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Hochschule Düsseldorf
University of Applied Sciences
Fachbereich Elektro- & Informationstechnik
Faculty of Electrical Engineering & Information Technology

​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​Forschungsreport 2021

Fachbereich / Forschungsinstitut
Projektleitung
Elektro- und Informationstechnik
Prof. Dr.-Ing Volker K. S. Feige und Prof. Dr.-Ing Hartmut Haehnel​


Titel des Forschungsprojekts
Smart Production – Monitoring von Oberflächen mittels Roboter-basierter Terahertz-Messtechnik


Abstract (auf Deutsch)
Oberflächeneigenschaften bestimmen das Aussehen aller Dinge und vermitteln somit Qualität und Wert von Produkten. Darüber hinaus kann die Oberfläche das Produkt vor Korrosion oder anderen Umgebungseinflüssen schützen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden bei hochwertigen Produkten wie beispielsweise Autos, Flugzeugen oder Booten mehrlagige Beschichtungssysteme verwendet. Messverfahren mit elektromagnetischen Terahertz-Wellen im Frequenzbereich von 100 GHz bis 10 THz gestatten dabei berührungslose und zerstörungsfreie Schichtanalysen, die im Vergleich zu Röntgen-Messverfahren bei den verwendeten Intensitäten gesundheitlich unbedenklich sind.

Ferner wird eine gute Bedienbarkeit für die Qualitätskontrolle durch die Kombination mit kollaborierender Robotik erreicht, welches in der Fertigung von Kleinserien Vorteile bietet.


Abstract (auf Englisch)
S​urface properties determine the appearance of all things and thus convey the quality and value of products. In addition, the surface can protect the product from corrosion or other environmental influences.

In order to meet these requirements, multilayer coating systems are used for high-value products such as cars, aircraft or boats. Measurement principles using electromagnetic terahertz waves in the frequency range from 100 GHz to 10 THz allow contact-free and non-destructive layer analyses, which are harmless to health at the intensities used compared to X-ray measurement principles.

Furthermore, good operability for quality control is achieved through the combination with collaborative robotics, which offers advantages in the production of small batches.


Projektziele
Das Teilprojekt „Smart Production - Monitoring“ hat ein robotergestütztes Messsystem zum Ziel, mit dem zerstörungsfreie Untersuchungen von Schutzbeschichtungen auf Kunststoffen und Faserverbundstoffen möglich sind.


Projektergebnisse
Das Team von Prof. Feige und Prof. Haehnel konnte im Rahmen des Teilprojekts „Monitoring“ einen echtzeitfähigen Demonstrator realisieren, der einzelne Schichtdicken in mehrlagigen Beschichtungssystemen auf metallischen Substraten oder auf Kunststoffen analysieren kann.

Der Demonstrator ist unter anderem in der Lage, Rotorblätter von Windkraftanlagen zu analysieren, wo andere Messverfahren wie z.B. Ultraschall-basierte oder induktive Verfahren an ihre Grenzen stoßen. Die Qualitätskontrolle der Mehrlagen-Beschichtungssysteme stellt dabei eine ressourcenschonende und effiziente Produktion sicher.

Der Demonstrator wurde in Absprache mit Industriepartnern für die Analyse von mittelgroßen Kleinserien-Objekten ausgelegt. Das Design der Roboterzelle ist an diese Anforderungen angepasst und kombiniert ein fasergekoppeltes THz-Zeitbereichsspektrometer und eine kollaborierende Robotik sowie Systeme zur Auswertung und Speicherung von Messdaten. Neben der Kontrolle der Mehrlagen-Beschichtungen auf Windkraftanlagen-Rotorblättern sind Qualitätskontrollen z.B. in der Fertigung von Kleinserien mittels Tiefziehwerkzeugen oder 3D-Druck möglich, wie es die Abbildung 2 veranschaulicht.

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Das Projektteam „Monitoring“ des Interreg-Projekts „Smart Production“ mit dem Roboter-basierten Demonstrator-Messsystem bei einem Workshop im Center for Nanotechnology in Münster am 26. Sept. 2019
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Zerstörungsfreie Untersuchung eines 3D-Druckobjekts mittels THz-Messtechnik; Teilbild a) 3D-Druckobjekt mit HSD-Logo; Teilbild b) 3D-Druckplatte mit überdrucktem HSD-Logo; Teilbild c) THz-Rasterbildaufnahme des optisch nicht sichtbarem HSD-Logos im 3D-Druckobjekt
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Kooperationspartner
  • Aeolus Coatings B.V.
  • Bond High Performance 3D Technology B.V.
  • Cato Composite Innovations B.V.
  • DEMCON advanced mechatronics
  • DNL-mobiel GmbH
  • Grunewald GmbH & Co. KG
  • Hochschule Düsseldorf
  • Hochschule Niederrhein
  • ITA Industrie-Technik Ahlen GmbH
  • Netzwerk Oberfläche NRW e.V.
  • Parthian Technology B.V.
  • Saxion University of Applied Sciences
  • Stichting Polymer Science Park
  • Systec Elektronik und Software GmbH
  • Urbanmaker UG


Projektbezogene Veröffentlichungen
Netzwerk Oberfläche NRW:
Verbundprojekt zu 3D-Druck und Tiefziehwerkzeugen,
Kunststoff-Magazin, Ausgabe 3, April 2017, S.22-24
 
I. Busboom, S. Christmann, H. Haehnel und V.K.S. Feige:
Smart Production - Automated non-destructive quality control of coatings on non-metallic substrates,
VDE Summit in Berlin am 13. und 14. November 2018
 
I. Busboom und V.K.S. Feige: Qualität von Beschichtungen automatisiert prüfen,
Nacht der Wissenschaft am 13. Sept. 2019, Stand 2, Aktionszelt Schadowplatz, Düsseldorf
 
I. Busboom; S. Christmann; H. Haehnel; V.K.S. Feige and B. Tibken: Simulation of terahertz waves in multilayer coatings for non-contact thickness measurements of top layers, Proceedings Volume 11279, Terahertz, RF, Millimeter, and Submillimeter-Wave Technology and Applications XIII; 112790J (2020) https://doi.org/10.1117/12.2541298, Event: SPIE OPTO, 2020, San Francisco, California, United States
 
I. Busboom, S. Christmann, H. Haehnel,  V.K.S. Feige and B. Tibken:
Initial estimation for fast layer thickness determination based on terahertz time-domain spectroscopy, Conference: 9th International Workshop on Terahertz Technology and Applications (2020), Kaiserslautern (Poster)
 
S. Christmann, I. Busboom, V.K.S. Feige and H. Haehnel:
Towards Automated Quality Inspection Using a Semi-Mobile Robotized Terahertz System,
Third International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS), ISBN: 978-1-7281-5598 (2020)
 
I. Busboom, N. Rohde, S. Christmann, V. K. S. Feige, H. Haehnel and B. Tibken: Towards neural network classification of terahertz measurements for determining the number of coating layers, IRMMW-THz, Buffalo, 2020.
 
S. Christmann, M. Löhr, I. Busboom, V. K. S. Feige and H. Haehnel: Towards Real-Time Human-Machine Interfaces for Robot Cells Using Open Standard Web Technologies, Kommunikation in der Automatisierungstechnik (KommA), Lemgo, 2020.
 
I. Busboom, T. T. Nguyen, S. Christmann, V. K. S. Feige, H. Haehnel and B. Tibken:
Terahertz Imaging of 3D Print Infill Structures, EuCAP 2021, Düsseldorf, Deutschland

I. Busboom, S. Christmann, H. Haehnel, V. K. S. Feige, and B. Tibken: Simultaneous estimation of thickness and refractive index by combining transmission and reflection measurements, Proc. SPIE 11685, Terahertz, RF, Millimeter, and Submillimeter-Wave Technology and Applications XIV, 116851L (March 2021); https://doi.org/10.1117/12.2577601

S. Christmann, I. Busboom, D. Fertsch, C. Gallus, H. Haehnel, V. K. S. Feige: Imaging using terahertz time-domain spectroscopy in motion, SPIE OPTO, Proceedings Volume 11685, Terahertz, RF, Millimeter, and Submillimeter-Wave Technology and Applications XIV; 1168506 (2021) https://doi.org/10.1117/12.2577744
 
Netzwerk Oberfläche NRW:
Effiziente Kleinserien-Fertigung,
Kunststoff-Magazin, Ausgabe 10, Oktober 2021, S.38-40


Projektinformationen 
Förderlinie: INTERREG V A Deutschland-Nederland
Fördernummer: 142156
Förderdauer: 54 Monate (1. Jan. 2017 bis 30. Juni. 2021)


Lebenslauf /Forschungsschwerpunkte Professor/in
Prof. Dr.-Ing. V.K.S. Feige
Herr Prof. Dr.-Ing. Volker K. S. Feige ist seit März 2012 Professor für die Lehr- und Forschungsgebiete „Elektronische Bauelemente“, „Schaltungstechnik“, „Sensorsysteme“ sowie „Fertigungsmess- und Prüftechnik“. Nach dem Studium der Elektrotechnik im Jahre 1998 bis zur Promotion 2003 lehrte und forschte er als wiss. Mitarbeiter an der Universität Wuppertal. Anschließend war er mehr als acht Jahre bei einem Unternehmen im Bereich der Oberflächenmesstechnik tätig, wo er zuletzt bis zur Berufung an die Hochschule Düsseldorf den Geschäftsbereich Elektrooptische Systeme leitete.
 
Prof. Dr.-Ing. H. Haehnel
Herr Prof. Dr.-Ing. Hartmut Haehnel ist seit 1996 Professor an der Hochschule Düsseldorf. Ein Schwerpunkt seiner Forschung und Lehre sind mobile und stationäre Robotersysteme. Nach dem Studium der Elektrotechnik (1977-1982) und der Promotion auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik (1987) an der TU Magdeburg arbeitete er bis 1995 als Projektleiter und Produktmanager in der bayerischen Industrie. Schwerpunkte waren dabei die Prozessautomation sowie die Entwicklung und der Bau von Sondermaschinen mit Robotern und Bildverarbeitungssystemen.
 
Imke Busboom, M. Sc, wissenschaftliche Mitarbeiterin
 
Simon Christmann, M. Sc. wissenschaftlicher Mitarbeiter


Hinweis
Das Projekt Smart Production wurde im Rahmen des INTERREG-Programms Deutschland-Nederland mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), des Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk des Landes NRW (MWEIMH NRW), des Ministerie van Economische Zaken, sowie der Provinzen Fryslân, Gelderland und Overijssel kofinanziert.​