Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Die Einsatzgrenzen von Computertomographen (CT) werden im wesentliche bestimmt durch die maximal mögliche Objektabmessung und die maximal mögliche Durchstrahlungslänge. Die bis heute eingesetzten Systeme decken üblicherweise nur einen engen Bereich von Objektabmessungen und Durchstrahlungslängen ab. Daraus ergibt sich ein enges Spektrum an Materialien und Geometrien, die mit einzelnen Anlagen untersucht werden können. ZFP-Dienstleister besitzen daher häufig mehrere CT-Anlagen, um ein breiteres Spektrum an Bauteiluntersuchungen anbieten zu können.
Für die zerstörungsfreie Untersuchung von kleinen Objekten mit hoher Auflösung sind Mikro-CT-Anlagen im Einsatz, die für Bauteilabmessungen im Millimeterbereich oder maximal Zentimeterbereich entwickelt wurden. Makro-CT-Anlagen sind zur Untersuchung größerer Objekte geeignet, sind jedoch bezüglich der Auflösung begrenzt. Sowohl die heutzutage eingesetzten Mikro- als auch die Makro-CT-Anlagen produzieren in der Regel zweidimensionale Schnitte. Dreidimensionale Informationen können nur über ein aufwendiges Schichten mehrerer 2D-Schnitte erzeugt werden, wobei meistens die Auflösung senkrecht zur Schnittebene geringer ist als die Auflösung in den Schnittebenen.
Mit dem neu entwickelten CT-System RayScan 200 wurden die Vorteile verschiedener Systeme in einer Anlage kombiniert. Es wurde eine Mikro- und Makro-CT-Anlage in einem System integriert auf der Basis der direkten dreidimensionalen Kegelstrahl-Tomographie. Hierdurch läßt sich ein weites Teilespektrum abdecken, dabei steht die volle Volumeninformation des untersuchten Bauteils zur Verfügung. Die Auflösung ist in allen Raumrichtungen gleich.
Im diesem Artikel werden die Besonderheiten des CT-Systems beschrieben und die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten anhand von Applikationsbeispielen erläutert.
Um kürzere Meßzeiten als bei der konventionellen 2D Computertomographie zu erreichen, werden bei der Hans Wälischmiller GmbH dreidimensionale Scanner nach dem Prinzip der Kegelstrahl-Tomographie entwickelt. Abbildung 1 zeigt das Funktionsprinzip. Im Gegensatz zur 2D Computertomographie wird hier der gesamte konusförmige Röntgenstrahl genutzt, der das Objekt durchdringt und auf einen Flächendetektor trifft. Bei der Messung dreht sich das Objekt im Röntgenkonus, wobei mehrere Hundert Projektionen aufgezeichnet werden. Aus diesen zweidimensionalen Projektionen wird eine dreidimensionale Rekonstruktion berechnet, so daß mit nur einer Umdrehung Informationen über die dreidimensionale Struktur des Objektes vorhanden sind. Die bei dem Verfahren berechnete dreidimensionale Rekonstruktionsmatrix hat die gleiche Auflösung in allen Raumrichtungen.
Abb 1: Prinzip der 3D Kegelstrahl-Computertomographie.
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Die Röntgenstrahlen, die das Objekt nicht senkrecht zur Drehachse durchstrahlen, nehmen mit der Horizonalebene einen Winkel a > 0° ein. Nimmt der Winkel a große Werte an, kommt es zu Einbußen in der Auflösung. Durch sorgsames Systemdesign in Kombination mit einer Softwarekompensation lassen sich jedoch diese Fehler so minimieren, daß die Vorteile der 3D Tomographie im Vergleich zur 2D Tomographie überwiegen.
Um ein möglichst großes Spektrum an Bauteilgrößen und -materialien abdecken zu können, wurde ein Präzisionsmanipulator entwickelt, der in seiner Grundkonstruktion aus geschliffenen Granitbalken besteht, auf denen Schlitten über Luftlager laufen, Abbildung 2. Mit Hilfe von Linearmeßsystemen und einer Präzisionssteuerung werden Führungs- und Positionierungsgenauigkeiten im Bereich von 1 m m erreicht.
Im Mikro-CT-Modus wird das Objekt nahe beim Brennfleck der Röntgenröhre positioniert, wodurch das Objekt vergrößert auf dem Detektor abgebildet wird. Es werden Vergrößerungsfaktoren bis zu 120 mit Voxelgrößen unter 5 mm realisiert. Durch die hohe Vergrößerung werden jedoch auch mögliche Ungenauigkeiten des Manipulationssystems vergrößert. Hieraus ergeben sich die extremen Genauigkeits-Anforderungen an den beschriebenen Präzisionsmanipulator.
Im Makro-CT-Modus wird das Objekt in größerer Distanz zur Röntgenröhre angeordnet, so daß die Projektion einen möglichst großen Bereich des Detektors einnimmt. Durch eine horizontale Meßkreiserweiterung ist es möglich, Bauteile zu messen, die breiter sind als die Detektorbreite. Da es sich häufig um schwere Teile handelt, wurde der Drehteller und die Horizontalachse für ein Bauteilgewicht von 80 kg konstruiert.
Die Röntgenröhre und der Detektor sind an vertikalen Achsen angebracht, durch die der vertikale Ausschnitt festgelegt wird.
Abb 2: 3D Computertomograph RayScan 200 .
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Als Röntgenröhre wird eine Mirofokus-Röhre mit einer maximalen Spannung von 225 kV verwendet, die den Vorteil eines kleinen Brennfleckes bietet, es aber auch ermöglicht, die Röhre mit hohen Leistungen zu betreiben. Der Röntgendetektor ist aus amorphem Silizium hergestellt und bietet eine Auflösung von 1024 * 1024 Pixel bei einer Dynamik von ca. 75 dB. Die Linearitätsfehler sind kleiner als 1%.
Das System ist mit drei Rechnersystemen ausgestattet, die unter Windows NT betrieben werden. Ein Rechnersystem dient zur Anlagensteuerung und Datenerfassung. Der Benutzer wählt über eine intuitiv zu bedienende Software die Scanparameter. Ein integriertes Expertensystem hilft dem Benutzer bei der Wahl optimaler Einstellungen.
Nach dem Start der Messung werden die Meßdaten (Projektionen) an das zweite Rechnersystem übergeben, das Rekonstruktions-Cluster. Hier wird die Rekonstruktion parallel zur Messung berechnet. Um die Rekonstruktionszeiten zu minimieren, wird die Rekonstruktion auf mehrere Rechner aufgeteilt, um nach der Fertigstellung zusammengefügt zu werden und die fertige Rekonstruktionsmatrix dem Visualisierungsrechner zur Verfügung zu stellen.
Das dritte Rechnersystem dient zur Visualisierung und Weiterverarbeitung, hier wird das Rekonstruktionsergebnis graphisch dargestellt. Es werden vielfältige Analysemöglichkeiten sowohl der 3D- als auch der 2D-Visualisierung geboten (vergl. auch [1]).
Durch die Optimierung aller eingesetzten Komponenten und deren sorgsame Abstimmung wurde eine Anlage geschaffen, die eine direkte hochauflösende 3D Tomographie an einem weiten Spektrum von Bauteilgrößen von ca. 3 mm bis 600 mm mit Ortsauflösungen bis ca. 5 mm ermöglicht. Voraussetzung ist in jedem Fall die Durchstrahlbarkeit des Bauteils.
Zur Demonstration der Flexibilität des CT-Systems RayScan 200 werden hier zwei Beispiele mit Objekten verschiedener Materialien und Größe gezeigt. Abbildung 3 zeigt ein Foto eines Teiles aus der Mikrochirurgie. Der Löffel ist aus einer Edelstahllegierung, die Breite des Löffels beträgt 1,6 mm, die Breite des Steges beträgt 0,35 mm. In Abbildung 4 ist die dreidimensionale Rekonstruktion des Objektes visualisiert. Das Volumenmodell des Bauteils enthält alle Details, die für eine weitergehende Bauteilprüfung notwendig sind.
Abb 3: Mikrochirurgischer Löffel auf einer Stecknadel.
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Abb 4: 3D-CT-Rekonstruktion des mikrochirurgischen Löffels.
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Als Beispiel für eine Makro-CT-Prüfung zeigt Abbildung 5 eine 3D-Visualisierung eines Lenkgehäuses aus Aluminium mit einer Höhe von 345 mm. Die durch den CT-Scan erzeugte Volumeninformation kann für vielfältige Aufgaben der ZFP bzw. der Qualitätssicherung genutzt werden, die in den nachfolgenden Kapiteln beschreiben werden.
Abb 5: 3D-Visualisierung eines Lenkgehäuses aus Aluminium.
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Ausgehend von dreidimensionalen Tomographiedaten lassen sich verschiedene zerstörungsfreie Prüfungen von gescannten Bauteilen durchführen. Abbildung 6 gibt einen Überblick über Möglichkeiten der Weiterverarbeitung von Voxeldaten. Es werden hier die Prüfaufgaben Fehlerfindung, Geometrievermessung und Geometrievergleich vorgestellt. Jeder dieser Aufgaben läßt sich prinzipiell anhand von Voxeldaten oder anhand von daraus erzeugten Oberflächendaten lösen. Im letzteren Fall werden durch geeignete Schwellwerte die Grenzflächen zwischen Material und Luft in Form von Oberflächendaten extrahiert. Ein übliches Datenformat hierfür ist STL. In den folgenden Kapiteln werden die beschriebenen Prüfaufgaben anhand von Beispielen erläutert.
Abb 6: Materialprüfung und Qualitätssicherung mit 3D-CT.
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5.1 Fehlerfindung
Als Ergebnis der 3D Computertomographie liegt eine Rekonstruktionsmatrix vor. Der Wert eines Matrixelementes (Voxel) entspricht dem Schwächungskoeffizienten für das Röntgenspektrum in diesem Volumenelement. Durch eine Kalibrierung des Systems kann auf die Dichte des Materiales geschlossen werden.
Auf der Basis dieser Daten lassen sich vielseitige Analysen durchführen. Beispielsweise können Materialfehler wie Inhomogenitäten, Einschlüsse, Lunker und Dichtevariationen im gesamten Volumen des Bauteils untersucht werden.
Als Beispiel zeigt Abbildung 7 einen virtuellen Schnitt durch ein Lenkgehäuse (vergl. Abbildung 5). Es werden Gußfehler sichtbar, die in ihrer Lage und Größe im Volumenmodell analysiert werden können. Es können auch beliebige 2D-Schnitte aus den Voxeldaten erzeugt werden. Vergleichende Untersuchungen [1] haben ergeben, daß die hier visualisierten Fehler mit Hilfe der Radioskopie nicht detektierbar sind.
Abb 7: Virtueller 3D-Schnitt durch ein Lenkgehäuse.
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5.2 Geometrievermessung
Äußere Konturen von Bauteilen lassen sich einfach durch konventionelle Meßwerkzeuge bezüglich ihrer Maßhaltigkeit überprüfen. Zur Kontrolle der Geometrie auch von inneren Strukturen kann die 3D-CT dienen, beispielsweise zur Vermessung kritischer innerer Bauteilabmessungen.
Eine Geometrievermessung mit Hilfe von 3D-CT-Daten kann entweder durch direktes Ausmessen der Voxeldaten oder der daraus extrahierten Oberflächen erfolgen. Beide Verfahren lassen sich sowohl zwei- als auch dreidimensional durchführen. Abbildung 8 zeigt ein Beispiel für eine Vermessung eines Bauteils anhand von Oberflächen, die aus Voxel-Daten extrahiert wurden.
Abb 8: 3D-Geometrievermessung anhand von generierten Oberflächen.
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5.3 Geometrievergleich
In vielen Phasen des Produktlebenszyklus von industriellen Anwendungen ist die Kenntnis über die Abweichung eines gefertigten Bauteils von der Soll-Geometrie von Bedeutung. Mit Hilfe der 3D-CT besteht die Möglichkeit, einen zerstörungsfreien Soll-Ist-Vergleich von inneren und äußeren Strukturen durchzuführen. Zur Demonstration des Verfahrens wurde ein Bauteil aus Aluminium gefertigt und in RayScan 200 gescannt. Anschließend wurde aus den Voxel-Daten Flächen extrahiert und im STL-Format abgespeichert. Abbildung 9 zeigt die gerenderten STL-Flächen. Wenn für das Bauteil CAD-Daten verfügbar sind, kann ein Vergleich zwischen CAD-Daten und STL-Daten durchgeführt werden. Um die beiden Datensätze zu vergleichen, muß zunächst eine Registrierung durchgeführt werden, d.h. die beiden Geometrien müssen im dreidimensionalen Koordinatensystem in übereinstimmung gebracht werden. Anschließend kann ein Soll-Ist-Vergleich durchgeführt werden, der auf verschiedene Art visualisiert werden kann. Abbildung 10 zeigt ein Beispiel einer Visualisierungsart. Positive und negative Abweichungen werden anhand von Toleranzbändern durch verschiedene Farben dargestellt. Ein Histogramm zeigt zusätzlich die Abweichungen auf der Basis von Vergleichen von insgesamt 340000 Punkten.
Abb 9: Aus Voxeldaten extrahierte Oberflächen: gerenderte STL-Daten.
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Abb 10: Vergleich zwischen Tomographiedaten und CAD-Daten.
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Das 3D-Computertomographiesystem RayScan 200 hat sich als vielseitiges Analysetool der zerstörungsfreien Prüfung erwiesen. Die Möglichkeit, sowohl kleine Bauteile im Mikro-CT-Modus zu scannen, als auch größere Bauteile mit der selben Anlage zu untersuchen, eröffnet ein weites Anwendungsgebiet im Hinblick auf Objektgrößen und zu untersuchende Materialien.
Durch die gleichzeitige dreidimensionale Erfassung von Geometrie und Materialeigenschaften in einer Messung lassen sich mit dem System Materialfehler finden, eine Geometriekontrolle vornehmen als auch ein Soll-Ist-Vergleich durchführen. Hierdurch eröffnen sich neue Möglichkeiten sowohl in der Qualitätssicherung, als auch in der Entwicklung und Optimierung neuer Materialien und Fertigungsprozesse.
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
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