Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Zur Umsetzung des Leichtbaugedankens ist der Einsatz des Werkstoffs Magnesium zwingend notwendig, wie die Entwicklung des 3 Liter-Autos "Lupo" durch VW bewiesen hat. Neben der geringen Dichte vereinigt dieser Werkstoffe auch die Vorteile guter mechanischer Eigenschaften und einer fast vollständigen Recyclebarkeit. Der Einsatz der Magnesiumgußteile als tragende Sicherheitsteile ist jedoch noch selten. Ein Grund hierfür ist auch in den bisher unzureichenden zerstörungsfreien Prüfverfahren zu sehen. Bevor die Bauteile zum Einsatz kommen, ist aufgrund der Produkthaftung deren Prüfung unerläßlich. Die Computertomographie könnte hier in der Zukunft, verglichen mit den herkömmlichen zerstörungsfreie Prüfverfahren (z.B. Röntgen-Durchstrahlungsprüfung), eine enorme Verbesserung hinsichtlich der Auflösung von Fehlerart, -größe und -lage bieten. Durch die Möglichkeit zur 3D-Darstellung kann der Fehler hinsichtlich Geometrie und Lage in komplizierten Gußteilen eindeutig beschrieben werden. Weiterhin kann das Bauteil auch an schlecht zugänglichen Stellen geprüft werden, was beispielsweise durch Ultraschall nicht möglich ist. Dadurch eröffnet sich Mg-Bauteilen ein deutlich erweitertes Anwendungsspektrum.
Im Rahmen des BMBF-Projektes MAGUS, Teilprojekt 4 "Bauteilprüfung mit Computertomographie (CT)" wurde die CT-Anlage beschafft und im November 2000 in den Gießereilabors an der FH Aalen in Betrieb genommen. Ziel des Teilprojektes 4 ist das Erschließen möglicher Einsatzgebiete der Computertomographie bei der Entwicklung und Prüfung von Bauteilen. In Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Hans Wälischmiller GmbH wurden Versuche zur zerstörungsfreien Bauteilprüfung [1] und zur Geometriedatenkontrolle [2] durchgeführt.
Als Prüfverfahren wird in der Gießereiindustrie und bei den Abnehmern im wesentlichen die Röntgenprüfung mit Bildverstärker eingesetzt. Fehler, die zu einem Bauteilversagen führen, wie inhomogene Einschlüsse oder Mikrolunker, können in der Regel nicht nachgewiesen werden. Eine Unterscheidung innerer Ungänzen nach den Ursachen wie Luft- und Gaseinschlüssen, Lunker, Risse ist kaum möglich. Vor allem in der Entwicklungsphase (Prototypenherstellung) neuer Bauteile ist es wichtig, Probleme bei der späteren Serienfertigung abhängig von der Konstruktion der vorgesehenen Legierung und den Fertigungsverfahren zu erkennen und zu vermeiden. Die maximale Auflösung herkömmlicher in der Gießereien verwandter Röntgenanlagen beträgt ca. 0,5 mm [3]. Die kleinsten nachweisbaren Details in Durchstrahlungsrichtung hängen von dem erzielbaren Kontrast ab und werden mit ca. 1% der Bauteilwanddicke angegeben (Drahterkennbarkeit) [4]. Ein großer Nachteil liegt in der zweidimensionalen Darstellung. Somit kann die genaue Größe und vor allem die Ausbildung der Fehler nicht nachgewiesen werden. Der Einsatz eines CT mit hoher Auflösung soll die dreidimensionale Darstellung innerer Fehler mit hoher Fehlererkennbarkeit ermöglichen. Die Prüfung kann an allen Stellen des Bauteils durchgeführt werden, da der CT berührungslos arbeitet. Dadurch können Eigenschaften der Bauteile garantiert werden, die bisher wegen der mangelnden Prüfmethoden nicht gewährleistet werden konnten.
Ziel der Untersuchung:
Es soll die Einsatzfähigkeit der CT bezüglich der dreidimensionalen Erfassung innerer Inhomogenitäten anhand von Gußteilen untersucht werden. Bekannte, konventionelle Prüfverfahren (Radioskopie mit Philips MU15F, Dichtemessung nach der Archimedischen Methode, metallographische Schliffuntersuchung mit Bildanalysesystem der Fa. Zeiss) werden für den Vergleich herangezogen. Die Gegenüberstellung der CT-Ergebnisse mit den konventionellen Verfahren erfolgt anhand ausgewählter, charakteristischer, virtueller Schnittbilder. Die metallographischen Schliffbilder werden mit den virtuellen, zweidimensionalen CT-Schnitten verglichen.
3.1 Verwendete Proben und Legierungen
Für den Vergleich mit den konventionellen Prüfverfahren wurden mehrere Flachzugproben und verschiedene Bauteile untersucht. Am Beispiel der Zugprobe 2-5, Segment 1 und des Lenkgehäuses aus der Mg-Legierung AZ91HP (EN-MBMgAl9Zn1(A)) wird der Vergleich dargestellt. Die Untersuchung weiterer Flachzugproben sowie Bauteile aus anderen Legierungen wird in [5] beschrieben.
Die Flachzugproben wurden aus Platten (AZ91HP) gefertigt. Für den Vergleich mit den metallographischen Schliffen wurden die Zugproben mit Markierungen (Kerben) versehen, um nach der Schliffpräparation die Schliffebene dem CT-Bild zuordnen zu können. Pro Zugprobe entstanden sieben Bereiche, in denen die Schliffebene gelegt wurde. Diese einzelnen Bereiche wurden bei der Röntgendurchleuchtung und CT-Messung untersucht, um die gleiche Ortsauflösung zu erhalten. Aufgrund der geringen Menge und Größe der Inhomogenitäten in den Schliffflächen, konnten nur wenige Schliffe für den Vergleich mit der CT herangezogen werden.
Beim Lenkgehäuse aus AZ91HP wurden keine metallographische Schliff-untersuchung durchgeführt. Die CT-Messung wird mit den Radioskopieuntersuchung und der Dichtemessung nach der Archimedischen Methode verglichen.
Abb 1: Zugproben aus AZ91HP.
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Abb 2: Lenkgehäuse aus AZ91HP. |
3.2 Prüfverfahren
Mittels 3D-Computertomographie (RayScan 200) wurden die Zugproben und das Lenkgehäuse bezüglich innerer Inhomogenitäten untersucht (Abb. 3). Die Rekonstruktionen der Zugproben erfolgte mit größter Auflösung (Premium). Das Lenkgehäuse wurde mit mittlerer Auflösung (Standard) rekonstruiert. Die genaue Beschreibung der Computertomographie sowie die Anforderungen an die zu untersuchenden Bauteile sind in [1] ausführlich beschrieben.
Abb 3: 3D-CT-Anlage RayScan 200.
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Die markierten Zugproben wurden vor und nach der Schliffpräparation gemessen, um die ungefähre Lage der Schliffebene zu bestimmen. Die gemessenen Meßobjekte können mittels Visualisierungssoftware [2] beispielsweise in Form der virtuellen 3D-Darstellung und virtuellen 2D-Schnitte (axiale, sagitale und frontale) dargestellt werden. Die axialen, sagitalen und frontalen virtuellen Schnitte beziehen sich auf die Ausrichtung des Prüfobjektes bei der CT-Messung. Die Tools in dieser Software ermöglichen das schnelle Vermessen von Inhomogenitäten, virtuelles Anschneiden des virtuellen 3D-Objektes, Einfärben von Grauwerten usw.
Als vergleichende, konventionelle Verfahren wurde die Radioskopie mit Bildverstärker (Philips MU15F), die Dichtemessung nach der Archimedischen Methode und die metallographische Schliffuntersuchung verwendet [siehe auch 5]. Es wurde eine Vergrößerung von 12,5 x verwendet, da diese für die Porositätsuntersuchung von Gußteilen in [3] empfohlen wird.
4.1 Zugproben
Die Ergebnisse werden anhand der Zugprobe (Bezeichnung 2-5, Segment 1) mit einer Wanddicke von 2 mm dargestellt. Hier ist anzumerken, daß alle untersuchten Zugproben sehr kleine innere Inhomogenitäten zeigten. Diese sind zum Teil nicht in der Radioskopie erkennbar. Um Aussagen bei größeren Inhomogenitäten zu erhalten, sind weitere systematische Vergleichsuntersuchungen an Zugproben geplant.
Abb 4: Virtuelle 3D-Darstellung der Zugprobe 2-5, Segment 1.
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Abb. 4 zeigt die Zugprobe 2-5, Segment 1 in virtueller 3D-Darstellung. Die äußere Kontur und die Markierungen für die Ermittlung der Schliffebene sind erkennbar.
In Abb. 5 ist ein virtueller, sagitaler 2D-Schnitt zum Röntgenbild gegenüber gestellt. Der virtuelle, sagitale 2D-Schnitte zeigt die Inhomogenitäten in der geschnittenen Seitenansicht. Bei den hellen Punkten handelt es sich um Einschlüsse, die eine höher Dichte als die Zugprobe (AZ91HP) aufweisen. Hohlräume sind in dieser Darstellung schwarz. Die Röntgenuntersuchung der Zugproben zeigt, daß nur vereinzelte, große Inhomogenitäten erkennbar sind. Eine Unterscheidung zwischen Poren und Lunker ist nicht möglich. Bei der Röntgendurchleuchtung sind Hohlräume heller als die umgebende Legierung. Die Einschlüsse, welche bei der Röntgenprüfung dunkel erscheinen, waren nicht erkennbar.
Der Vergleich zur Radioskopie zeigt, daß innere Inhomogenitäten (Lunker, Poren, Einschlüsse) beim CT-Schnitt deutlicher erkennbar sind und eine Unterscheidung zwischen Poren und Lunker möglich ist. Poren weisen glatte Wände und eine kugelige Form auf. Dagegen besitzen Lunker eine zerklüftete Geometrie und eine rauhe Oberfläche. Die genaue der Lage der Inhomogenitäten innerhalb des Prüfobjektes kann durch die virtuelle Schnitte ermittelt werden.
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Abb 5: Virtueller, sagitaler 2D-Schnitt (links) im Vergleich zum Röntgenbild (rechts) der Zugprobe 2-5,Segment 1.
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Die virtuellen, frontalen 2D-Schnitte der Zugprobe zeigen die Inhomogenitäten in der Nähe der Schlifffläche (Abb. 6). Der Abstand zwischen den virtuellen Schnitten beträgt bei dieser CT-Messung 40 mm (= Voxelgröße siehe bei [1]). Die Auswertung der virtuellen, frontalen Schnitte im Vergleich zu den Schliffbildern hat gezeigt, daß ein geringes Verkippen der Segmente bei der Schliffpräparation (ab 40 mm) bereits eine andere virtuelle Schnitteben und damit auch eine andere Fehlerverteilung und Größe zur Folge hat. Deshalb ist kein direkter Vergleich zum Schliffbild sinnvoll. Die in Abb. 6 dargestellten virtuellen, frontalen 2D-Schnitte können nur als angenäherte Schnitte zur Schliffebene betrachtet werden. Wie bei den metallographischen Schliffen kann bei den CT-Schnitten zwischen Lunker und Pore unterschieden werden. Mit der eingesetzten Visualisierungssoftware [2] ist ein schräges Auswerten der virtuellen 2D-Schnitten zwar möglich, jedoch sind relativ kleine Inhomogenitäten bei diesem Tool schlechter zu erkennen als bei den vorgegebenen drei Schnittansichten (axial, sagital, frontal). Außerdem ist in den virtuellen, frontalen CT-Schnitten (Abb. 6) und im Schliffbild (Abb. 7) die typische 3-Schichtbildung von Magnesiumdruckgussteilen deutlich erkennbar. Diese 3-Schichtbildung bzw. Zonenbildung ist von anderen Autoren sowohl beim Bruchgefüge [6] als auch beim Schliffgefüge [7] bei Magnesiumdruckgußteilen beobachtet worden. Sie besteht aus lagenförmigen Zonen parallel zur Oberfläche, die durch Bänder von Porosität oder Mikrorissen oder Seigerungen getrennt sind. Bei der Gegenüberstellung zum metallographischen Schliff ist bei den virtuellen, frontalen 2D-Schnitten (Abb. 6) eine gute übereinstimmung der sichtbaren Inhomogenitäten (Poren und Lunker) vorhanden. Kleine Inhomogenitäten, die kleiner als die Voxelgröße sind lassen sich aufgrund der hier durchgeführten übersichtsmessung nicht erkennen. Die mit der CT-Anlage erreichbare Voxelgröße bei einem Prüfobjekt von 20 mm Breite beträgt ca. 20 mm.
Abb 6: Virtuelle, frontale 2D-Schnitte der Zugprobe 2-5, Segment 1 (Schnitt 167, 168 und 169).
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Abb 7: Metallographischen Schliff bei 12,5 facher Vergrößerung der Zugprobe 2-5, Segment 1.
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Die Berechnung der Flächenporosität und der Bezugsfläche erfolgte mittels Bildanalysesystem. Das Ergebnis ist in Tab. 1 aufgelistet. Bei einer anderen Zugprobe [5] wurde eine Flächenporosität von 0,47% (Bezugsfläche 42,73) ermittelt. Dies weist darauf hin, daß durch virtuelle 2D-Schnitte bei den Zugproben Inhomogenitäten bei geringen Flächenporositäten von 0,5 bis 3,2 %. detektiert werden können.
| Auswertung der metallographischen Schliffe | ||
| Zugprobe | Flächenporosität [%] | Bezugsfläche mm² |
| 2-5, Segment 1 | 3,23 | 37,28 |
| Tabelle 1: Berechnung der Flächenporosität und Bezugsfläche | ||
Die Dichtemessung nach der Archimedischen Methode zeigt, daß die untersuchten Zugprobe eine Volumenporosität von 1,31% aufweist. Erfahrungsgemäß kann dieser Wert als gut bezeichnet werden, weil im Bereich zwischen 0,0 und 1,5% Volumenporosität eine Wärmebehandlungen und Schweißung - ohne das Auftreten von unerwünschten Gasblasen - möglich ist. Die theoretische Legierungsdichte beträgt 1,810 [g/cm³].
| Gußteildichte [g/cm³] | Gußteilvolumen [cm³] | Hohlraum-volumen [cm³] | Volumen-porosität [%] | |
| Zugprobe 2-5 | 1,786 | 5,878 | 0,077 | 1,31 |
| Tabelle 2: Ergebnis der Porositätsmessung der Zugprobe | ||||
4.2 Bauteile
Abb 8: Virtuelle 3D-Darstellung des Lenkgehäuses.
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Bei den virtuellen 2D-Schnitten des Lenkgehäuse sind im Bereich des Zündschlosses innere Inhomogenitäten erkennbar (Abb. 8 linkes Bild, Abb. 9). Diese konnten nicht mit der Radioskopie (Abb. 8 rechte Bilder) nachgewiesen werden. Die Dichtebestimmung des Lenkgehäuses ergab eine Volumenporosität von 2%.
Die Porositätmessung nach der Archimedischen Methode ergab eine Volumenporosität von 2,03 %. Die theoretische Legierungsdichte betrug 1,807 [g/cm³]. Weitere untersuchte Bauteile [5] zeigten eine Volumenporosität im Bereich zwischen 0,7 und 39%.
| Gußteildichte [g/cm³] | Gußteilvolumen [cm³] | Hohlraum-volumen [cm³] | Volumen-porosität [%] | |
| Lenkgehäuse aus AZ91HP | 1,771 | 431,364 | 8,761 | 2,03 |
| Tabelle 3: Ergebnis der Porositätsmessung nach der Archimedischen Methode des Lenkgehäuses | ||||
Die Dichtemessung stellt ein integrales Prüfverfahren dar. Dieses Verfahren ermöglicht nur eine Aussage über die prozentuale Volumenporosität im gesamten Bauteil und bietet sich daher als ergänzendes Prüfverfahren zur Röntgenuntersuchung und CT an. Eine ungefähre Zuordnung der gemessene Porosität ist bei der Dichtemessung nach der Archimedischen Methode nur durch Segmentieren des Bauteils möglich [5].
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| Abb 9: Virtueller, axialer 2D-Schnitt (links) im Vergleich zu den Röntgenbilder (rechts) des Lenkgehäuses. | Abb 10: Virtueller, frontaler 2D-Schnitt des Lenkgehäuses. | ||
Sicherheitsteile und druckdichte Gußteile für den Fahrzeugbereich müssen hohen Qualitätsanforderungen hinsichtlich innerer Inhomogenitäten genügen. In der Praxis werden die Beurteilungskriterien und -maßstäbe zwischen Hersteller und Abnehmer vor der Auftragsvergabe festgelegt. Mit der Computertomographie steht ein zerstörungsfreies Meßverfahren zur Verfügung, welches im Vergleich zur Radioskopie eine verbesserte Prüfung von Sicherheitsbauteilen ermöglicht. Besonders bei der Bauteil- und Verfahrensentwicklung ist es unbedingt erforderlich, innere Inhomogenitäten bereits bei der Prototypenherstellung zu erkennen. Nur dann können diese durch änderung der Konstruktion und durch änderung der Fertigungsparameter vermieden werden. Der Einsatz der CT im Rahmen der Entwicklung der Fertigungsprozesse spart Entwicklungszeit und Kosten und erhöht die Fertigungssicherheit. Der Aufwand der Qualitätssicherung kann verringert werden.
Im Vergleich zur Radioskopie bietet die 3D-CT einen weiteren Vorteil. Mit der Messung eines Bauteils kann sowohl die Qualität des Gußteils als auch die innere und äußere Geometrie erfaßt werden. Aufgrund der berührungslosen Messung können an jeder beliebigen Stelle des Bauteils festgelegte Formen und Geometrien vermessen werden, die mit der taktilen Koordinatenmessung nicht ermittelt werden können. Mit der gemessenen Punktewolke kann ein Soll-Ist-Vergleich zwischen Gußteil und CAD-Datensatz durchgeführt werden, um Schwindung und Verzug zu erfassen. über die Flächenrückführung auf der Grundlage der Punktewolke kann außerdem ein CAD-Datensatz erzeugt werden, der die Fertigung von Umformwerkzeugen oder Gießformen anhand von Modellen ermöglicht bei denen nur 2D-Zeichnungen auf Papier existieren [2].
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