Studienabschlussarbeiten

Aufgrund der technologischen Weiterentwicklung der Ultrapräzisionstechnologie können definierte Strukturen im Mikrometerbereich mit hoher Oberflächengüte realisiert werden. Dabei können die sehr hohen Anforderungen der optischen Anwendungen an die Oberflächenrauheit (Ra < 10 nm) werkstoffabhängig teilweise erfüllt werden. Die für die optischen Anwendungen nötige Makrotopografie (Formabweichung) kann in jedem Fall gewährleistet werden. Sie hat in allen technologischen Untersuchungen PV < 1 æm betragen. Das Werkstoffspektrum in der Ultrapräzisionsbearbeitung umfasst unter anderem PMMA, Aluminium und CuproNickel. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde die Integration eines Fly Cutting Moduls in eine Ultrapräzisionsdrehmaschine sowie deren Möglichkeiten und Grenzen eingehend untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit bestand darin, ein Fly Cutting Modul in die Ultrapräzisionsdrehmaschine zu integrieren und wesentliche Maschinenparameter hinsichtlich der erzeugbaren Oberflächengüte zu optimieren. Das konnte gezielt aufgrund von qualitativen und quantitativen Beurteilungen der Mikro- und Makrotopografie der gefertigten strukturierten Oberflächen erfolgen. Anschließend wurden 5 aus dem Bereich der technischen Optik interessante Mikrostrukturen ausgewählt und in 3 verschiedenen Werkstoffen unter Anwendung der experimentell ermittelten Maschinenparameter gefertigt. Danach erfolgte eine qualitative und quantitative Bewertung der Oberflächen und der Funktion. Die Ermittlung der Rauheitskennwerte sowie der Formabweichung erfolgte ausschließlich mit dem Tastschnittgerät Taylor Hobson FormTalysurf PGI 1240. Dieses Messgerät eignet sich zur Charakterisierung von linearen Strukturen im Mikrometerbereich. Hochaufgelöste Untersuchungen der gefertigten Oberflächenstruktur konnten durch das Auflichtmikroskop Zeiss Axio Imager.A1 und durch das Rasterelektronenmikroskop Zeiss DSM 940A erfolgen. Für die Auswertung der Makro- und Mikrotopografie wurde sich innerhalb der Optimierung der Maschinenparameter für ein Zylinderlinsenarray mit einem Radius von etwa 0,2 mm und einer Breite von 0,2 mm entschieden. Als Werkstoff dienten bei den Parameteruntersuchungen das Polymer PMMA und der metallische Werkstoff CuproNickel. Es wurden Untersuchungen zur Zustellgenauigkeit der Schnitttiefe und zur Abhängigkeit der entstehenden Oberflächentopografie (Makro- und Mikrotopografie) von den Einstellparametern der Maschine durchgeführt. Dabei standen die Parameter Relativbewegung, Drehzahl, Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und Schnitttiefe im Vordergrund. Bei allen Versuchen wurde die Oberflächenrauheit durch die Parametervariationen im metallischen Werkstoff wesentlich stärker beeinflusst als im untersuchten Kunststoff PMMA. Die Formabweichung blieb in beiden untersuchten Werkstoffen im jeweiligen Variationsbereich immer konstant. Die analysierten Ergebnisse zur Ermittlung der Abhängigkeit der Oberflächentopografie von der Relativbewegung (Gleichlauf-, Gegenlauffräsen) haben ergeben, dass man das Fly Cutting im Gleichlauf bevorzugen sollte. Vor allem die entstehende Oberflächenrauheit im metallischen Werkstoff ist im Gleichlauffräsen (Ra = 16 nm) wesentlich vorteilhafter gegenüber dem Gegenlauffräsen (Ra = 117 nm). Weiterhin wirkt sich eine erhöhte Drehzahl des Diamantwerkzeuges beim Umfangsfräsen mit fliegendem Messer (Fly Cutting) vorteilhaft auf die Oberflächenrauheit aus. Dabei konnte im Werkstoff CuproNickel bei einer optimierten Drehzahl von 3000 U/min eine wesentlich bessere Rauheit (Ra = 7,4 nm) gegenüber einer langsamen Drehzahl von 500 U/min (Ra = 54 nm) erreicht werden. Der Vorschub hat im untersuchten Bereich zwischen 3 und 360 mm/min Einfluss auf die entstehende Oberflächenrauheit in beiden untersuchten Werkstoffen PMMA und CuproNickel. In PMMA steigt die arithmetische Mittenrauheit von 8 nm auf 40 nm und im Werkstoff CuproNickel von 5,5 auf 60 nm bei Erhöhung des Vorschubes an. Die Auswirkungen nehmen allerdings unterschiedliche Ausmaße an. Daher musste sich für die zukünftige Bearbeitung auf einen werkstoffspezifischen Vorschub festgelegt werden. Ein weiterer wesentlicher Einfluss auf die entstehende Oberflächenrauheit ist die Schnitttiefe. Sie wurde im Bereich zwischen 3 æm und 400 æm untersucht. Die messtechnische Ermittlung der Oberflächenrauheit zeigte eine Zunahme der arithmetischen Mittenrauheit im Werkstoff CuproNickel von 18 nm auf 83 nm. In PMMA dagegen war sie konstant bei etwa 13 nm. Das liefert die Schlussfolgerung, dass man Prototypen im Kunststoff PMMA nicht mit einer kleinen Schnitttiefe endbearbeiten muss, was im metallischen Werkstoff unabdingbar ist. In den weiteren Untersuchungen wurden weitere, im Bereich der Optik sinnvolle, Mikrostrukturierungen in den vorher untersuchten Werkstoffen und dem zusätzlichem Aluminium RSA 905 vorgenommen. Dabei wurden diffraktive Gitter, Prismenarrays, Pyramidenarrays, Retroreflektorarrays und nochmals Zylinderlinsenarrays mit dem Fly Cutting Modul realisiert. Dazu kamen die im Vorfeld ermittelten technologischen Parameter zum Einsatz. Für den Werkstoff Aluminium wurden die für den metallischen Werkstoff CuproNickel ermittelten Parameter angewendet. Folgend auf die Bearbeitung des Versuchsprogramms wurden messtechnische Untersuchungen am Auflichtmikroskop, dem Tastschnittgerät und dem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Dabei wurden auftretende Sekundäreffekte wie Werkzeugverschleiß, Temperatureffekte und Gratbildung sowie deren Auswirkung dargestellt. Das untersuchte Zylinderlinsenarray, das unter Anwendung optimaler Maschinen- und Werkzeugparameter gefertigt wurde soll als Referenzstruktur dienen, um Aussagen über die erreichbaren Oberflächentopografien in Abhängigkeit vom Werkstoff zu machen. Dabei können im Kunststoff PMMA arithmetischen Mittenrauwerte < 10 nm zugesichert werden, welche für optische Anwendungen geeignet sind. In den untersuchten metallischen Werkstoffen lag die Rauheit etwas höher (Aluminium: Ra = 16,4 nm; CuproNickel: Ra = 24 nm). Daher kann für das untersuchte Aluminium zukünftig eine arithmetische Mittenrauheit von < 20 nm und in Cupro Nickel von < 30 nm gewährleistet werden. Um den optischen Anwendungen gerecht zu werden, können die metallischen Funktionsflächen durch Polierprozesse eventuell verbessert werden. Im Bereich der Makrotopografie können für die zukünftige Bearbeitung Formabweichungen einer linearen Struktur von PV < 1 æm zugesichert werden. Meist liegen die Formabweichungen sogar deutlich darunter bei etwa PV = 0,1 æm. Im Rahmen der Diplomarbeit wurden die Werkstoffe PMMA, Aluminium und CuproNickel hinsichtlich der Fly Cutting Bearbeitung ergiebig untersucht. In weiteren Untersuchungen sollte insbesondere Nickel Phosphor beschichteter Stahl näher untersucht werden, da dieser Werkstoff besonders als Werkzeugeinsatz im Spritzgusswerkzeug interessant ist. Weiterhin sollten auch andere Kunststoffe wie PC, PA oder Zeonex für Prototypenanwendungen im Fly Cutting Prozess untersucht werden. - Die Vermessung stark strukturierter Funktionsflächen bringt Nachteile bei der Vermessung mittels Tastschnittgerät mit sich. So konnten die gefertigten Pyramidenstrukturen sowie die diffraktiven Gitter innerhalb der Versuchsreihen nicht hinsichtlich Rauheit und Formabweichung vermessen werden. Daher empfiehlt sich, die Vermessungen mit anderen Messmitteln durchzuführen, die bisher nicht zur Verfügung standen. Beispielsweise könnten die Vermessungen auf dem Rasterkraftmikroskop oder einem Weißlichtsensor (mit sehr hohe Apertur) erfolgen. Ein weiteres zu lösendes Problem ist die Gratbildung, vor allem an stark strukturierten Oberflächen (Retroreflektoren) sowohl in PMMA als auch mit größerem Ausmaß bei den untersuchten Metallen. Dazu sind verschiedene Denkansätze vorhanden, wie beispielsweise das nochmalige Abfahren der Kontur mit der Schnitttiefe 0. - Aufgrund den dargestellten Ergebnissen und den gewonnenen Erkenntnisse kann im Unternehmen Jenoptik Polymer Systems GmbH das Produktionsspektrum im Bereich der Ultrapräzisionsbearbeitung hinsichtlich der Fertigung linearer und linear strukturierter Funktionselemente fundiert erweitert werden.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Mikrosystemtechnik-Bauteilen mit einem neu entwickelten Multisensorkopf. Dieses Multisensormesssystem bietet die Möglichkeit mit zwei unterschiedlichen optischen Sensoren Mikroobjekte effizient zu analysieren. Zur Navigation und Grobmessung dient ein Zoomobjektiv, welches als Navigationssensor bezeichnet wird. Zur hochgenauen optischen Präzisionsantastung mikrostrukturierter Merkmale kann dann ein hochauflösender Präzisionssensor genutzt werden. Diese Funktionalität ist aufgrund des Vorkommens makroskopischer wie auch mikroskopischer Merkmale bei Mikrosystemtechnik-Objekten unumgänglich. Darüber hinaus eröffnet sich die Option mit verschiedenen Genauigkeiten optisch anzutasten. Für ausgewählte Beispielmessobjekte wurde unter dem Aspekt der Machbarkeit von optischen Messungen eine Messmatrix entwickelt und nach messtechnischen Grundlagen untersucht. Zur Verifizierung und Vergleichbarkeit des Sensorsystems erfolgte mit Hilfe verschiedener Messgeräte eine Ringmessung. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass das Multisensorsystem hervorragend für hochpräzise optische Messungen geometrischer Merkmale geeignet ist.

Ziel der Diplomarbeit ist die Entwicklung einer qualitätsorientierten Methodik zur Konstruktion von Dachheckspoilern. Unter Qualität wird hier die Einhaltung von Erfordernissen in der Auslegung des Spoilers verstanden. Allgemein teilt sich Qualität auf in Produkt- und Prozessqualität. Um eine einheitliche Ausgangsbasis zu schaffen, werden zunächst Grundlagen für das Verständnis der Arbeit geschaffen. Es handelt sich dabei um die Bereiche der Qualitätssicherung, der Produktentwicklung in der Automobilindustrie und des Prozessmanagements. Nur mit Hilfe eines Qualitäts- und Prozessmanagements wird sich langfristig Qualität in der Produktentwicklung ergeben. Abb. 1.2 zeigt die Verzahnung dieser Gebiete. Es zeigt sich, dass einige der Begriffe durchaus als Querschnittsthemen zweier oder dreier Gebiete angesehen werden können. Dies rechtfertigt das Bestreben, sich im Zuge der Entwicklung und Konstruktion ebenfalls mit den Themen der Qualität und des Prozessmanagements auseinander zu setzen. Die Einhaltung von Anforderungen der beiden letztgenannten Bereiche sichert Prozess- und Produktqualität. Entsprechend unternehmensinterner Vorgabe finden Instrumente des Qualitätsmanagements in der Abteilung EKM während des gesamten Entwicklungsprozesses bereits durchgängig Anwendung. In wie fern diese Methoden speziell auf die Thematik Spoilerentwicklung angewendet, bzw. in wie fern über die interne Vorgabe der PAG hinaus gehende QM-Methoden in sinnvoller Weise angewandt werden können, wird untersucht. Dabei werden Gesichtspunkte eines digitalen Entwicklungsprozesses berücksichtigt. Eine komplette Baustufe nur digital zu vollziehen, erscheint zunächst nicht sinnvoll. Die Simulation geht von idealen Verhältnissen aus, welche in Natura meist nicht vorliegen. Mit einer entsprechenden Unsicherheit werden die Ergebnisse der Simulation stets behaftet sein. Im Zuge des Aufbaus einiger Prototypen und der Analyse von Erprobungsergebnissen m.H.v. QM-Instrumenten wird sich die Qualität folgender Baustufen verbessern lassen. Im wesentlichen soll also während des Prozesses der Simulation parallel eine Untersuchung einer geringen Anzahl von Prototypen erfolgen. Für die Konstruktion ist es erforderlich, möglichst früh Anforderungen an die zu entwickelnden Umfänge zu definieren. Entwicklungsschleifen werden damit vermieden. Mit Hilfe von QM-Instrumenten können frühzeitig Erfordernisse festgelegt werden, welche dem Konstrukteur bei der Entwicklung qualitativer Teile unterstützen. Nach der Definition ausgewählter und relevanter Methoden der Qualitätssicherung erfolgt deren Einbettung in eine passend zur Spoilerentwicklung spezifische Vorgehensweise für die Produktentstehung. Anschließend findet eine Identifikation der Stellschrauben statt, welche sich maßgeblich auf die Produktqualität des betrachteten Umfanges auswirken. Anhand derer soll aufgezeigt werden, in wie fern Optimierungen in der Konstruktion in Richtung Produktqualität statt- finden können. Ein sinnvoller Vergleich mit der Konkurrenz soll dabei helfen, aus Konzepten anderer Hersteller zu lernen und ohne größeren Aufwand den Kenntnisstand im eigenen Hause bezüglich von Konzepten von Dachheckspoilern zu erhöhen.

Ziel der Diplomarbeit war die Untersuchung eines vorhandenen Präzisionsmessgeräts mit luftgelagertem Rotor zur Prüfung von Werkzeugaufnahmen hinsichtlich Verfälschungen bei Rundlaufmessungen. Diese Untersuchungen sollten die Reduzierung von Verfälschungen von bis zu 1,5 æm zur Folge haben, die zu einem großen Teil durch Fehler des Rotors entstehen. Dabei führte die Analyse des vorhandenen Prüfgeräts samt zugehörigen Komponenten zur Identifizierung von Fehlerquellen die einen Einfluss auf das Messergebnis der Rundlaufmessung besitzen. Diese wurden mit Hilfe mathematischer und messtechnischer Untersuchungen quantifiziert. Daraus entstandene Ergebnisse dienten als Ausgangspunkt für Maßnahmen zur Verringerung und Vermeidung von Fehlereinflüssen während der Rundlaufmessung. So sind unter anderem Vorschläge für einen geeigneten Betriebsluftdruck des Luftlagers ebenso wie Richtlinien für die fehlerminimierte Aufnahme von Messenwerten in der Produktion entstanden. Um den Einfluss der Rotoreigenfehler auf das Messergebnis der Rundlaufmessung bestimmen zu können wurde ein spezieller Algorithmus entwickelt, der die Rotoreigenfehler, Verkippung und Exzentrizität, in Betrag und Winkellage aus aufgenommenen Messwerten ermitteln kann. Dafür benötigte Bauteile wie ein neuer Messständer wurden konstruiert und am Prüfgerät angebracht. Ein ausgewähltes Messinterface gewährleistet dabei die drehgebergesteuerte Messwertaufnahme und ermöglicht die zeitgetaktete Aufnahme der Messwerte. Mit Hilfe des entstandenen Messaufbaus ist es nun möglich die Rotoreigenfehler unter Verwendung speziell entwickelter Software vollständig zu ermitteln. Damit wird die Grundlage zur Berechnung von Korrekturwerten geschaffen, die das Kompensieren dieser Fehler während der Rundlaufmessung möglich machen.

Ziel und Anwendungsbereich der Diplomarbeit bestehen darin, geeignete Key Performance Indicators (KPIs), auch Leistungskennzahlen genannt, für einen bestimmten Bereich einer Balanced Quality Scorecard zu entwickeln. Diese Balanced Quality Scorecard (BQSC) wird für das unternehmens- und weltweite Qualitätsmanagement der Qimonda AG erstellt. Die BQSC ist ihrer Struktur nach vergleichbar mit der Balanced Scorecard (BSC), die von Robert S. Kaplan and David P. Norton entwickelt wurde. Die BQSC wird auf Basis der BSC entwickelt, daher müssen ihre Perspektiven mit denen der BSC korrespondieren, um sicherzustellen, dass das Konzept der BSC modifiziert auch für die BQSC funktioniert. - Kern der Arbeit ist eine Fallstudie, die Methoden vorstellt, mit deren Hilfe eine Quantifizierung und Berechnung der Kundenzufriedenheit ermöglicht wird. Kundenzufriedenheit ist gleichzeitig eine Perspektive und somit zentraler Bestandteil der BQSC, abgeleitet von der Perspektive Kunden der BSC. Die Hauptschritte hierzu sind das Ermitteln und Verstehen von Kundenwünschen, Ermittlung des Einflusses auf die Kundenzufriedenheit, Übertragung der Kundenforderung auf interne Prozesse sowie anschließende Optimierung der ermittelten Prozesse mit dem Ziel der maximalen Nutzensteigerung für die Kunden und damit einhergehend Erhöhung der Kundenzufriedenheit.