applizierten Schichten durch die Analyse der aufgezeichneten Schallemissionssignalen zulässt. Ebenso werden die aktuellen Herausforderungen dargestellt, die sich bei der Bestimmung der Schichtdicke durch die Analyse der Körperschallsignale ergeben. Des Weiteren werden ein optisches Messsystem, die durchgeführten Datenverarbeitungsschritte sowie die Kalibrierung des Systems vorgestellt, mit dem eine quantitative Bestimmung der Schichtdicke am Realbauteil durchgeführt werden kann. Abschließend erfolgt die Bestimmung der Schichtdicke am Realbauteil im Abgleich mit einer metallografischen Analyse.
Aktualisiert: 2021-10-21
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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden zur Schadensdetektion sowie der Charakterisierung von kaltgasgespritzten Funktionsschichten auf Leichtbaustrukturen anhand akustischer und optischer Messtechnik. Dabei wird detailliert auf die Methoden sowie Grenzen der Verfahren eingegangen und aufgezeigt, inwieweit eine entsprechende Evaluierung der Funktionsschichten möglich ist. Hierzu wird nach einer kurzen Einführung in die Grundlagen der Analyse von Körperschallsignalen sowie deren Anwendungsbereiche, auf die diversen Untersuchungen im Rahmen der Arbeit hinsichtlich einer Schadensdetektion sowie Charakterisierung der Schichtdicke eingegangen. Für die Analysen wurden eine Vielzahl an Versuchen durchgeführt und die entsprechenden Proben metallografisch untersucht. Die während der Beschichtung der Strukturen aufgezeichneten Körperschallsignale sind durch verschiedenste Verarbeitungsschritte, wie die schwellwertbasierte Extraktion der Messdaten, die prozesszeitadaptive Effektivwertbildung oder auch Filterung der Messdaten verarbeitet worden.
Zur Schadensdetektion der Funktionsschichten werden verschiedenste Kenngrößen aus dem Zeit- wie auch aus dem Frequenzbereich auf deren Eignung hin zur Überwachung der erzielten Schichtqualität durch den Abgleich mit den erzeugten metallografischen Untersuchungen analysiert und bewertet.
Für die Charakterisierung der Schichtdicke wird ein neues Verfahren beschrieben, dass eine, im Rahmen dieser Arbeit, sowohl quantitative sowie qualitative Rekonstruktion der Schichtdicke unter Zuhilfenahme von a priori Wissen bzgl. der applizierten Schichten durch die Analyse der aufgezeichneten Schallemissionssignalen zulässt. Ebenso werden die aktuellen Herausforderungen dargestellt, die sich bei der Bestimmung der Schichtdicke durch die Analyse der Körperschallsignale ergeben. Des Weiteren werden ein optisches Messsystem, die durchgeführten Datenverarbeitungsschritte sowie die Kalibrierung des Systems vorgestellt, mit dem eine quantitative Bestimmung der Schichtdicke am Realbauteil durchgeführt werden kann. Abschließend erfolgt die Bestimmung der Schichtdicke am Realbauteil im Abgleich mit einer metallografischen Analyse.
Aktualisiert: 2022-06-23
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Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Validierung von Kompensationsverfahren für den Lichtablenkungseffekt bei der optischen Triangulationsmessung der Geometrie schmiedewarmer Bauteile durch Streifenprojektion. Die Lichtablenkung hat einen bislang nicht quantifizierbaren Einfluss auf das Messergebnis und verfälscht dieses. Induziert wird die Ablenkung durch das inhomogene Brechungsindexfeld, welches durch die Erwärmung der Umgebungsluft durch das warme Bauteil ausgelöst wird. Eine Messung mit Kompensierung des Lichtablenkungseffekts eröffnet neue Möglichkeiten zur Inline-Messung und Bewertung der Geometrie von Schmiedeteilen, da nicht mehr auf die Abkühlung der Bauteile gewartet werden muss. Eine solche Messung ermöglicht zudem eine Verbesserung der Auslegung von Schmiedeprozessen, da die Geometrie des warmen Bauteils ein besseres Abbild der Werkzeugkontur darstellt als die Geometrie des erkalteten Werkstücks.
Aktualisiert: 2021-07-07
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Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Validierung von Kompensationsverfahren für den Lichtablenkungseffekt bei der optischen Triangulationsmessung der Geometrie schmiedewarmer Bauteile durch Streifenprojektion. Die Lichtablenkung hat einen bislang nicht quantifizierbaren Einfluss auf das Messergebnis und verfälscht dieses. Induziert wird die Ablenkung durch das inhomogene Brechungsindexfeld, welches durch die Erwärmung der Umgebungsluft durch das warme Bauteil ausgelöst wird. Eine Messung mit Kompensierung des Lichtablenkungseffekts eröffnet neue Möglichkeiten zur Inline-Messung und Bewertung der Geometrie von Schmiedeteilen, da nicht mehr auf die Abkühlung der Bauteile gewartet werden muss. Eine solche Messung ermöglicht zudem eine Verbesserung der Auslegung von Schmiedeprozessen, da die Geometrie des warmen Bauteils ein besseres Abbild der Werkzeugkontur darstellt als die Geometrie des erkalteten Werkstücks.
Aktualisiert: 2021-09-02
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Im Automobilbau werden Struktur- und Aussenhautteile mithilfe der Blechumformung hergestellt. Aufgrund der Vielzahl an Einflussfaktoren, beginnend bei der Materialbeschaffenheit der Blechplatinen bis hin zu sensibel einzustellenden Parametern der Umformmaschinen, gilt es, auftretende Fehler an Bauteilen frühzeitig zu erkennen und den Fertigungsprozess kontinuierlich zu verbessern. Mithilfe der Kombination der sog. inversen Streifenprojektion und der Einseitenbanddemodulation wird im Rahmen dieser Arbeit eine neue Single-Shot-Methodik entwickelt, welche eine 3D-Inline-Inspektion an metallischen Freiformflächen in Vibration zulässt. Die zunächst bekannten Methoden werden kombiniert und unter maximaler Ausnutzung von Vorwissen über die Bauteilform, die Oberflächenbeschaffenheit sowie die Fehlercharakteristiken für die industrielle Tauglichkeit weiterentwickelt.
Im Fokus der Arbeit stehen die optimale inverse Musterberechnung mit Kontrastkorrektur, die „Messung anhand dunkler Streifen“ zur Reduktion von Phasenrauschen, die Erweiterung zur lokalen Frequenzauswertung anhand der Wavelet-Transformation und die robuste 2D-Lokalisierung der Defekte auf Basis der Differenz der Hauptkrümmungen im Phasensignal. Dabei wurde ein Prototyp, bestehend aus einer Kamera und einem Projektor entwickelt, welcher Einschnürungen bis zu einer Tiefe von 30μm robust in der Serienfertigung inline in der Presse detektieren kann. Quantitative Analysen der prozesstechnischen Störeinflüsse auf die Messtechnik sowie deren Reduzierung runden die Arbeit ab.
Aktualisiert: 2020-11-04
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Im Automobilbau werden Struktur- und Aussenhautteile mithilfe der Blechumformung hergestellt. Aufgrund der Vielzahl an Einflussfaktoren, beginnend bei der Materialbeschaffenheit der Blechplatinen bis hin zu sensibel einzustellenden Parametern der Umformmaschinen, gilt es, auftretende Fehler an Bauteilen frühzeitig zu erkennen und den Fertigungsprozess kontinuierlich zu verbessern. Mithilfe der Kombination der sog. inversen Streifenprojektion und der Einseitenbanddemodulation wird im Rahmen dieser Arbeit eine neue Single-Shot-Methodik entwickelt, welche eine 3D-Inline-Inspektion an metallischen Freiformflächen in Vibration zulässt. Die zunächst bekannten Methoden werden kombiniert und unter maximaler Ausnutzung von Vorwissen über die Bauteilform, die Oberflächenbeschaffenheit sowie die Fehlercharakteristiken für die industrielle Tauglichkeit weiterentwickelt.
Im Fokus der Arbeit stehen die optimale inverse Musterberechnung mit Kontrastkorrektur, die „Messung anhand dunkler Streifen“ zur Reduktion von Phasenrauschen, die Erweiterung zur lokalen Frequenzauswertung anhand der Wavelet-Transformation und die robuste 2D-Lokalisierung der Defekte auf Basis der Differenz der Hauptkrümmungen im Phasensignal. Dabei wurde ein Prototyp, bestehend aus einer Kamera und einem Projektor entwickelt, welcher Einschnürungen bis zu einer Tiefe von 30μm robust in der Serienfertigung inline in der Presse detektieren kann. Quantitative Analysen der prozesstechnischen Störeinflüsse auf die Messtechnik sowie deren Reduzierung runden die Arbeit ab.
Aktualisiert: 2020-11-12
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Die Geometrie der Rotorblätter von Windenergieanlagen wird bisher keiner systematischen Qualitätskontrolle in großen Stückzahlen unterzogen. Grund dafür ist das Fehlen eines Messsystems, das den Anforderungen an die großen Dimensionen und die komplexe Geometrie der Rotorblätter entspricht. Aufgrund dessen werden die Einflüsse der durch den Fertigungsprozess bedingten Abweichungen der gefertigten Rotorblattgeometrie zur Auslegungsgeometrie bei der Bewertung von Windenergieanlagen bezüglich der Leistung, der Lasten und der Geräuschemission nicht berücksichtigt.
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Entwicklung und Evaluierung einer Multisensor-Messeinrichtung zur 3-D Messung und Oberflächenrekonstruktion von Rotorblättern für Windenergieanlagen, um ferner die Fertigungsabweichungen der Rotorblätter zu bestimmen.
Aktualisiert: 2020-06-19
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Die Geometrie der Rotorblätter von Windenergieanlagen wird bisher keiner systematischen Qualitätskontrolle in großen Stückzahlen unterzogen. Grund dafür ist das Fehlen eines Messsystems, das den Anforderungen an die großen Dimensionen und die komplexe Geometrie der Rotorblätter entspricht. Aufgrund dessen werden die Einflüsse der durch den Fertigungsprozess bedingten Abweichungen der gefertigten Rotorblattgeometrie zur Auslegungsgeometrie bei der Bewertung von Windenergieanlagen bezüglich der Leistung, der Lasten und der Geräuschemission nicht berücksichtigt.
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Entwicklung und Evaluierung einer Multisensor-Messeinrichtung zur 3-D Messung und Oberflächenrekonstruktion von Rotorblättern für Windenergieanlagen, um ferner die Fertigungsabweichungen der Rotorblätter zu bestimmen.
Aktualisiert: 2020-08-20
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Die industrielle Fertigung optischer Systeme ist heutzutage immer noch zeitaufwendig und kostspielig, da insbesondere bei der Montage die wenigsten Arbeitsschritte vollautomatisiert ablaufen. Die geforderten hohen Toleranzen führen zur Notwendigkeit hochspezialisierter Maschinen und zu hohen Ausschussraten optischer Komponenten. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden bei optischen Systemen typischerweise teure aktive und/oder passive Justiereinheiten für alle kritischen optischen Komponenten eingesetzt. Allerdings führen die damit einhergehenden Justageprozesse, welche noch vorwiegend von Hand ausgeführt werden, zu langen Produktionszeiten und damit auch zu hohen Produktionskosten.
In dieser Dissertation wird eine sequentielle und funktionsorientierte Strategie zur Montage optischer Systeme verfolgt. Dadurch lässt sich eine Reduktion der Toleranzanforderungen an die Komponenten und Positioniersysteme erreichen, welches einen erheblichen Schritt zur vollständigen Automatisierung solcher Montageprozesse darstellt. So kann man nicht nur dem zunehmenden Drang nach mehr Leistung, Funktionalität und Komplexität, sondern auch den stetig steigenden Anforderungen an Miniaturisierung, Robustheit, Zuverlässigkeit und Kostenreduktion gerecht werden. Des Weiteren kann somit in der Produktion flexibel auf individuelle Einzelfertigungen und variierende Losgrößen reagiert werden.
Aktualisiert: 2020-01-17
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Die Beschichtung empfindlicher elektrischer Komponenten ist ein weitverbreiteter Ansatz zum Korrosionsschutz und zur Verlängerung ihrer Lebensdauer. Im Rahmen der Herstellung ist eine präzise Untersuchung der aufgebrachten Schutzschicht in Form einer Schichtdickenmessung eine häufig geforderte Aufgabe. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Systems, welches mithilfe geeigneter Messverfahren eine berührungslose, großflächige Erfassung von transparenten Beschichtungen auf heterogenen Oberflächen umsetzen soll. Zu diesem Zweck werden eine Vielzahl von gängigen und selbst entwickelten Messverfahren bezüglich ihrer Eignung evaluiert und die optischen Eigenschaften weit verbreiteter Beschichtungen betrachtet.
Da keines der untersuchten Verfahren die geforderte Aufgabe alleine zufriedenstellend löst, wird eine Kombination aus Fluoreszenzuntersuchung und interferometrischer Punktmessung in Form eines Prototypen umgesetzt. Anschließende Messungen von Testobjekten werden genutzt, um die Datenkombination der Teilsysteme zu verifizieren und aus ihr eine Berechnungsvorschrift abzuleiten. Hierbei zeigt sich jedoch, dass die Bestimmung der relativen Schichtdickenverteilung aus den Fluoreszenzdaten eine zu große Varianz aufweist, um robuste Ergebnisse zu liefern. Der entwickelte Prototyp kann auf dieser Basis somit lediglich Dickenverteilungen mit großer Unsicherheit bestimmen, liefert jedoch im Vergleich zur gängigen Prüfung auf Anwesenheit eine verbesserte Auswertung der aufgezeichneten Fluoreszenzdaten.
Aktualisiert: 2020-01-17
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Die industrielle Fertigung optischer Systeme ist heutzutage immer noch zeitaufwendig und kostspielig, da insbesondere bei der Montage die wenigsten Arbeitsschritte vollautomatisiert ablaufen. Die geforderten hohen Toleranzen führen zur Notwendigkeit hochspezialisierter Maschinen und zu hohen Ausschussraten optischer Komponenten. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden bei optischen Systemen typischerweise teure aktive und/oder passive Justiereinheiten für alle kritischen optischen Komponenten eingesetzt. Allerdings führen die damit einhergehenden Justageprozesse, welche noch vorwiegend von Hand ausgeführt werden, zu langen Produktionszeiten und damit auch zu hohen Produktionskosten.
In dieser Dissertation wird eine sequentielle und funktionsorientierte Strategie zur Montage optischer Systeme verfolgt. Dadurch lässt sich eine Reduktion der Toleranzanforderungen an die Komponenten und Positioniersysteme erreichen, welches einen erheblichen Schritt zur vollständigen Automatisierung solcher Montageprozesse darstellt. So kann man nicht nur dem zunehmenden Drang nach mehr Leistung, Funktionalität und Komplexität, sondern auch den stetig steigenden Anforderungen an Miniaturisierung, Robustheit, Zuverlässigkeit und Kostenreduktion gerecht werden. Des Weiteren kann somit in der Produktion flexibel auf individuelle Einzelfertigungen und variierende Losgrößen reagiert werden.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Die Beschichtung empfindlicher elektrischer Komponenten ist ein weitverbreiteter Ansatz zum Korrosionsschutz und zur Verlängerung ihrer Lebensdauer. Im Rahmen der Herstellung ist eine präzise Untersuchung der aufgebrachten Schutzschicht in Form einer Schichtdickenmessung eine häufig geforderte Aufgabe. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Systems, welches mithilfe geeigneter Messverfahren eine berührungslose, großflächige Erfassung von transparenten Beschichtungen auf heterogenen Oberflächen umsetzen soll. Zu diesem Zweck werden eine Vielzahl von gängigen und selbst entwickelten Messverfahren bezüglich ihrer Eignung evaluiert und die optischen Eigenschaften weit verbreiteter Beschichtungen betrachtet.
Da keines der untersuchten Verfahren die geforderte Aufgabe alleine zufriedenstellend löst, wird eine Kombination aus Fluoreszenzuntersuchung und interferometrischer Punktmessung in Form eines Prototypen umgesetzt. Anschließende Messungen von Testobjekten werden genutzt, um die Datenkombination der Teilsysteme zu verifizieren und aus ihr eine Berechnungsvorschrift abzuleiten. Hierbei zeigt sich jedoch, dass die Bestimmung der relativen Schichtdickenverteilung aus den Fluoreszenzdaten eine zu große Varianz aufweist, um robuste Ergebnisse zu liefern. Der entwickelte Prototyp kann auf dieser Basis somit lediglich Dickenverteilungen mit großer Unsicherheit bestimmen, liefert jedoch im Vergleich zur gängigen Prüfung auf Anwesenheit eine verbesserte Auswertung der aufgezeichneten Fluoreszenzdaten.
Aktualisiert: 2020-07-08
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Diese Dissertationsschrift befasst sich mit der Auslegung, Herstellung und dem Test zweier Typen eines integrierten, optischen Dehnungssensors, der ausschließlich aus Polymerwerkstoffen besteht. Zur Zeit basieren alle am Markt erhältlichen optischen Dehnungssensoren auf sog. Faser-Bragg-Gittern (FBG), die in eine monomode-Glasfaser eingebracht wurden. Diese arbeiten in Durchlassrichtung ähnlich wie ein Bandstopp-Filter und reflektieren ein sehr schmales Spektrum zurück zur Lichtquelle. Werden diese Sensoren gedehnt, ändert sich die Reflektionswellenlänge. Diese kann dann spektral ausgewertet und so die aktuelle Dehnung des FBG-Sensor bestimmt werden. Sensoren dieses Typs sind seit etwa zehn Jahren kommerziell erhältlich.
Durch die Verwendung von Glasfaser verfügen diese Sensoren jedoch aufgrund das vergleichsweise brüchigen Basismaterials über einen eingeschränkten Dehnungsbereich. Darüber hinaus sind vor allem Messungen auf Bauteilen, die flach, flexibel und vor allem großflächig sind, auch mit Glasfaser-basierten FBG-Sensoren nur schwer möglich; So sind diese zwar eingeschränkt hintereinanderschaltbar, jedoch müssen trotzdem große Mengen von Glasfaser, die keine Sensoren enthalten auf dem Bauteil fixiert werden und beeinflussen z.B. durch ihr Gewicht die Messung. Generell ist für ein Szenario wie z.B. die Vermessung einer Flugzeugtragfläche eine flexible, aufklebbare Folie mit integrierten Messstellen wünschenswert. Diese ist in Glas aktuell jedoch nicht herstellbar. Monomode-Wellenleiter aus transparenten Polymeren als flexiblere Basis für optische Anwendungen stehen ebenfalls kommerziell noch nicht zur Verfügung, weshalb FBG-Sensoren in Polymerwellenleitern derzeit noch Gegenstand der Forschung sind. Ein weiteres Hindernis der einfachen Überführung der FBG-Technik auf Kunststoff-Wellenleiter ist die Tendenz vieler Kunststoffe, eingebrachte Strukturänderungen wie z.B. ein FBG durch ein Zusammenspiel von Zeit und Temperatur wieder zu “vergessen“.
Diese Arbeit ist eingebettet in das Sonderforschungsprogramm SFB 123 “PlanOS“ und beschreibt die Auslegung, Herstellung und Charakterisierung zweier polymerbasierter Dehnungssensoren, die ausschließlich auf vergleichweise großskaligen Multimode-Wellenleitern beruhen. Ein intensitätsmodulierender Ansatz funktioniert mittels zweier sich gegenüber angeordneter Wellenleitern, von denen einer als Emitter, der andere als Receiver arbeitet. Eine Änderung des Abstands der beiden Wellenleiter zueinander führt zu einer Änderung der Koppeleffizienz, die dann durch Auswertung der geführten Leistung am Ende des Receiver-Wellenleiters ausgewertet werden kann. Ein zweiter, chromatischer, Ansatz nutzt ein in ein Polymersubstrat eingebrachtes Beugungsgitter als dehnungssensitives Element. Breitbanding beleuchtet durch einen Emitter-Wellenleiter kann die erste Beugungsordnung des Gitter von einem Receiver aufgenommen und an dessen Ende spektral ausgewertet werden. Eine Dehnung des Systems entlang des Gitters führt zu einer Änderung im eingekoppelten Spektrum, die mittels Spektrometer messbar ist. Durch die großen Abmessungen der verwendeten Wellenleiter zwischen 250 μm und 100 μm kann die Kopplung von Licht mittels kostengünstiger inkohärenter Lichtquellen wie LED erfolgen.
Beide Konzepte werden in dieser Arbeit zunächst theoretisch untersucht. Im Falle des intensitätsbasierten Sensors wird vor allem die Intensitätsverteilung am Emitterende genauer untersucht, während beim chromatischen Sensor der Mechanismus der Gitterherstellung durch femtosekunden-Schreiben durch Einsatz eines Algorithmus zur Phasenrekonstruktion näher untersucht wird. Die Herstellung des intensitätsbasierten Sensors von Hand und mittels Reaktivlamination wird beschrieben und Messergebnisse werden vorgestellt. Ebenfalls werden Messungen an mechanisch belasteten Gittern des chromatischen Dehnungssensors vorgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit sind außerdem eine präzisions-Zugprüfmaschine und ein Heißklingen-Cleaver entstanden, die für eine mechanische Charakterisierung der hergestellten Systeme bzw. ein präzises Trennen der Polymersubstrate unabdingbar sind. Deren Entwurf und Aufbau wird ebenfalls beschrieben. Abschließend wird eine Sensorfolie vorgestellt, die mehrere intensitätsbasierende Dehnungssensoren trägt. Die Ergebnisse von Tests an einem Prototyp dieser Folie werden mit den Ergebnissen vorher ausgeführter analytischer Untersuchungen zur Sensorantwort verglichen.
Aktualisiert: 2019-11-07
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