DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Projekt: Genauigkeitssteigerung von industriellen Röntgen-Computertomografie (CT)-Anlagen für die dimensionelle Messtechnik

Markus Bartscher, Uwe Hilpert, Franz Wäldele, PTB, Braunschweig;
Jürgen Goebbels, Gerd Weidemann, BAM, Berlin.
Kontakt: Dr. Markus Bartscher

Kurzfassung

Röntgen-Computertomographie (CT) ist eine industriell eingeführte Technik zur zerstörungsfreien Fehlererkennung. Seit einiger Zeit werden industrielle CT-Anlagen auch zur Geometriebestimmung, d.h. für dimensionelle Messungen eingesetzt. Bei diesen Messungen treten Messabweichungen auf, die wegen komplexer Einflussgrößen derzeit nur schlecht quantifiziert werden können. Die Größe der beobachteten Messabweichungen erschwert zum Teil noch die weitere Anwendung der CT als Messtechnik. Das momentan mit CT messbare Teilespektrum wird bei dickwandigen Bauteilen durch die fehlende Verfügbarkeit von Röntgendetektoren für hohe Energien (speziell Flächendetektoren) beschränkt. Im folgenden wird ein Forschungsprojekt zwischen 10 deutschen Industrieunternehmen und Instituten und zwei deutschen Bundesanstalten (Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) vorgestellt, dass die Weiterentwicklung der CT als dimensionelle Messtechnik zur Aufgabe hat. Das Projekt hat eine Laufzeit von drei Jahren (Start 01.Okt. 2003). Es werden hier die Projektziele und erste Ergebnisse vorgestellt.

Einleitung

Computertomographie (CT) wird in der Industrie zur zerstörungsfreien Kompletterfassung von Bauteilen benutzt und hat hier bei der Defekterkennung eine große Bedeutung erlangt. Zunehmend werden CT-Anlagen auch für dimensionelle Messaufgaben eingesetzt. Da CT das einzige Messverfahren ist, mit dem innere und äußere Geometrien komplett erfasst werden können, ist hier das wirtschaftliche Interesse besonders hoch. Allerdings treten bei der Maßbestimmung mit CT Abweichungen auf, die zur Zeit nur teilweise beherrscht werden. Verfahren zur Bestimmung von dimensionellen Messabweichungen sind nur teilweise vorhanden; zufrieden stellende Überwachungsmaßnahmen fehlen weitgehend. Als dimensionelles Messmittel ist CT zudem z.B. in der Normung noch nicht allgemein anerkannt. Die Geometrieerfassung von dickwandigen Bauteilen (z.B. Aluminiumwanddicken > 300 mm) mit 3D-CT ist wegen des Fehlens geeigneter Detektoren für hohe Energien derzeit industriell nicht möglich. Der Beitrag beschreibt die Ziele eines Projektes zwischen 10 deutschen Industrieunternehmen und Instituten (CT-Anlagenhersteller, -Nutzer, -Softwarehersteller) und zwei deutschen Bundesanstalten [Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)], das sich dieser Problematiken annimmt. Mit diesem Projekt soll die Akzeptanz der CT als dimensionelles Messmittel gefördert werden. Die Projektziele sind im einzelnen:

  • Verringerung der dimensionellen Messabweichungen durch Einsatz von angepassten Prüfkörpern bei Messungen von ein- und mehrkomponentigen Körpern
  • Entwicklung und Bau eines 3D-Röntgendetektors für Energien bis 12 MeV
  • Aufbau einer Reverse Engineering Prozesskette für CT-Daten
  • Erstellung von Richtlinienvorschlägen, z.B. für Überwachungsmaßnahmen von CT-Anlagen, die für dimensionelle Messungen benutzt werden

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) gefördert. Der Start war am 01.10.2003 mit einer Laufzeit von 3 Jahren. Durch Verbindung der Kompetenzen der beiden Bundesanstalten (Koordinatenmesstechnik und CT-Erfahrung) sowie dem spezifischen Wissen der Industriepartner werden neue Lösungsansätze für dimensionelle CT-Messungen verfolgt.
Verfahren zur Bestimmung von Einflüssen auf die Unsicherheit des Messergebnisses werden derzeit mit speziell angepassten Prüfkörpern erprobt. Hierbei ist u.a. die Bauform der CT-Anlage von Bedeutung, da die auftretenden Artefakte in den Messergebnissen stark von der Ausführung der Anlage abhängig sind. Ein besonderes Augenmerk wird auch auf den Einfluss des Detektors gelegt. Die an den Prüfkörpern erhaltenen Ergebnisse fließen direkt in die Entwicklung einer Detektortechnik für hohe Röntgenenergien ein. Für dimensionelle Messaufgaben ist die Korrektur von Artefakten von Bedeutung, da sie zur Verringerung von Messabweichungen führt. Im folgenden wird anhand von ausgewählten Beispielen ein Überblick über das Verfahren zum dimensionellen Messen gegeben und erste Ergebnisse zu den Themen, Artefaktminimierung und geometrierichtige Schwellwertfindung präsentiert.

2D- und 3D-Computertomografie und Anwendung
zum dimensionellen Messen

Bei der 2D-CT wird das Bauteil mit einem Fächerstrahl durchstrahlt und die transmittierte Intensität mit einem Zeilendetektor gemessen (Abb. 1, links). Bei dimensionellen Messungen mit CT werden derzeit nur mit dieser Bauform sehr gute Ergebnisse erzielt. Die eingesetzten Zeilendetektoren haben den Vorteil einer hohen Effizienz bei gleichzeitiger weitgehender Unterdrückung der Streustrahlung. Dies wird durch eine Kollimation der Strahlung erreicht. Typische Messzeiten für einen einzelnen Querschnitt (rekonstruierte Schicht) liegen zwischen 15 s und 150 s (1024x1024 Bildmatrix, 720 Projektionen). Dieses bedeutet bei Anlagen zur Messung größerer Bauteile (z.B. Zylinderkopf mit 500 mm Teilhöhe) und typischen Schichthöhen von 0,5 mm Messzeiten im Bereich von 4 h bis 40 h.


Abb 1: Schema der 2D-CT mit Zeilendetektor (links) und 3D-CT mit Flächendetektor (rechts).

Bei der 3D-CT (Abb. 1 rechts) wird das Bauteil von einem Kegelstrahl durchstrahlt. Die Röntgenprojektion wird mit einem Flächendetektor gemessen. Die Verwendung moderner Detektorbauformen wie Flachdetektoren mit üblicherweise 1024x1024 Pixel erlauben Messzeiten im Bereich von wenigen Minuten, wobei die rasante Entwicklung der Rechentechnik zur Wirtschaftlichkeit der 3D-CT wesentlich beigetragen hat. Nachteil der 3D-Technik ist die fehlende Kollimation. Da mit zunehmenden Röntgenenergien die Nachweiseffizienz von Detektoren für die höherenergetische Primärstrahlung absinkt, trägt besonders bei Flachdetektoren die niederenergetische Streustrahlung immer stärker zu der vom Detektor erfassten Gesamtintensität bei. Somit ist es erforderlich, die Strahlung derart zu kollimieren, dass möglichst wenig Streustrahlung entsteht. Gleichzeitig müssen geeignete Filter für den Detektor entwickelt werden, die insbesondere die niederenergetische Streustrahlung absorbieren, selbst jedoch möglichst wenig Streustrahlung erzeugen, um nicht zu einer Verschlechterung der Bildqualität zu führen. Ein Vorteil der 3D-CT im Vergleich zur 2D-CT ist neben dem Zeitgewinn die isotrope Ortsauflösung in allen Raumrichtungen. Aus diesem Grund gibt es von verschiedener Seite die Bestrebung, auch mit 3D-CT dimensionelle Messungen durchzuführen.

3D-Hochenergie Detektor

Im Rahmen des Vorhabens soll ein Flachdetektor für Energien bis 12 MeV bei der Hochenergie-CT der BAM eingesetzt werden, um die von der Industrie gewünschte Erfassung von Geometrien großer, bzw. stark schwächender Bauteile in einem Zeitraum durchführen zu können, der mit den derzeitigen Produktentwicklungszeiten kompatibel ist. Dazu gilt es zu klären, ob und wie der Anteil der Streustrahlung an der erfassten Intensität soweit reduziert werden kann, dass Bilder mit einer Qualität gewonnen werden können, die eine Geometrieerfassung mit einer Genauigkeit von durchgängig besser 0,2 mm erlaubt. Mit Zeilendetektoren werden Ortsauflösungen von maximal 2,5 lp/mm angegeben [Okada, 2003]. Eine theoretische Berechnung für einen Flachdetektor mit 0,2 mm Pixelgröße, einer Röntgenquelle mit einem Brennfleck von 1,5 mm und einer Vergrößerung von 1,23 ergibt eine Auflösung von 2,0 lp/mm (10% Abfall der MTF). Das in der BAM entwickelte bisherige 2D-Detektorsystem (2,4 lp/mm) soll hierbei für den direkten Vergleich der Bildqualität herangezogen werden. Darüber hinaus müssen Korrekturverfahren für die Abbildungsfehler von Flachdetektoren, sowie für den Einfluss der Streustrahlung entwickelt werden.

Artefakt-Minimierung

Im Rahmen des Projektes wurden bereits und werden Prüfkörper entworfen, die eine Quantifizierung des Einflusses von Artefakten auf das dimensionelle Messen mit CT ermöglichen sollen. Darüber hinaus sollen sie helfen, die Qualität der im Rahmen des Vorhabens zu entwickelnden Korrekturverfahren zu bewerten.
Die Minimierung von Artefakten durch Anwendung von Korrekturmaßnahmen (Verfahrensweisen, Algorithmen) ist die Voraussetzung für eine anschließende Schwellwertsetzung und Geometriefindung. Neben der Ausführung der CT-Anlage resultieren wichtige Einflussgrößen die zu Artefakten führen können aus den Eigenschaften der zu untersuchenden Bauteile und des Messprozesses:

  • durchstrahlte Materialdicke (Absorption der Strahlung im Objekt)
  • Strahlaufhärtung (Änderung des Strahlungsspektrums im durchstrahlten Objekt)
  • Streustrahlung
  • Lage des Objekts im CT (z.B. bei ebenen Flächen parallel zum Fächerstrahl)
  • Objektgeometrie (Kanteneffekte)
  • Oberflächenbeschaffenheit (Werkstückrauheit und Oberflächenschichten)
  • Materialinhomogenitäten an der Objektoberfläche
  • unterschiedliche Materialien (z.B. Ventilsitzringe in Aluminiumzylinderköpfen)
  • Detektornichtlinearität

Sowohl bei der 2D-CT als auch bei der 3D-CT führt die Verwendung von Röntgenröhren mit einem breiten Energiespektrum als Strahlenquelle zur Strahlaufhärtung. Für das dimensionelle Messen sind die daraus resultierenden Artefakte äußerst störend und erschweren die Findung des geometrierichtigen Schwellwerts. Entsprechend ist die Anwendung einer Strahlaufhärtungskorrektur notwendig, die im Falle eines Bauteils aus homogenen Material einfach ist. Dazu sollte entweder die Aufhärtung durch eine Messung der transmittierten Intensität als Funktion der durchstrahlten Materialdicke experimentell bestimmt oder aus dem Röhrenspektrum, den Absorptionskoeffizienten des Materials sowie der energieabhängigen Detektorempfindlichkeit berechnet werden. Für ein einkomponentiges Material ergibt sich eine eineindeutige Funktion, deren Umkehrfunktion zur Korrektur herangezogen werden kann [P. Hammersberg 1998, B. Illerhaus 1998]. Alternativ dazu kann ein iteratives Korrekturverfahren verwendet werden [Kasperl 2002].

Geometrierichtige Schwellwertfindung

Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes betrifft die Schwellwertfindung für die Bestimmung äußerer und innerer Geometrien. Um mit CT Bauteildimensionen exakt erfassen zu können, ist ein definiert gewählter Schwellwert für die Oberflächenextraktion aus den CT-Voxeldaten notwendig, da schon geringe Änderungen des Schwellwertes deutliche Änderungen in den gemessenen Dimensionen hervorrufen. Zur Bestimmung dieses Schwellwertes werden Prüfkörper mit Regelgeometrien aus verschiedenen Materialien gemeinsam mit dem eigentlichen Werkstück mit CT gemessen. Der geometrierichtige Schwellwert wird über die Maßabweichungen der Prüfkörper bestimmt und zur Oberflächenbestimmung für das eigentliche Werkstück verwendet. Weiterhin können durch den Einsatz von Prüfkörpern Maßstabsfehler während der CT-Messung zuverlässig erfasst und damit erstmals eine Messunsicherheit für die bestimmten Bauteildimensionen angegeben werden. Festgestelle Maßstabsfehler werden im Anschluss für eine Korrektur der Messergebnisse benutzt.
Üblicherweise erfolgt die Schwellwertsetzung für die Kantenfindung eines homogenen Bauteils bei dem halben Grauwert des massiven Materials (Annahme einer linearen Abbildung bei der Computertomographie). Die Voraussetzung hierfür sind ein symmetrischer Brennfleck, ein lineares Rekonstruktionsfilter, eine zu vernachlässigende Strahlaufhärtung und Streustrahlung [S.M. Blumenfeld 1978]. In der Realität ist der Schwellwert zur Oberflächengenerierung aus den volumetrischen CT-Messdaten mit einer Unsicherheit behaftet, die vom Verlauf der Kante zwischen den Grenzflächen der Materialien abhängt. Der Wendepunkt des Linienprofils, der bei einem symmetrischen Verlauf der Kante dem halben Grauwert des massiven Materials entspricht, lässt sich z.B. aus der 1. Ableitung bestimmen (Abb. 2). Bei gutem Signal zu Rausch Verhältnis kann das Maximum benutzt werden, anderenfalls ist der Schwerpunkt vorzuziehen.

Abb 2: Bestimmung der Kante aus dem Linienprofil. Der untersuchte Ausscnitt ist rechts vergrößert abgebildet. Das Diagramm zeigt ein Linienprofil (blau) zusammen mit der 1. Ableitung (rot).

Besondere Einflüsse auf das Linienprofil werden sowohl bei mehrkomponentigen Körpern mit jeweils einer gemeinsamen, und einer Grenzfläche zu Luft erwartet, als auch bei Körpern mit rauen Oberflächen und Oberflächenschichten. Speziell angepasste Prüfkörper für die genannten Aufgaben sind derzeit in Vorbereitung.

Erste Ergebnisse

Zur Bewertung der Qualität eines Produktionsprozesses werden üblicherweise Vergleiche zwischen CAD-Konstruktionsdaten (Soll) und Messdaten (Ist) durchgeführt. Ein Soll-Ist Vergleich kann jedoch auch zwischen dem Ergebnis einer Messung mit bekannter, und einer mit zu bestimmender Messunsicherheit stattfinden. Hierbei sollte es eine untergeordnete Rolle spielen, ob die gemessenen Daten als Punktewolken, Oberflächendaten oder Volumendaten vorliegen.
Ein typischer Soll-Ist Vergleich zwischen einer taktilen Messung (Messunsicherheit < 5 µm) und den Konstruktionsdaten eines prismatischen Aluminiumkörper (Abb. 3) zeigt die weitgehende Übereinstimmung der äußeren Geometrie und einige produktionsbedingte Abweichungen vor allem im Bereich der horizontalen Bohrungen. Ein Soll-Ist Vergleich zwischen den selben taktilen Daten und Hochenergie-CT Daten ist in Abb. 4 dargestellt. Bedingt durch die grobe Rasterung eines für erste 3D-Messungen zusammen mit dem Linearbeschleuniger der BAM benutzten Flächendetektors (Bildmatrix: 256x256 Pixel mit je 0,8x0,8 mm2) ergeben sich vor allem Messabweichungen der CT im Bereich der Kanten des Aluminium-Körpers. Die festgestellten Unterschiede liegen hier im Bereich der Kantenlänge eines Voxels (hier 0,653 mm).

Abb 3: Soll-Ist Vergleich für einen prismatischen Aluminiumkörper, Taktile Messung gegen CAD. Abb 4: Soll-Ist Vergleich für den selben Körper. Taktile Messung gegen Hochenergie-CT (LINAC 10 MeV).

Ein Beispiel für die Auswirkung unterschiedlicher Artefakte auf das CT-Messergebnis einer 3D-CT-Anlage ist in Abb. 5 dargestellt. Es wurde ein Stahlkörper gemessen, der auf einer Seite eine Kontur aufweist. Die Kontur wurde einmal in einem Winkel von 45° geneigt (Abb. 5 links) und einmal parallel (Abb. 5 rechts) zur CT-Drehachse tomographiert. Spezielle Artefaktkorrekturen fanden nicht statt. In beiden Schnittblidern ist die von der Objektdicke abhängige Strahlaufhärtung zu erkennen, die durch ein Absinken der Grauwerte von den Rändern zur Objektmitte hin deutlich wird. Im Fall, dass die Kontur um 45° geneigt zu Strahlengang gemessen wird (Abb. 5 links), ist zu erkennen, dass der Verlauf der Grauwerte im Bereich von senkrecht und waagrecht liegenden Kanten stark unterschiedlich ist. Weiterhin sind waagrechte Kantenverläufe noch weit in das massive Material hinein zu beobachten. Für den Fall, dass sich die Konturseite während der Tomographie parallel zur Drehachse befindet (Abb. 5 rechts), sind die Kantenartefakte deutlich reduziert.

Abb 5:
Schnittbilder durch die rekonstruierten Daten eines Stahlkörpers mit Konturseite. Links: Konturseite um 45° geneigt zur CT-Drehachse tomographiert, rechts: Konturseite parallel zur CT-Drehachse tomographiert. (Mikrofokus-CT, 220kV, 800 Projektionen 109 µm Voxelgröße)

Um Messabweichungen, hervorgerufen durch eine Variation des Schwellwerts, zu charakterisieren, kann ein Soll-Ist Vergleich auch zwischen zwei Oberflächen stattfinden, die mit unterschiedlich gesetzten Schwellwerten generiert wurden. Abb. 6. und Abb. 7 zeigen derartige Vergleiche für den Fall der nicht artefaktkorrigierten (Strahlaufhärtung und Streustrahlung) Messung der Stahlkontur parallel zur CTDrehachse. Die Unsicherheit, mit welcher der Schwellwert zur Oberflächengenerierung behaftet ist, lässt sich z.B. aus Wiederholungsmessungen ermitteln.
In Abb. 6. ist eine Oberfläche generiert mit einem 10% kleinerem Schwellwert als der geometrierichtige, gegen den geometrierichtigen Schwellwert dargestellt. In Abb. 7 ist eine Oberfläche mit einem 10% größerem Schwellwert als der geometrierichtige, gegen den geometrierichtigen Schwellwert gezeigt.
In beiden Abbildungen zeigen sich im Bereich konkaver Geometrieelemente vertikale Verschiebungen im Mittel von ca. ±40 µm.


Abb 6: Soll-Ist Vergleich von Oberflächendaten. Verglichen sind Daten, die mit 10% kleinerem Schwellwert als der geometrierichtige Schwellwert generiert wurden (Ist), aufgetragen gegen Daten, die mit dem geometrierichtigen Schwellwert generiert wurden (Soll).

Abb 7: Soll-Ist Vergleich von Oberflächendaten, die mit 10% größerem Schwellwert als der mittlere Schwellwert generiert wurden (Ist), gegen Daten, die mit dem geometrierichtigen Schwellwert generiert wurden (Soll).

Bei einer Variation des Schwellwerts ist die zu erwartende Geometrieänderung umso größer, je flacher der Verlauf des Kantenprofils ist. Da in dem dargestellten Beispiel der gemessenen Kontur die Strahlaufhärtung in Objektbereichen mit größerer durchstrahlter Dicke (konvexe Bereiche) und geringerer durchstrahlter Dicke (konkave Bereiche) unterschiedlich ist, hat dies offensichtlich Auswirkung auf die Kantenverläufe. Dies zeigt sich in der Beobachtung, dass die Messabweichungen in beiden Abbildungen in den konkaven Geometrieelementen deutlich stärker sind als in den konvexen.

Zusammenfassung

CT ist bereits heute eine wichtige Technik zur industrielle Qualitätssicherung und Produktentwicklung. Die beschriebenen ersten Ergebnisse des Projekts zeigen, dass eine Genauigkeitssteigerung der CT als dimensionelle Messtechnik durch den Einsatz von Prüfkörpern möglich ist. Durch die Genauigkeitssteigerung erschließen sich der CT neue Anwendungsfelder. In Zukunft ist daher mit einem steigenden Einsatz der CT speziell bei dimensionelle Messungen zu rechnen. CT ersetzt hier zum Teil Messungen, die heute noch auf Koordinatenmessgeräten durchgeführt werden.

Die durchgeführten Arbeiten werden vom BMWA unter der Projektnummer VI A 2-08/03 gefördert.

Literatur

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