Vergleich optischer Messmethoden für die 3-D-Charakterisierung technischer Oberflächen
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- Bernt Acker
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1 Vergleich optischer Messmethoden für die 3-D-Charakterisierung technischer Oberflächen Heinz-Wolfgang Lahmann Marius Stöckmann Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung (GFE) e.v. Schmalkalden - Institut für Werkzeugtechnik und Qualitätsmanagement (IWQ)- Näherstiller St Schmalkalden Tel.: 03683/ Fax: 03683/ info@gfe-net.de Internet: Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 1
2 GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. Entwicklung und Bewertung von Präzisionswerkzeugen Optimierung effektiver Zerspanungstechnologien Entwicklung Schicht- und Oberflächentechnologien/Hartstoffe Bewertung von Verschleißschutz-/Hartstoffschichten Berechnungs-, Prüf- und Messmethoden für Werkzeuge, Bauteile und Schichtverbunde Innovation Rund ums Werkzeug 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 2
3 Gliederung 1. Technische Oberflächen: Erläuterung und Beispielanwendungen 2. Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren zur 3D-Charakterisierung 3. Ergebnisse 4. Kurze Einschätzung der Untersuchungsergebnisse 5. Zusammenfassung 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 3
4 Technische Oberflächen: Erläuterung und Beispielanwendungen Unterscheidung natürliche / technische Oberflächen ( Quelle: PLAYBOY 11/1972) ( Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 4
5 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Streifenlichtprojektion - Methode Weisslichtinterferometer Methode ( nach LINNIK 1933) Chromatisch-konfokale Methode Depth from Focus-Methode 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 5
6 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Streifenlichtprojektion - Methode 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 6
7 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Streifenlichtprojektion - Methode - 2 Kameras - Kodierte Beleuchtungsserie - Flächige Erfassung ohne Bewegung des Prüflings - Gekrümmte Oberfläche erzeugt spezifisches Muster Messprinzipbedingte i Grenzen: - stark reflektierende Oberflächen, z.t. Probenpräparation nötig 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 7
8 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Streifenlichtprojektion - Methode Horizontale Codesequenz Vertikale Codesequenz Rekonstruktionktion ( Quelle: IITB) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 8
9 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Streifenlichtprojektion - Methode Messsystem: - Streifenprojektor - 2 CCD-Kameras Messbereiche: x 80 x 80 mm³ x 280 x 280 mm³ Messpunktdistanz: - 0,06 mm 0,5 mm 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 9
10 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Streifenlichtprojektion - Methode CAD-Daten STL Punktewolke 3D-Geometrievergleich 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 10
11 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Streifenlichtprojektion - Gerätesystem Technische Daten: Messfeld (Zoom) [mm²]: 0,7 x 0,5 bis 4 x 3 Auflösung in Z [µm]: 0,3 Messbereich Z [mm]: 03 0,3-1 Messzeit [s]: 2 ( Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 11
![0,5 bis 4 x 3 Auflösung in Z [µm]: 0,3 Messbereich Z [mm]: 03 0,3-1 Messzeit [s]: 2 (](/docs-images/46/20150271/images/page_11.jpg "Quelle: GFE) 12. Dezember 2008 3D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v.")
12 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D- Charakterisierung Michelson-Interferometer fester Spiegel Lichtquelle Strahlteiler d Verschiebbarer Spiegel Schirm 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 12
13 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Weisslichtinterferometer Methode (nach LINNIK 1933) ( Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 13
14 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D- Charakterisierung Weisslichtinterferometer Methode (Korrelogramm) Intensität Verschiebung ( Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 14
15 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Weisslichtinterferometer - Methode - kurzkohärentem Weißlicht (z.b. LED) - Kohärenzlänge ca. 2µm - Aufwendige Probenpräparation/Justage - Piezo-Verstellung am Sensorkopf Messprinzipbedingte Grenzen: -Stufenhöhen < Kohärenzlänge BatWings ( Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 15
16 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Weisslichtinterferometer - Methode Prüfling: PKD-Schneide (polykristalliner Diamant) ( Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 16
17 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Weisslichtinterferometer - Methode Prüfling: PKD-Schneide ( Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 17
18 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Weisslichtinterferometer - Gerätesystem Technische Daten (LINNIK): Vergrößerungen: 50x, 20x, 10x Z-Messbereich [µm]: 300 Messgeschwindigkeit [µm/s]: 1 Auflösung [nm]: 2 ( Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 18
![20x, 10x Z-Messbereich [µm]: 300 Messgeschwindigkeit [µm/s]: 1 Auflösung [nm]: 2 (](/docs-images/46/20150271/images/page_18.jpg "Quelle: GFE) 12. Dezember 2008 3D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v.")
19 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Chromatisch-konfokale Methode Chromatisch Weißes Licht wird in verschiedene Spektren aufgespaltet, hier mittels mehrgliedriger Linsensysteme Konfokal Linsen konfokal, wenn Brennpunkte übereinstimmen ortsdiskrete Abtastung der Oberfläche Distanzmessung durch abstandsabhängige monochromatische Wellenlängen ( Quelle: µepsilon) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 19
20 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Chromatisch-konfokale Gerätesystem Technische Daten: Messabstand [mm]: 6,5 Messbereich [µm]: 600 Auflösung z [nm]: 20 Laterale Auflösung [µm]: 2 NA: 02 0,2 Messfleckdurchmesser [µm]: 4 ( Quelle: PRECITEC) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 20
![20 Laterale Auflösung [µm]: 2 NA: 02 0,2 Messfleckdurchmesser [µm]: 4 ( Quelle: PRECITEC) 12.](/docs-images/46/20150271/images/page_20.jpg "Dezember 2008 3D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v.")
21 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Chromatisch-konfokale Methode - Weg- bzw. Abstandsmessung ist oberflächenunabhängig - Keine beweglichen Teile im Sensor Miniaturisierung -Dickenmessung essu an durchsichtigen c Materialien a e - Punktuelle Abtastung erfordert Kinematik ( Quelle: PRECITEC) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 21
22 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Depth from Focus - Methode Messprinzip: Bewertung einer Oberfläche unter Ausnutzung der begrenzten Schärfentiefe eines optischen Systems Aufnahmen von äquidistanten Schichtbildern Berechnung der Kontrastwerte für jeden Bildpunkt (Pixel) zur Beurteilung der lokalen Schärfe Auswertung des Maximums der Fokusfunktion für jedes Pixel zur Berechnung der Höhen der Oberflächenpunkte 3D-Punktwolke (Diskrete 3D-Beschreibung der Oberfläche) (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 22
23 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D- Charakterisierung Depth from Focus - Methode 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann
24 1 4 7 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Depth from Focus-Methode - Kontrast im Bild zwingend nötig (Helligkeitsunterschiede) Intensitätsverlauf 100 Maximale Schärfe des Pixels - exakte Reflektanz der Proben unerheblich per Definition KEIN 3D z = f(x,y); hochaufgelöste Tiefenkarte Intensität Bildvorverarbeitung nötig Rauschen virtuelle vollkommen tiefenscharfe Abbildung, Bsp. Lötpad z in µm Reales Mikroskopbild Virtuell tiefenscharfe Abbildung (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 24
![Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Depth from Focus - Gerätesystem Technische Daten: Arbeitsabstand [mm]: 34 (5x) 13 (50x) (SLWD) Auflösung z](/docs-images/39/20150271/images/25-0.png "[µm]: 2 Objektfeld [mm x mm]: 740x740 (stitching) Messzeit [s]: 20 (Quelle: GFE) 12. Dezember 2008 3D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v.")
25 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Depth from Focus - Gerätesystem Technische Daten: Arbeitsabstand [mm]: 34 (5x) 13 (50x) (SLWD) Auflösung z [µm]: 2 Objektfeld [mm x mm]: 740x740 (stitching) Messzeit [s]: 20 (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 25
26 Untersuchte optische Messmethoden und -verfahren 3D-Charakterisierung Depth from Focus - Gerätesystem (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 26
27 Ergebnisse Untersuchungen an: 1. Schleifwerkzeugen (geometrisch unbestimmte Schneide) - Schneidenanzahl unbekannt - Werkzeugwinkel streuen in einem weiten Bereich - Schneidenlage zum Werkstück ist nicht bekannt. (Quelle: WIKIPEDIA) 2. Schneidwerkzeugen ( geometrisch bestimmt Schneide) - Schneidenanzahl bestimmt - Geometrie der Schneidkeile durch das Werkzeug festgelegt - Lage der Schneiden zum Werkstück ist definiert (Quelle: KLOCKE RWTH) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 27
28 Ergebnisse Schleifwerkzeuge (unbestimmte Schneide) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 28
29 Ergebnisse Schleifwerkzeuge (geometrisch unbestimmte Schneide) / Streifenlichtprojektion Bindungsebene Schleifkorn (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 29
30 Ergebnisse Schleifwerkzeuge (geometrisch unbestimmte Schneide) / Weisslichtinterferometer Bindungsebene Schleifkorn (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 30
31 Ergebnisse Schleifwerkzeuge (geometrisch unbestimmte Schneide) / Chromatisch -Konfokal Bindungsebene Schleifkorn (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 31
32 Ergebnisse Schleifwerkzeuge (geometrisch unbestimmte Schneide) / DoF Bindungsebene Schleifkorn (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 32
33 Ergebnisse Schneidwerkzeuge (geometrisch bestimmte Schneide) Wendeschneidplatte REM-Aufnahme Wendeschneidplatte (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 33
34 Ergebnisse Schneidwerkzeuge (geometrisch bestimmte Schneide) / Streifenlichtprojektion (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 34
35 Ergebnisse Schneidwerkzeuge (geometrisch bestimmte Schneide) / Weisslichtinterferometer (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 35
36 Ergebnisse Schneidwerkzeuge (geometrisch bestimmte Schneide) / DoF (Quelle: GFE) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 36
37 Einschätzung der Ergebnisse Messzeit Gerätekosten Vert. Auflösung Inline WLI (Nein) DOF (Nein) Streifenlicht Ja Chrom.-konf Ja ++ Sehr gut + gut o Zufriedenstellend - genügend 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 37
38 Zusammenfassung - Streifenprojektion Werkzeuggeometrie, Schneidkantengeometrie (relativ schnelles Messverfahren) - Weisslichtinterferometrie Schneidkantengeometrie Rauheitskenngrößen (Messzeit ist im Vgl. zur Streifenprojektion deutlich höher) - Chromatisch-konfokal Schleifwerkzeuge (eingeschränkt einsetzbar) (laterale Verschiebung des Messobjektes aber keine in Z- Richtung notwendig) - Depth from Focus Schleifwerkzeuge (Bestimmung Kornüberstand) Schneidkantenmerkmale (Radius, Form) 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 38
39 Für Ihre Aufmerksamkeit Vielen Dank!! 12. Dezember D-NordOst 2008 Berlin-Adlershof GFE Schmalkalden e.v. Heinz-Wolfgang Lahmann 39
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