Strukturorientierte Analyse und Modellierung der Mikrotopographie technischer Oberflächen zur Prozessbeschreibung und -analyse (SAMMTOP)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Herkömmliche Profilpunktkenngrößen werden unter Nutzung aller Datenpunkte einer Oberflächenmessung mittels mathematischer Regeln abgeleitet. Dies führt dazu, dass die Struktur der Oberfläche sich in vielen Fällen nur bedingt in den Parametern widerspiegelt. Die Oberflächenstrukturen auf der Mikroskala, die teilweise mit hohem Aufwand durch gezielte Regelung und Überwachung von Fertigungsprozessen erzeugt werden, können aber maßgeblich für die Funktion der Oberfläche verantwortlich sein. So können beispielsweise Riblets zu einem signifikant niedrigeren Strömungswiderstand führen. Außerdem ist die Mikrostruktur eine direkte Konsequenz aus dem Fertigungsprozess und kann somit Aufschluss über dessen Zustand bieten. Das Ziel dieses Projekts bestand daher darin, Ansätze zur strukturorientierten Analyse technischer Oberflächen zu untersuchen. Der Fokus lag dabei auf der sogenannten Merkmalcharakterisierung. Hierbei werden durch Wasserscheidensegmentierung spezifische Merkmale extrahiert, um aus diesen entsprechende Kenngrößen abzuleiten. Während entsprechende Methoden für Flächentopografien seit Jahren genormt sind, wurde die Merkmalcharakterisierung für Profile (ISO 21920-2) drei Monate vor Projektbeginn veröffentlicht. Die zugehörige Filter-Norm für die Wasserscheidensegmentierung (ISO 16610-45) wurde im Februar dieses Jahres veröffentlicht. Gemäß der ISO-Regularien wurden keine Implementierungsrichtlinien vorgeschlagen. Der Fokus lag daher auf der Entwicklung eines eindeutigen Algorithmus für die Wasserscheidensegmentierung und die Merkmalcharakterisierung für Oberflächenprofile, welcher als Pseudocode veröffentlicht wurde. Implementierungen wurden in Matlab und Python umgesetzt, validiert und via Github öffentlich zur Verfügung gestellt. Bei der Entwicklung der Implementierungsrichtlinie wurden insbesondere die bestehenden Interpretationsspielräume adressiert, die sich aus der Übertragung der kontinuierlichen Modelle der ISO-Normen auf diskrete Messdaten ergeben. Des Weiteren kann der Code als Referenzsoftware (Softgauge des Typs F2 nach ISO 5436-2) dienen. Auf Basis dieser Implementierung wurde ein Profilgenerator erarbeitet, mit welchem wiederkehrende Strukturen aus einem realen Profil extrahiert und mit entsprechenden Statistiken über Verteilung und Abweichungen untereinander synthetische Profile generiert werden können. Abschließend konnte in verschiedenen Korrelationsanalysen das Potenzial der Merkmalcharakterisierung aufgezeigt werden, z. B. durch Identifikation des Verschleißzustandes beim Drehen oder einzelner Prozessparameter beim Schleifen und Läppen. Das Projekt hat somit den Grundstein für zahlreiche zukünftige Forschungen und industrielle Anwendungen gelegt. Bereits gewonnene und zukünftige Erkenntnisse könnten in die nächsten Revisionen von ISO 21920-2 und ISO 16610-45 einfließen und den vorhandenen Werkzeugkasten erweitern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Comprehensive analysis of surfaces featuring functional characteristics by angular-resolved scattering light measurement. Optical Manufacturing and Testing 2024, 10. SPIE.
Eifler, Matthias; Brodmann, Boris; Müller, Alexander & Seewig, Jörg
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Feature characterization for profile surface texture. Surface Topography: Metrology and Properties, 13(1), 015032.
Müller, A.; Eifler, M.; Jawaid, A. & Seewig, J.
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mts public/feature characterization for profile sur face texture
Alexander Müller & Arsalan Jawaid
