Dirk Stöbener

In-process control of cutting depth during turning

During the turning process of a ring, the clamping force of the chuck causes circumferential deviations in the ring wall thickness and diameter. In order to minimise the wall thickness deviations, an experimental set-up for an in-process control of the cutting depth during turning is being developed. The set-up comprises a fast tool unit, an ultrasonic measurement system and a global control unit. In preliminary tests, the ultrasonic measurement proved suitable to acquire the changes in wall thickness. First turning experiments show that the developed fast tool unit and the applied control strategy fulfil the requirements for an in-process compensation of wall thickness deviations during standard turning conditions.

Ein Ultraschallsystem zur Erfassung des Benetzungszustands von zylindrischen Bauteilen (An Ultrasound System to Capture the Wetting Process of Cylindrical Workpieces)

Abstract Um den Abschreckvorgang von Stahlwerkstücken in einem Ölbad sowohl zeitlich als auch räumlich aufgelöst erfassen zu können, wurde ein Ultraschall-Messsystem entworfen und aufgebaut. Es basiert auf der Amplitudenerfassung der vom Bauteil reflektierten Ultraschallechos und ermöglicht es, den Übergang zwischen verschiedenen Siedephasen zu detektieren. Der Vergleich mit Kameraaufnahmen zeigt nur geringe Abweichungen, sodass das Verfahren zur Beurteilung von Abschreckprozessen eingesetzt werden kann.

In-Prozess-Charakterisierung spiegelnder Oberflächen mit Laserstreulicht und leistungsfähiger Hardware

Zusammenfassung Laserstreulichtmessungen auf der Basis von Specklekorrelationsverfahren charakterisieren Gestaltabweichung opaker, technischer Oberflächen auf der Mikro- und Nanometerskala. Anhand eines einzigen Streulichtbildes lässt sich die Rauheit eines mit Laserlicht beleuchteten Oberflächenbereiches mit mehreren Millimetern Durchmesser quantitativ bewerten. Mit hohen Laser-Lichtleistungen, kurzen Belichtungszeiten und einer Kamera mit hoher Bildrate lassen sich in laufenden Fertigungsprozessen „scharfe“ Bilder erzeugen, die für die rauheitsbezogene Bildauswertung geeignet sind. Die Bildauswertealgorithmen lassen sich für die Implementierung auf einer leistungsfähigen Hardware (FPGA – Field Programmable Gate Array) anpassen. Dies ermöglicht fertigungsnahe und In-Prozess-Rauheitsmessungen an technischen Oberflächen in Echtzeit mit einer Messrate von über 1,3 kHz und einer lückenlosen Oberflächenabdeckung von nahezu 4 m2/min bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 1600 m/min. Der vorliegende Beitrag beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise eines In-Prozess-Laserstreulichtmesssystems für die Charakterisierung schnell bewegter, spiegelnder Oberflächen und stellt erste Messergebnisse vor.

Methode zur Erfassung periodischer sub-wellenlängen Nanostrukturen für den In-Prozess-Einsatz

Zusammenfassung Das Verfahren der Scatterometrie bietet das Potenzial periodische Nanostrukturen wie z. B. Gitter prozessintern zu prüfen. Allerdings liefert es keine Topografiedatensätze, sondern nur Oberflächenparameter wie z. B. die Stegbreite einer Nanostruktur und dies auch nur, sofern der Zusammenhang zwischen Streulichtverteilung und Oberflächenparametern durch Untersuchungen bekannt ist. Dieser Beitrag beschreibt einen Scatterometrie-Ansatz zur nanometergenauen In-Prozess-Erfassung der lokalen Höhen eines sinusförmigen Nanogitters. Da der Zusammenhang zwischen der Gitterhöhe und der resultierenden Streulichtverteilung nicht bekannt war, wurde der Streuprozess mit einem numerischen Modell für unterschiedliche Oberflächen und Messparameter simuliert. Im Ergebnis ergaben sich ein Messaufbau und eine Messmethodik, mit denen eine eineindeutige Messung der Gitterhöhe bis 500 nm erreicht wurde. Zusätzlich wurde die Unsicherheit des Messansatzes basierend auf den Simulationsergebnissen für unterschiedliche Mess- und Simulationsparameter, wie z. B. den Einfallswinkel und die Laserwellenlänge, untersucht. Die resultierende Messunsicherheit der Gitterhöhe ist gegenwärtig durch unbekannte systematische Messabweichungen limitiert und beträgt bei der Verwendung von Laserlicht im sichtbaren Wellenlängenbereich ≤ 8 nm. Eine experimentelle Überprüfung des Messansatzes mit einem Laboraufbau konnte die Sensitivität für die Identifizierung von lokalen Abweichungen der Gitterhöhe belegen. Bei der Verwendung eines angepassten Detektionssystems für die Streulichtverteilung sind prinzipiell Messraten bis in den MHz-Bereich erreichbar, so dass der Ansatz für In-Prozess-Anwendungen geeignet ist.

Uncertainty of scattered light roughness measurements based on speckle correlation methods

Surface micro topography measurement (e.g., form, waviness, roughness) is a precondition to assess the surface quality of technical components with regard to their applications. Well defined, standardized measuring devices measure and specify geometrical surface textures only under laboratory conditions. Laser speckle-based roughness measurement is a parametric optical scattered light measuring technique that overcomes this confinement. Field of view dimensions of some square millimeters and measuring frequencies in the kHz domain enable in-process roughness characterization of even moving part surfaces. However, camera exposure times of microseconds or less and a high detector pixel density mean less light energy per pixel due to the limited laser power. This affects the achievable measurement uncertainty according to the Heisenberg uncertainty principle. The influence of fundamental, inevitable noise sources such as the laser shot noise and the detector noise is not quantified yet. Therefore, the uncertainty for speckle roughness measurements is analytically estimated. The result confirms the expected inverse proportionality of the measurement uncertainty to the square root of the illuminating light power and the direct proportionality to the detector readout noise, quantization noise and dark current noise, respectively. For the first time it is possible to quantify the achievable measurement uncertainty u(Sa) < 1 nm for the scattered light measuring system. The low uncertainty offers ideal preconditions for in-process roughness measurements in an industrial environment with an aspired resolution of 1 nm.

In-line measuring method for periodical sub-wavelength nanostructures

The goal of this work is to describe a simulatively designed scatterometry approach for the in-line characterization of sub-wavelength sinusoidal gratings, which are formed on a transparent foil in a roll-to-roll procedure. The challenge is to acquire the 3D information of the workpiece, i.e., to measure the grating height in addition to the grating period with nm precision. The grating period is obtained straightforward from the position of the first order diffraction maxima in the reflection and the transmission region. For determining the grating height, the inverse problem is solved, i.e., the relation between the scattered intensities of the diffraction maxima and the grating height is extracted from light scattering simulations. The measurement uncertainty is evaluated for different instrumentation and simulation parameters, such as the detection and incidence angle, the laser wavelength as well as the input parameters of the simulation. As a result, the measurement uncertainty for the grating period and the height is estimated to 0.3 nm and ≤8 nm, respectively, when using laser light in the visible wavelength range. Large area scanning measurements performed offline using the setup parameters derived from simulations verify the sensitivity of the presented measurement approach for identifying local variations of the spatial surface properties. Depending on the chosen detection system, sampling rates up to the MHz range are feasible meeting the requirements of in-line process control of the roll-to-roll production procedure.