Realisierung von serienorientierten Messaufgaben im schnellen CT

Erstellt am 3. November 2017 · in Allgemein

Inline-Computertomographie ermöglicht in der Industrie die zerstörungsfreie Prüfung von Materialien und Bauteilen. Während sie hohe Scan-Geschwindigkeiten bietet und innere Strukturen digitalisieren kann, erfordert die Technologie auch die Berücksichtigung verschiedener Faktoren und Messvorgaben.

Autor: Dipl.-Ing. Torsten Stolt / Sebastian Blasek

Ende 2016 wurde im Rahmen einer Kundenanfrage eine Versuchsreihe initiiert. Untersucht wurde innerhalb der Studie die Durchführung einer Messaufgabe an Zylinderköpfen mittels schnellem CT. Dabei sollen insgesamt 91 Messwerte erfasst und bewertet werden.

Innerhalb dieser 91 Messwerte befinden sich 15 Messwerte, welche sich auf Wandstärken im Inneren des Zylinderkopfes beziehen.


Abbildung 1 – Messung Wandstärken und Winkel

Abbildung 2 – Kanallage und Kanalwinkel

Ein schnelles CT auch bezeichnet als Inline-CT oder ATline-CT zeichnet sich durch eine hohe Scan-Geschwindigkeit aus. Durch die überlappende Helixbewegung von Detektor und Röhre um das Bauteil herum, kann, je nach eingestelltem Vorschub und Bauteilgröße, ein Zylinderkopf beispielsweise in 15-20 Sekunden digitalisiert werden.

Nachteile eines Inline-CT

Diesem Vorteil entgegen wirken vor allem 2 nachteilige Merkmale eines schnellen CT’s

Zum einen reicht bei hohen Materialstärken oder langen Bauteilkanten der eingebrachte Energieeintrag nicht aus, um artefaktfreie Oberflächen zu erhalten. Zum anderen begrenzt die relativ große Detektoraperatur die erreichbare Auflösung. Diese nachteiligen Merkmale konnten durch der Studie auf ein Minimum reduziert werden.

Zur Durchführung der serienorientierten Messaufgabe wird ein Siemens Somatom Definition AS Plus mit einem 100 kW Generator und einem 64 Zeilen-Detektor verwendet. Die Auswertung der Scandaten erfolgt in einem Rechnercluster. Die Ergebnisse werden kategorisiert bauteilbezogen auf der Bedienkonsole angezeigt. Der Maschinenbediener kann sofort nach Auswertung eine Palettierung in IO / NIO vornehmen.

Messmittelfähigkeit

Um eine Messaufgabe erfüllen zu können, ist es notwendig, die Messmittelfähigkeit des Gerätes, wie z.B. in der VDE 2630 beschrieben, nachzuweisen. Um die Messmittelfähigkeit zu erhalten, wurde das Verfahren der Messsystemanalyse nach VDA Band 5 zur Untersuchung der Genauigkeit der Messwerte und Wiederholgenauigkeit angewendet. Bei Microvista wurde der Nachweis zum einen durch bereits taktil referenzierte Einzelscan und durch 25 Wiederholungsscans an einem ebenfalls taktil referenzierten Bauteil mit Umpositionierung zwischen den Scans erbracht. Im ersten Scan wird durch Hinzunahme von Messnormalen (Kugelstäbe) zunächst eine Überprüfung und Korrektur der im Scan ermittelten Bauteildimensionen durchgeführt.

Eine Analyse der Messmittelfähigkeit ist anders als bei taktilen Verfahren für jeden einzelnen Messpunkt separat zu betrachten. Sowohl die Artefaktbildung als auch die Bauteilgeometrie im Bereich des Messpunktes haben hier einen großen Einfluss. Um Artefakte zu minimieren, wurde im Vorfeld die optimale Lage des Bauteils im Scanfeld ermittelt. Zur Fixierung der Ausrichtung des Bauteils in einer seriennahen Umgebung wurde eine entsprechende Prüfteilaufnahme konstruiert und eingesetzt.

Messstrategie

Ein wichtiger Einflussfaktor zur Realisierung der Messaufgabe ist die Ausrichtung der Scandaten zum verwendeten CAD. Diese Ausrichtung ist die Grundlage zur automatischen Analyse zu sehen. Ausgerichtet wird in diesem Fall nach den Erstaufnahmen des Bauteils. Gibt es hier durch den Gießprozess oder durch falsche Bauteilausrichtung Probleme bei der Oberflächenfindung, so wirken sich diese auf alle Messwerte aus.

Um stabile Werte zu bekommen wird unter anderem der für bildgebende Messverfahren entwickelte ISO50-Algorithmus ausgenutzt. Dieser Algorithmus definiert die Bauteilkante genau bei 50% des Grauwertabfalls vom Materialgrauwert zum Grauwert des Hintergrundes. Als Nebenerscheinung erfolgt hier eine auflösungsabhängige Mittelung der Oberflächenpunkte. Diese Nebenerscheinung ist nützlich, um Unebenheiten durch Sandanhaftungen oder leichte Kernausbrüche so zu mitteln, dass ein Messwert die Toleranzgrenze nicht überschreitet.

Da an jedem einzelnen Messpunkt die Genauigkeit der Oberflächenfindung in Abhängigkeit zur Durchstrahlbarkeit des Bauteils, kombiniert mit dem Oberflächenverlauf betrachtet werden muss, ist es notwendig, für jeden einzelnen Messpunkt eine individuelle Messstrategie zu entwickeln. Zur Erfüllung dieser Messaufgabe wird die Subvoxelgenauigkeit der CT-Daten ausgenutzt. In Bereichen mit starker Artefaktbildung ist nur bedingt eine Oberflächenfindung möglich. Hier ist es erforderlich, den Messplan an die verfahrensbedingten Gegebenheiten anzupassen und somit gegebenenfalls einen äquivalenten Messpunkt zu finden.

Als Ergebnis der Wiederholungsmessungen wird Mittelwert und Standardabweichung ermittelt und die zur Messmittelfähigkeit notwendigen Cg – und Cgk -Fähigkeitskenngrößen messpunktbezogen berechnet. Weiterhin muss im Vergleich zu einer taktilen Messung der systematische Fehler des Computertomographen für jeden Messpunkt ermittelt werden. In der Regel werden die Ergebnisse einer taktilen Messung, entsprechend Messplan, als Referenz verwendet. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass taktile Messwerte einer gründlichen Validierung bedürfen, damit systematische Fehler ausgeschlossen bzw. vernachlässigt werden können. Der durch Vergleich mit den taktilen Messwerten errechnete systematische Fehler des Computertomographen wird in einem nächsten Schritt als Offset eines Messwertes verwendet. Daraus folgend ist eine Vergleichbarkeit zur taktilen Messung gegeben.

 

In nachfolgender Abbildung ist beispielhaft die Standardabweichung für einen Messwert dargestellt.


Abbildung 3 – Standardabweichung zu einem Messwert bei 25 Wiederholungsmessungen

In mehreren Iterationsschritten konnte ein Cg- Wert von 1,98 erreicht werden, der damit die geforderte Schwelle von 1,33 deutlich überschreitet. Die Toleranz für diesen Messwert beträgt ± 250 µm.

Der zugehörige Prozessfähigkeitsindex Cgk liegt ebenfalls oberhalb der Grenze bei 1,90.

Nach Optimierung des Messprozesses wurden abschließend noch einmal die ermittelten Messwerte der inneren Konturen kontrolliert. Dazu wurden ausgewählte Zylinderköpfe an den jeweiligen Messstellen geschnitten und taktil nachgemessen. Die dabei ermittelte Abweichung von typischerweise 70 µm wurde auf Basis der vorgegebenen Toleranz und der Präzision beim Sägeschnitt als vollkommen ausreichend befunden.

Um die ermittelten Ergebnisse belastbar zu gestalten, wurde im letzten Prozessschritt der Studie eine Messung von 18 bereits taktil vermessenen und durch diverse Fehler als NIO bewerteten Zylinderköpfen durchgeführt. Der Vergleich der Messungen sollte zwei wesentliche Erkenntnisse bringen:

  1. Alle Messwerte müssen im Rahmen der Schwankungen übereinstimmen und die taktil zum Ausfall führenden Messwerte sollten auch im CT-Scan den Ausfall anzeigen.
  2. Die Schwankung der Abweichung der Messwerte der CT-Messung zu den taktilen Messwerten muss ein Minimum betragen.

Nachfolgende Grafik zeigt die Abweichungen der computertomografischen Messung zu einer an 18 Bauteilen durchgeführten taktilen Messung:


Abbildung 4 Abweichung CT-Messung zu taktiler Messung bei 18 Bauteilen

Automatisierte Anwendung

Im Nachgang der Studie begann die Umsetzung der gefundenen Messstrategie durch in eine automatische Anwendung. Diese Anwendung ist in der Lage:

  • die Scandaten gegen das vorhandene CAD auszurichten
  • die Messpunkte zu fixieren und die Messung durchzuführen
  • die erhaltenen Messwerte zu analysieren
  • die Messwerte bauteilbezogen in einer Datenbank zu speichern und damit eine Fehleranalyse vorzubereiten
  • messpunktbezogene Bilder zur Stichprobenkontrolle zu hinterlegen
  • die Kategorisierung der Zylinderköpfe durchzuführen
  • bauteilbezogen ein Messprotokoll mit allen Messwerten zu erstellen

Somit beschränkt sich der manuelle Aufwand nur noch auf eine Stichprobenkontrolle der ermittelten Messwerte.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine messtechnische Prüfung mit einem schnellen CT möglich ist, jedoch die Berücksichtigung einer Reihe von Faktoren verlangt. Nicht nur die Bauteildimensionen und das verwendete Material, sondern auch die Geometrie des Bauteils ist ausschlaggebend. Eine Einrichtung einer seriellen Messung muss immer bauteiltypbezogen über eine Messmittelfähigkeitsanalyse erfolgen. Die Zeitspanne vom Start bis zur Serienfähigkeit der Messung (ohne Erfassung zusätzlicher Merkmale) liegt ca. bei 2-3 Wochen. Der große Vorteil eines Computertomographen, innere Strukturen ebenfalls zu digitalisieren und zu analysieren, spielt bei der Auswahl des Verfahrens eine große Rolle. Auch die gleichzeitige Detektion von Materialfehlern oder anderer Merkmale wird durch eine computertomographische Untersuchung ermöglicht.

Preislich kann eine Messung mittels Computertomographen durchaus mit taktilen Messungen mithalten. Die Auswertung mit Anzeige der Kategorisierung liegt bei dem verwendeten Zylinderkopf bei ca. 4,5 Minuten.