Deflektometrie an technischen Oberflächen (DOTS)

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Bernhard Bergmann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 381609254

Die Qualitätssicherung erfordert für viele Fertigungsverfahren eine schnelle, robuste, berührungslose und hochpräzise Messmethode zur 3D-Formerfassung. Aufgrund dieser Anforderungen erscheinen optische, nicht-interferometrische Verfahren sehr geeignet. Die Anwendbarkeit und Genauigkeit optischer Verfahren ist jedoch i.A. stark abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Messobjekte. So variiert die Oberflächenrauheit bei vielen technischen Oberflächen. Die zu charakterisierenden Objekte haben teils optisch glatte (spiegelnde), teils raue Oberflächen. Diese Eigenschaft technischer Oberflächen ist ein erhebliches Problem für eine zuverlässige und hochgenaue Messung.Das geometrisch-optische Messverfahren der phasenmessenden Deflektometrie (PMD) wird zur hochauflösenden 3D-Formmessung von vorwiegend spiegelnd reflektierenden Objekten angewandt. Zur Charakterisierung technischer Oberflächen im Rahmen der Qualitätssicherung sind PMD-Systeme im Prinzip sehr gut geeignet, da sie im Vergleich zu taktilen Messsystemen kleiner, günstiger und schneller sind. Allerdings geht die Theorie der PMD bislang von ideal spiegelnden Objektoberflächen ohne Welligkeit oder Rauheit aus, was in der Praxis nur selten gegeben ist und bei Messungen an technischen Oberflächen zu zusätzlichen Messfehlern führt, die bisher nicht adäquat charakterisiert wurden.Ziel des beantragten Vorhabens ist es daher, für die PMD an praktisch relevanten technischen Oberflächen realistische Oberflächenmodelle zu entwickeln, die die entstehenden statistischen und systematischen Messfehler vorhersagen, und Messfehler durch geeignete Maßnahmen zu minimieren. Dazu müssen i) die Zusammenhänge zwischen Form des Messobjekts, Geometrie des PMD-Aufbaus und Messfehlern bei der Phasenmessung modelliert werden, gestützt durch Messungen an geeigneten Prüfkörpern und Simulation der Messungen und ii) die Fortpflanzung von Phasenmessfehlern in die hieraus berechneten Oberflächenformen, -gradienten und -krümmungen erarbeitet werden. Zur Erreichung von Teilziel i) wird als Modell die bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion verwendet, die sowohl mit dem Phong-Ansatz als auch Monte-Carlo-Methoden berechnet wird. Teilziel ii) soll mit Hilfe der kleinsten Quadrate sowie Integration von Funktionen auf radialen Basen erreicht werden.Mit den Modellen können dann systematische Messfehler vorausgesagt, deren Ursachen identifiziert und korrigiert, sowie für verschiedene Typen von Objektoberflächen statistische Messfehler quantifiziert werden. Dadurch kann bei der deflektometrischen Formmessung erstmalig i) der PMD-Messaufbau und die Messprozedur systematisch an die zu messenden Oberflächen angepasst werden, ii) der Messfehler durch Korrektur oberflächenabhängiger systematischer Messfehler erniedrigt werden, und iii) die von der Objektoberfläche abhängige Messunsicherheit ortsaufgelöst berechnet werden.Hiermit soll eine wesentliche Lücke in der industriellen Qualitätssicherung geschlossen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen