DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Dimensionelle Messabweichungen eines industriellen 2D-Computertomographen: Einfluss der Werkstückrauheit

D. Fiedler, Rautenbach Aluminium Technologie GmbH, Wernigerode;
M. Bartscher, U. Hilpert, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig
Kontakt: Dr.-Ing. Dirk Fiedler

Kurzfassung

Röntgen-Computertomographie (CT) ist eine industriell eingeführte Technik zur zerstörungsfreien Fehlererkennung. Seit einiger Zeit werden industrielle CT-Anlagen auch für dimensionelle Messungen eingesetzt. Basis der Geometriebestimmung mit CT ist die Ermittlung und Korrektur von Maßstabsfaktoren. Bei CT-Messungen von Bauteilgeometrien müssen verschiedene Einflussfaktoren auf das Messergebnis geeignet berücksichtigt werden. Dieser Beitrag untersucht den Einfluss der Werkstückrauheit auf die Messabweichungen eines industriellen 450 kV CT-Systems mit Zeilendetektor (2D-CT), welches regulär zur maßlichen Erfassung von Aluminiumgussteilen eingesetzt wird. Die durch Werkstückrauheit hervorgerufenen Messabweichungen der CT-Anlage werden mit taktil kalibrierten Rauheitsprüfkörpern erfasst, die auf einer Seite gezielt präparierte Gussoberflächen aufweisen. Als Ergebnis werden systematische Oberflächenverschiebungen zwischen den CT-Messungen und taktilen Messungen in Abhängigkeit von der Rauheit bestimmt. Die Größenordnung der Effekte - 100 µm Verschiebung der Oberfläche bei Variation der Rauheit von Rz = 50 µm auf Rz = 140 µm für die untersuchten Aluminiumgussteile - ist bedeutend für die Messunsicherheit von CT-Messungen.

1. Einleitung

Mit CT lassen sich Defekte in industriellen Werkstücken erkennen. In der Industrie werden seit einiger Zeit speziell CT-Anlagen mit Zeilendetektor (2D-CT) auch für dimensionelle Messungen eingesetzt [1]. Bei diesen Anlagen wird das Objekt unter 360° Drehung jeweils schichtweise mit einem Röntgenfächer durchstrahlt. Als dimensionelles Messmittel ist CT allerdings z.B. in der Normung noch nicht allgemein anerkannt. Zu speziellen Messaufgaben wie der Messung des Wasserraums von Zylinderköpfen existieren erste Abschätzungen der Messunsicherheit. Untersuchungen der Einflussgrößen auf CT-Messungen von Aluminiumgussteilen erlauben Aussagen für bestimmte Messaufgaben [2]. Wichtige Einflussgrößen resultieren insbesondere aus den Eigenschaften der zu untersuchenden Bauteile und des Messprozesses:

  • Lage des Objekts im CT (z.B. bei ebenen Flächen parallel zum Fächerstrahl)
  • durchstrahlte Materialdicke (Absorption der Strahlung im Objekt)
  • Strahlaufhärtung (Änderung des Strahlungsspektrums im durchstrahlten Objekt)
  • Materialinhomogenitäten an der Objektoberfläche und Kanteneffekte
  • Werkstückrauheit
  • unterschiedliche Materialien (z.B. Ventilsitzringe in Aluminiumzylinderköpfen)
Ein Verfahren zur Bestimmung und Korrektur von dimensionellen Messabweichungen des CT ist der Einsatz von taktil kalibrierten Referenzkörpern [3, 4]. Verfahren zur Bestimmung des Rauheitseinflusses und eine Berücksichtigung der Werkstückrauheit bei Messunsicherheitsbetrachtungen bei dimensionellen CT-Messungen fehlen jedoch bisher. Eine Korrektur der rauheitsbedingten Messabweichung kann daher zur Zeit noch nicht stattfinden. Deshalb werden hier erstmals CT-Vergleichsmessungen an taktil kalibrierten Aluminiumguss-Rauheitsproben durchgeführt, die eine werkstückähnliche Gussoberfläche besitzen. Mit den Ergebnissen kann der Rauheitseinfluss auf die aufgabenspezifische Messunsicherheit abgeschätzt werden.

2. Eigenschaften der CT-Anlage und des Messprozesses

Die hier dargestellten Messungen wurden auf einer industriellen CT-Anlage durchgeführt, die regulär zur dimensionellen Messung von Aluminiumgussteilen verwendet wird. Dieses CT-System hat folgende Eigenschaften:

  • 2D CT-Scanner (Zeilendetektor, CdW4 Szintillator, 1024 Kanäle, 18bit),
  • 450 kV Röntgenröhre mit Doppelfokus 1,5 mm / 0,8 mm (nach IEC 336)
  • Fester Abstand von Röntgenröhre und Detektor
  • Rekonstruierte CT-Schnittbilder mit 1024*1024 Matrix, 16bit Grauwertskala
  • Typische Voxelgröße bei Messung von Aluminiumgussteilen: (0,4x0,4x0,5) mm3
Reduzierte Messabweichungen können durch kalibrierte Referenzobjekte erreicht werden, die gemeinsam mit dem zu untersuchenden Bauteil gemessen werden [3, 4]. Als Referenzobjekte werden hier ein kalibrierter Kugelstab (4 Keramikkugeln Ø30 mm auf Kohlefaserstab, Kugelabstand 100 mm) zur Bestimmung und Korrektur von Maßstabsfaktoren sowie zwei Hohlzylinder mit kalibrierten Innen- und Außendurchmessern (Ø 30 mm / 20 mm und Ø 20 mm / 10 mm) zur Schwellwertbestimmung eingesetzt. Die Hohlzylinder bestehen aus dem gleichen Material wie die zu untersuchenden Werkstücke. Für die Hohlzylinder werden für verschiedene Schwellwerte die betreffenden Messabweichungen ermittelt. Kriterium für die Bestimmung des endgültigen Schwellwerts sind gleiche Messabweichungen bei Innen- und Außenmessungen. Der so bestimmte Schwellwert wird zur Oberflächengenerierung aus den volumetrischen CT-Messdaten des Werkstücks benutzt. Die Oberflächendaten des Werkstücks werden zuletzt mit dem vorher aus der Messung des Kugelstabs bestimmten Maßstabsfaktor korrigiert. Die so gewonnenen Oberflächendaten des Werkstücks werden im Folgenden bezüglich des Rauheitseinflusses bei der CT-Messung analysiert.

3. Einfluss der Werkstückrauheit

3.1 Beschreibung der Messungen

Die untersuchten Rauheitsproben bestehen aus nahezu ebenen Segmenten, die einseitig Gussoberflächen aufweisen. Auf der Rückseite der Proben sind vier Aluminiumkugeln angebracht (Abb. 1), die zur Ausrichtung und Registrierung der unterschiedlichen Messdaten und CAD-Daten benutzt werden. Der Vorteil ist hierbei, dass die relative Ausrichtung von CT-Datensätzen und Referenzdaten nicht von dem bei der Generierung der CT-Oberflächendaten benutzten Schwellwert abhängt, der die Lage der Gussoberfläche beeinflussen kann. Folgende Effekte können auf direktem Wege die Lage der mit CT bestimmten Gussoberfläche beeinflussen:

  1. Messabweichungen bei der Bestimmung des Maßstabsfaktors
  2. Messabweichungen bei Schwellwertbestimmung zur Oberflächengenerierung
  3. Rauheit der Werkstückoberfläche
Während zu erwarten ist, dass die Einflüsse 1 und 2 jeweils nur eine konstante Verschiebung der Oberfläche bewirken, kann sich die Lage der Oberfläche als eine Funktion der Rauheit ändern. Deshalb werden im Folgenden Rauheitsvariationen nur innerhalb jeweils einer Probenfläche diskutiert, da hier die Einflussfaktoren 1 und 2 gleich sind.

Abb 1: Typischer Messaufbau zur Bestimmung des Rauheitseinflusses. Abbildung zeigt CT-Oberflächendaten. Nicht im Bild dargestellt ist der Kugelstab als Referenz (liegt oberhalb der abgebildeten Schicht). Alle Proben besitzen ungefähr gleiche Abmessungen (BxHxT = 42,5 mm x 27,5 mm x 20 mm).

Beim Antasten eines Profils mit einem Tasterelement beschreibt das Messergebnis nicht die Form des Profils, sondern wird durch die Geometrie des Tastelements gefiltert. Die gemittelte Rautiefe der Proben (Rz = 50 µm - 210 µm) wurde nach DIN EN ISO 4287 und 4288 [5, 6] mittels Tastschnittgerät bestimmt und kann auf der Gussoberfläche der einzelnen Proben variieren. Zur Trennung zwischen Welligkeit und Rauheit wurde aufgrund der großen Probenrauheit normgemäß ein Filter mit einer Grenzwellenlänge von 8 mm verwendet. Zur Separation von Form ohne Welligkeit wird eine Ausgleichsgerade benutzt, da die Norm hier keine explizite Grenzwellenlänge angibt. Die in Abb. 2 eingezeichneten Messlinien kennzeichnen die Probenbereiche, in welchen die Rauheit ermittelt wurde. Für die hier dargestellte Probe bestimmten gemittelten Rautiefen betragen Rz = 50 µm für die beiden Ränder, und Rz = 140 µm für die Mitte der Gussoberfläche. Die gesamte Höhe des Welligkeitsprofils variiert von Wt = 30 µm bis Wt = 70 µm über die gemessenen Profile. Im Vergleich zu den Rauheiten der gesamten Probenserie wird diese Probe als repräsentativ angesehen, und die erhaltenen Ergebnisse daher an dieser Probe diskutiert.

Abb 2: Fotografie einer Rauheitsprobe mit eingezeichneten Messlinien des Tastschnittgeräts auf der Probenseite mit der Gussoberfläche. Mittlere Rautiefe Rz = 140 µm in der Probenmitte, auf Probenrand jeweils ca. 50 µm.

Bei einer CT-Messung von Gussoberflächen wird aufgrund der volumetrischen Ausgangsdaten angenommen, dass die generierte Oberfläche zu 50% im Material des Werkstücks liegt. Der Prozess der Oberflächengenerierung kann als ein Tiefpassfilter mit einer räumlichen Auflösung im Bereich der Voxelgröße betrachtet werden, die bei der verwendeten CT-Anlage bei 0,4 mm liegt. Somit liegt die Auflösung der CT-Anlage im Bereich der Welligkeit und den langwelligen Anteil der Rauheit von Gussoberflächen.

Aus der taktilen Koordinatenmesstechnik ist bekannt [7], dass die Werkstückrauheit zusätzliche Messabweichungen der Größenordnung Rz/2 hervorruft. Um die CT-Messergebnisse quantitativ bewerten zu können, wurden bei allen Proben zur Referenz die Gussseite taktil mit unterschiedlichen Tasterradien (r = 0,5 mm und 2,5 mm, Messkraft jeweils 0,1 N) und mit einem Punktraster von 0,5 mm x 0,5 mm (insgesamt bis zu 4125 Messpunkte) gemessen. Da die geometrischen Filtergrenzwellenlängen (lg) der gewählten Tasterelemente kleiner sind (r ~ 5.lg) [8] als der von Norm vorgeschriebene Filter zur Separation der Rauheit, wird bei den taktilen Messungen der Gussoberflächen sowohl die Welligkeit als auch ein Teil der Rauheit erfasst.

3.2 Soll-Ist Vergleiche

Üblicherweise werden bei CT-Messungen Soll-Ist Vergleiche zwischen den CT -Messdaten und CAD-Daten (Nominalkoordinaten) durchgeführt. Als Beispiel ist in Abb. 3 ein Vergleich zwischen CT-Messdaten und taktilen Referenzdaten bei Messung der gleichen Rauheitsprobe dargestellt. Man erkennt übereinstimmende Gestaltabweichungen der Probe bei beiden Messverfahren. Weitere systematische Einflüsse können bei dieser Darstellung jedoch nicht eindeutig identifiziert werden.

Abb 3: Soll-Ist Vergleiche (Probe aus Abb. 2) zwischen CT-Messdaten und CAD-Solldaten (links) sowie taktilen Daten (Tasterradius 0,5 mm) und gleichen CAD-Daten (rechts). Formabweichungen und Welligkeiten der Probe werden bei beiden Verfahren auf der selben Größenskala abgebildet

Bei einem direkten Soll-Ist Vergleich zwischen CT-Messdaten und taktiler Referenzmessung in einem durch die Probenkugeln definierten Koordinatensystem werden systematische Einflüsse zwischen den benutzten Messverfahren sichtbar (s. Abb. 4, taktile Messung mit Tasterradius 0,5 mm).
Es werden vertikale Verschiebungen zwischen den CT-Messdaten und den taktilen Referenzdaten beobachtet. Die gefundenen CT-Messabweichungen korrelieren deutlich mit der charakteristischen Variation der Rauheit (Rz = 50 µm - 140 µm) über die Probenüberfläche, die vorher durch Messungen mit dem Tastschnittgerät bestimmt wurde.
Im Bereich der Tastschnittmessungen (vgl. Abb. 2) wird aus dem Soll-Ist Vergleich in Abb. 4 an den Rändern der Probe eine mittlere Verschiebung der CT-Oberflächendaten von ca. -80 µm ermittelt. In der Mitte der Probe ist die mittlere Oberfläche der CT-Daten im Vergleich zu der taktil bestimmten Oberfläche um ca. +20 µm verschoben. Hieraus errechnet sich eine Verschiebung von 100 µm über die gesamte Probenfläche.
In Abb. 5 ist das Ergebnis des Soll-Ist Vergleichs für einen Tasteradius von 2,5 mm mit den selben CT-Oberflächendaten dargestellt. Es wird qualitativ die gleiche durch Rauheit hervorgerufene Verteilung der Werte beobachtet. Es ergibt sich jedoch eine systematische Verschiebung der mit CT gemessenen Oberfläche um ca. 50 µm, die von der Variation der Rauheit über die Gussoberfläche unabhängig ist. Da der selbe CT-Datensatz dem Vergleich zugrunde liegt, stellt die beobachtete systematische Verschiebung einen Effekt dar, der durch den größeren Tastkugelradius hervorgerufen wird.

Abb 4: Soll-Ist Vergleich zwischen der taktilen Messung für den Tasterradius 0,5 mm und den CT-Oberflächendaten der gleichen Probe. (Probe identisch zu Abb. 3) Abb 5: Soll-Ist Vergleich der taktilen Messung für den Tasterradius 2,5 mm und den CT-Oberflächendaten der gleichen Probe. (Probe identisch zu Abb. 3.)

4. Ansatz zur Ermittlung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit

Die Geometriebestimmung mit CT stellt im eigentlichen Sinn eine Koordinatenmessung dar. Man kann deshalb CT-Anlagen, die zur Geometriebestimmung eingesetzt werden, wie klassische Koordinatenmessgeräte behandeln und dort akzeptierte Methoden und Prinzipien auf dem Gebiet CT anwenden. Dieses betrifft insbesondere die Überwachung von Messungen, die Bestimmung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit und die Feststellung der Prüfprozesseignung.
Gemäß DIN 32881 Blatt 3 bzw. ISO/DTS 15530-3 kann man mit Hilfe eines kalibrierten Werkstücks die erweiterte, aufgabenspezifische Messunsicherheit U einer allgemeinen Koordinatenmessung folgendermaßen bestimmen [9]:

k Erweiterungsfaktor (in der Regel für 95% Vertrauensbereich)
ucal Standardkalibrierunsicherheit (Messung mit KMG)
up Standardunsicherheit der Wiederholungsmessungen
uw Standardunsicherheit aus produktionsbedingter Werkstückstreuung (Ausdehnungskoeffizient, Formabweichung, Rauheit, usw.)
b systematische Abweichung zwischen den Messwerten und dem Kalibrierwert, Rauheitseinfluss wahrscheinlich

Als Bezug wird die durchgeführte taktile Referenzmessung herangezogen. U ist hier bezüglich dieser Messmethode zu verstehen. Dieser Aspekt muss bei einer funktionsorientierten Tolerierung kritisch diskutiert werden. Der rauheitsbedingte Anteil der Standardunsicherheit uw aus Werkstückstreuung wird hier wie folgt abgeschätzt:
Der mit dem Tastschnittgerät ermittelte Bereich der gemittelten Rautiefe Rz aller Proben beträgt 50 µm - 210 µm. Bei der CT-Messung in Bereichen mit Rz = 50 µm - 140 µm an einer repräsentativen Probe ergab sich eine rauheitsbedingte Verschiebung der Oberfläche von 100 µm. Werden diese Werte und eine Rechteckverteilung der durch Rauheit erzeugten Messabweichungen angenommen, ergibt sich uw ~ 50 µm. Dieser Wert ist als spezifisch für die untersuchten Proben anzusetzen, da der Einfluss der Rauheit bei der CT-Messung von der Struktur der zu untersuchenden Oberfläche und den Messbedingungen abhängen.
Bei der Bestimmung der Standardunsicherheit up der Wiederholungsmessungen muss darauf geachtet werden, dass das untersuchte Bauteil bezüglich der Rauheit repräsentativ ist. In up fließt die Unsicherheit in der Bestimmung des Maßstabsfaktors und des Schwellwerts ein.

5. Zusammenfassung

Das gemessene Werkstück selbst stellt einen bedeutenden Einflussfaktor auf dimensionelle Messungen mit CT dar. Mit der hier vorgestellten Methode konnte der Rauheitseinfluss bei CT-Messungen von Aluminium-Gussteilen erstmals separat analysiert werden. Die Größenordnung der Effekte ist bedeutend für die Gesamtmessunsicherheit der untersuchten Messaufgaben. Die Bestimmung des Oberflächeneinflusses bei CT-Messungen von Werkstücken ermöglicht u.U. eine Korrektur der Messabweichungen und kann so die Gesamtmessunsicherheit verringern. Dieses wird Gegenstand weiterer Arbeiten sein. Für den häufiger auftretenden Fall, dass Messabweichungen durch Werkstückrauheit nicht korrigiert werden, können die hier ermittelten Messabweichungen und die entwickelte Methodik zur Bestimmung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit gemäß DIN 32881-3 bzw. ISO/DTS 15530-3 und damit zur Feststellung der Prüfprozesseignung nach VDI/VDE 2617-8 [10] dienen.

Danksagung

Die Autoren danken Herrn N. Gerwien und Herrn A. Dettmer (PTB) für die taktilen Probenmessungen und Frau M. Herbsleb und Herrn S. Meyer (Rautenbach Aluminium Technologie) für die Durchführung der CT-Messungen.

6. Literatur

  1. Mnich, F.: Einsatz der Computertomographie in der modernen Gießereitechnik. Automotive Engineering Partner 2/2000, S. 62-65
  2. Bartscher, M., Fiedler, D., Saewert, H.-C., Wäldele, F.: Dimensionelle Messabweichungen eines industriellen 2D-Computertomographen: Einfluss der Werkstückgeometrie, VDI/VDE GMA Tagung "Sensoren und Messsysteme 2004", März 2004, VDI-Berichte 1829, S. 583-593
  3. Saewert, H.-C., Fiedler, D., Bartscher, M., Wäldele, F.: Obtaining dimensional information by industrial CT-scanning - present and prospective process chain, Int. Symposium on Computed Tomography and Image Processing, Berlin, June 2003, DGZfP-Proc. BB 84-CD, p.163 ff.
  4. Bartscher, M., Fiedler, D., Saewert, H.-C., Wäldele, F.: Verbesserte Prozesskette für CT-Untersuchungen im Bereich des dimensionellen Messens, Fraunhofer Arbeitskreis "Industrielle Röntgenprüfverfahren" des Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IZFP und des Fraunhofer IIS, Berlin, 02. Juli 2003
  5. DIN EN ISO 4287: Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren; Benennung, Definitionen und Kenngrößen der Oberflächenbeschaffenheit 04/1998
  6. DIN EN ISO 4287: Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren; Regeln und Verfahren für die Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit 10/1997
  7. Lüdicke, F., Wöger, W.: Einfluß der geometrischen Feingestalt auf die Maßbestimmung an technischen Maßverkörperungen. PTB Jahresbericht 1998, S. 243-244
  8. Bosse, H.: Aspekte der Filterung in der Formmesstechnik. PTB-Bericht 1994, ISBN 3-89429-452-3, S. 21 ff.
  9. DIN 32881 Blatt 3: Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Verfahren zur Bestimmung der Messunsicherheit von Koordinatenmessgeräten (KMG): Unsicherheitsermittlung mit kalibrierten Werkstücken (ISO/DTS 15530-3:2000), Entwurf 12/2000
  10. VDI/VDE 2617 Blatt 8: Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten - Kenngrößen und deren Prüfung, Prüfprozesseignung von Messungen mit Koordinatenmessgeräten, Entwurf Mai 2004 (Gründruck)

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