Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Zur Optimierung der Gewichtseinsparungen von belasteten Aluminium Gußteilen werden die Materialstärken immer geringer. Daraus resultiert eine genauere und zuverlässigere Prüfung der Gußteile auf innere Fehler. Die hauptsächlich hierfür verwendete Röntgenprüftechnik hat dem Rechnung getragen und immer bessere Systeme für die Erkennung entwickelt. Die heute festgelegten Meßmethoden zur Qualitätsüberwachung tragen dem noch nicht Rechnung, da meist Verfahren zur Bestimmung der maximal möglichen Qualität des bildgebenden Verfahrens zu Grunde gelegt werden (best case) und die subjektive Beurteilung bleibt. In dem Beitrag wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Erkennungssicherheit im Praxisbetrieb objektiv nachgewiesen werden kann, ohne auf die subjektive Beurteilung zurückgreifen zu müssen. Die hierfür benötigten Testkörper sowie ein mögliches Herstellungsverfahren werden aufgezeigt. Das Verfahren ist dafür ausgelegt, eine vollautomatische Röntgenprüfanlage im täglichen Betrieb zu verifizieren. Das Verfahren hat das Potential, auch Fehlernester zu simulieren und ggf. eine Aussage über die Fehlertiefe zu machen, da die Fehlerapproximation dreidimensional statt wie bisher nur zweidimensional erfolgt. Das Verfahren ist damit auch für die Qualitätsbestimmung eines CT Systems gut geeignet.
Moderne Systeme zur automatischen Erkennung von Defekten in Gussteilen (ADR-Systeme - ADR=Automatic Defect Recognition) müssen immer kleinere Fehler zuverlässig erkennen. Kleinste Störungen und Schwächungen in der Signalkette können bereits dazu führen, daß Fehlstellen nicht mehr sicher detektiert werden. Neueste Entwicklungen in der Röntgentechnik, gerade in Bezug auf die Sensorik (Flachdetektor) und Rechnertechnik (PC), haben erhebliche Verbesserungen gebracht. Gleichzeitig bedarf das heute angewandte Verfahren, anhand von Filmaufnahmen in 2D auf 3D Fehler und - Fehlergrößen zu schließen, eine praxisgerechte Anpassung, damit schon im Vorfeld der Auslegung einer ADR-Anlage eine belastbare Aussage über die mögliche Erkennungsqualität gemacht werden kann. Mit herkömmlichen Methoden ist eine kontinuierliche Verifikation der Prüfsicherheit einer Anlage gar nicht machbar.
Die heute hauptsächlich angewendeten Methoden für die Qualitätsprüfung einer Anlage sind
Alle diese Prüfmöglichkeiten sind heute nur noch wenig praxisgerecht.
Das erste Verfahren mit Drahtstegen hat sich für die Schweißnahtprüfung bewährt, ist aber für die vollautomatische Gußteilprüfung kaum einsetzbar, da
Das Verfahren mit auf dem Prüfteil aufgebrachten Lochblechen (Penetrameter) hat auch seine Nachteile, weil
Drahtstege
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Lochblechen
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ASTM E155, Shrinkage 1/4" (Sponge) Level 4 (Bild invertiert)
Der Vergleich gegen Filmaufnahmen, die den Fehler in Originalgröße zeigen - meist auch noch zum Monitorbild invertiert -, erlaubt gar keine automatische Aussage zur Fehler- Erkennbarkeit. Bei diesem Verfahren fehlt das Referenz Objekt im System, mit dem die aktuelle Leistung des Systems gemessen werden kann.
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Das Verfahren ist rein subjektiv und es werden nur zwei verschiedene Materialstärken ( 1/4 und 3/4") unterschieden.
Das Verfahren, in das Prüfteil definierte Löcher zu bohren, kommt der Aufgabenstellung schon am nächsten. Aber auch hier gibt es Schwächen, weil
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Bei der Durchsicht der heute gängigen Fehlerkataloge wird man feststellen, daß es den typischen Fehler nicht gibt. Es gibt aber im Grunde zwei Fehlerklassen, zum einen die runden Fehler, die sich z.B. aus Gaseinschlüssen ergeben, oder beliebig strukturierte Fehlertypen, z.B. Schrumpfungs-Lunker oder Fremdeinschlüsse. Bei Gruppenfehlern, z.B. Porennestern, ist der Fehler aus einer Vielzahl von Einzelfehlern zusammengesetzt, die meist wieder kugelförmig sind.
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Daraus ergibt sich der Schluß, daß die beste Approximation an reale Fehler kugelförmige Hohlräume sind. Mit der Gruppierung von Hohlräumen lassen sich sogar Gruppenfehler simulieren. Dies ist besonders wichtig, da nicht nur große Einzelfehler, sondern auch eine größere Zahl sehr kleiner Fehler das Material unzulässig schwächen können.
Um verschieden große Fehler zu simulieren, kann die Größe der umschlossenen Hohlkugel in Stufen variiert werden. Ebenfalls kann die Größe der daraus resultierenden Testkörper variieren. Insgesamt ist aber darauf zu achten, daß die Größe des gesamten Testkörpers klein genug ist, um an nahezu beliebigen Stellen des Prüfobjektes eingebracht zu werden.
Der Vergleich mit den beiden bisher für die Röntgenprüfung von Gußteilen am häufigsten benutzten Methoden, dem Aufkleben von Penetrametern und dem Bohren von Löchern, zeigt den Vorteil des neuen Verfahrens. Zur besseren Sichtbarkeit wurden die folgenden Bilder im Kontrast optimal angepaßt und kantenverstärkt.
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Die obere Reihe zeigt einen 1,5mm Ø kugelförmigen Testkörper bei 0, 45 und 90 Grad Durchstrahlwinkel. Die Hohlkugel sieht in allen Bildern nahezu gleich aus. Dagegen sind die 3 ebenfalls 1,5mm Ø Löchern des Penetrameters im linken Bild besser zu erkennen (scharfe Ränder aufgrund senkrechter Durchstrahlung). Bei 45 Grad nimmt die Erkennbarkeit deutlich ab, die Löcher sind auch nicht mehr rund. Bei 90 Grad kann von Erkennbarkeit nicht mehr gesprochen werden, da der Penetrameter auf dem Teil fixiert wurde und kaum Material vom Prüfobjekt durchstrahlt wird.
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Die obere Reihe zeigt wieder den neuen Testkörper aus 0, 45 und 90 Grad Durchstrahlwinkel. Die untere Reihe zeigt ein identisches Prüfobjekt, versehen mit einer 1,5mm Ø Bohrung, genau 1,5mm tief. Während das 0 Grad Bild einen höheren Kantenkontrast hervorbringt, verliert das 45 Grad Bild schon deutlich an Erkennbarkeit, da das Loch erstens nun nicht mehr rund ist und zweitens nur an der Oberfläche sitzt und damit in den Bereich des Überstrahlens an der Kante kommt. Im dritten Bild ist das eigentlich runde Loch ein Rechteck; hier wurde zur Sichtbarkeit mit einer Blende gearbeitet, sonst wäre das Loch ganz in der Überstrahlung verschwunden. Dadurch, daß der Testkörper der oberen Reihe in das Prüfobjekt eingebracht wurde, ist im 90 Grad Bild die Kugel nicht an der Oberfläche und wird nicht durch Kanten-Überstrahlung verwischt.
Es gibt zwei Verfahren zur Herstellung der Kugeln, mittels diversen Lagen Folie mit eingestanzten Löchern oder als zweiteilige Körper, in denen jeweils ein halbkugelförmiges Loch eingebracht wird.
Beim ersten Verfahren werden die Hohlkugeln aus diversen Lagen Folie mit eingestanzten Löchern approximativ aufgebaut. Aus einem Satz Folien mit z.B. 50 mm Dicke und ausgestanzten Zylindern mit Radien im 50 mm Raster lassen sich von 0,5 mm (Approximation aus 10 Lagen) bis zum maximalen Radius alle gewünschten Hohlraumgrößen aufbauen. Die Folien können durch 2 Kunststoff- oder Aluminium-Platten verschraubt oder verklebt werden.
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Beim zweiten Verfahren werden in 2 Halbkörpern jeweils 2 exakt halbkugelförmige Löcher eingebracht, so daß beim Zusammenbau kugelförmige Hohlräume entstehen. Die Halbkörper werden dann verklebt. Für die klebefreie Montage kann auch eine runde Aussparung in dem einen Halbkörper und eine entsprechende Erhöhung in dem anderen Halbkörper vorgesehen werden; die beiden Halbkörper können dann miteinander verpresst werden. Bei beiden Verfahren ist genau darauf zu achten, daß das Material des Testkörpers sich von dem des Prüfobjekts kaum unterscheidet.
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Der Testkörper ist idealerweise stabförmig ausgeprägt, damit mittels einer zum Außendurchmesser identischen Bohrung der Testkörper in ein Prüfobjekt formschlüssig eingebracht werden kann. Ggf. wird der Testkörper an einem Ende mit einer dem Bohrer entsprechenden Steigung angespitzt. Der so präparierte Prüfkörper kann dann als Vermessungs-Teil einer automatischen Röntgenanlage genutzt werden - die Anlage muß alle Fehler größer als die Spezifikation finden.
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Zur Simulation von in Gruppen auftretenden Fehlern, die insgesamt aber jeder für sich die Spezifikationsgrenze nicht überschreiten, können mehrere gleiche Hohlkugeln in einem Prüfkörper eingebracht werden.
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Zur Ermittlung der Grenzfehlergröße können alternativ auch mehrere Hohlkugeln in abgestufter Größe vorhanden sein. Die Hohlkugel, die noch vom System erkannt wird, gibt die Grenzauflösung im realen Prüfobjekt unter realistischen Bedingungen an.
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Das nebenstehende Bild zeigt 3 Kugeln á 1,5mmØ in einem Prüfobjekt. Die Röntgenaufnahme in 45 Grad Winkel zeigt selbst am Gradienten die 3 Kugeln sehr klar. Das vom Gradienten befreite Bild zeigt deutlich die Kugelform aller 3 Hohlräume.
Aufgrund der dreidimensionalen Struktur der Hohlräume im Testkörper bietet sich die Möglichkeit, eine Aussage über die Tiefe des Fehlers zu machen. Bisherige Systeme haben sich auf die Fläche des Fehlers konzentriert - ohne Rücksicht auf seine Tiefe; so konnte ein 0,5 mm oder ein 3mm tiefer Fehler zur gleichen ermittelten Fehlergröße führen; war der Fehler nicht tief genug, wurde er gar nicht erst detektiert. Bei Referenzmessungen mit den vorgeschlagenen Testkörpern kann nun eine Aussage über die Grauwerterhöhung bei einer definierten Fehlergröße gemacht werden. Diese kann später bei der Prüfung der Gußteile als Referenz zur Ermittlung der Fehlergröße herangezogen werden, um so auch eine belastbare Aussage über die Ausdehnung des Fehlers senkrecht zur Strahlrichtung zu bekommen.
Die dreidimensionale Form der simulierten Fehler bietet auch für CT Anlagen Vorteile für die Qualitätsbestimmung. Durch die Möglichkeit, den Testkörper auch beliebig in der Tiefe zu variieren (Blindstopfen), kann der potentielle Fehler an nahezu jeder Stelle im Prüfobjekt positioniert werden.
Die Vorteile des Verfahrens mit diesen Testkörpern sind
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