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Nutzen hoch automatisierter 3D-Computertomographie

Bauteilqualifizierung und Werkzeugkorrektur mit Zeit- und Kostenvorteil
Nutzen hoch automatisierter 3D-Computertomographie

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Neben der inzwischen weit verbreiteten Verwendung hochauflösender Computertomographen in der Qualitätsüberwachung stellt die Weiterentwicklung dieser Technik zu einem messenden Verfahren einen weiteren Entwicklungssprung dar. 3D-Metrologie mit CT ermöglicht die zerstörungsfreie Messung von Kunststoff- und Leichtmetall-Bauteilen, die bislang aufgrund ihres komplexen Aufbaus nicht mit den gängigen Methoden untersucht und gemessen werden konnten.

GE Sensing & Inspection Technologies, Wunstorf & F & G Hachtel, Aalen & Duwe-3d, Lindau

Der Artikel vermittelt einen Überblick über den aktuellen Stand von CT Technologie und 3D-Metrologiesoftware und beschreibt anhand von konkreten Beispielen aus dem Automotive-Sektor die sich aus weitgehend automatisierten CT Messroutinen ergebenden Zeit- und Kostenvorteile im Rahmen der Bauteilqualifizierung und Werkzeugkorrektur.
CT-Scan der kompletten Oberfläche
Die eigentliche physikalische Messung besteht bei der Computertomographie aus der Aufnahme einer Serie von 2D-Röntgen-Projektionsbildern. Hierzu wird das Prüfobjekt auf einem sehr genauen, Manipulationssystem positioniert und mit Hilfe einer Präzisions-Drehachse während der Messung einmal um 360° rotiert. Dabei wird in Winkelschritten eine Serie von 2D-Durchstrahlungsbildern aufgenommen. Vor allem die Schärfe der Röntgenbilder, die durch die Güte der Röntgenquelle und des Detektors wesentlich beeinflusst wird, sowie die Präzision und Stabilität der Manipulationseinrichtung, bestimmen die Qualität der Rohdaten und somit natürlich auch die Genauigkeit aller nachfolgenden Auswertungen am numerisch rekonstruierten 3D-Volumen. Es gilt also: Je besser das CT-Messsystem diesen ersten Schritt beherrscht, desto genauer lässt sich die Messaufgabe durchführen.
Neben einem stabilen, auf die jeweilige Anwendung angepassten Systemaufbau ist die Datenverarbeitung der Schlüssel für das erfolgreiche Messen mit Hilfe von Computertomographie. Mit der click & measure|CT Funktion der phoenix datos|x CT Software von GE Inspection Technologies kann die komplette Prozesskette voll automatisiert werden. Dies minimiert nicht nur die Bedienzeit, sondern auch den Einfluss des Anwenders auf die CT-Ergebnisse und führt damit zu einer noch größeren Wiederholbarkeit. Ist der Ablauf für ein Werkstück einmal programmiert, läuft der gesamte Scan- und Rekonstruktionsprozess einschließlich Volumenoptimierung und Oberflächenextraktion voll automatisiert. Dank automatischer Ansteuerung von 3D-Metrologiesoftware wie Polyworks von InnovMetric kann ein automatisch erzeugter Prüfbericht bereits nach weniger als einer Stunde vorliegen.
3D-Messungen am virtuellen Bauteil
Ein wesentlicher Vorteil von CT ist eine schnelle visuelle Kontrolle über Soll-/Ist Vergleiche. So kann im Rahmen der Erstbemusterung das komplette Teil in Bezug auf Einhaltung wichtiger Funktionsmaße und Formtreue einfach und zeitsparend analysiert werden. Damit ergeben sich in vielen Anwendungsfeldern bei vergleichbarer Präzision gegenüber der etablierten Koordinatenmesstechnik erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungspotentiale. Für die aus den CT-Daten erzeugten Polygonmodelle bietet PolyWorks hervorragende Auswertefunktionen. Dem Anwender steht zunächst vom schnellen Best-Fit über Ebene-Vektor-Punkt bis zu Referenzpunkten eine Reihe von Ausrichtmethoden zur Verfügung. Einfache und zugleich exakt parametrisierbare Funktionen zur Erzeugung von Merkmalen aus Polygonmodellen machen die Softwarelösung zu einem anwenderfreundlichen und effizienten Werkzeug. Neben Vergleichen zwischen Soll-und Ist-Geometrien sind auch eine Vielzahl von Form-und Lagetoleranzuntersuchungen möglich. Für eine flächenhafte Darstellung der Abweichung des Polygonmodells zur CAD-Referenz kann der Anwender zwischen diversen Vergleichsmethoden und Farbskalen wählen. Oberflächenvergleiche lassen sich zum Beispiel als Falschfarbenbild direkt auf dem Polygonmodell und/oder CAD ausgeben um Abweichungen auf einen Blick darzustellen. Für eine detaillierte Analyse ermöglichen Vergleichspunkte dem Nutzer eine exakte und wiederholbare Abweichungsanzeige zu definierten Soll-Punkten auf dem CAD. Die Auswertefunktionen werden durch vielseitig einsetzbare Messwerkzeuge wie Schnitte, 2D- und 3D-Messschieber, Profillehren und Spalt-und Bündigkeitsmessungen ergänzt.
In Verbindung mit modernen CT-Systemen ist die Softwarelösung auch produktionsbegleitend einsetzbar. Automatisierte Abläufe werden durch eine parametrische Serienmessungsfunktion mit statistischer Auswertung sowie durch Makros stark vereinfacht. Durch die neue automatische Projektaktualisierung wird übrigens jeder geänderte Parameter sofort auf Ausrichtungen, Vergleiche, Messwerkzeuge und Reports angewandt. Jede Messung ist somit nachvollziehbar, parametrisierbar und wiederholbar. Somit lassen sich für den Anwender erhebliche Zeit-und Kosteneinsparungen realisieren.
Effizienter CT-Einsatz
Die Firma F. & G. Hachtel GmbH & Co. KG profitiert bereits seit 2008 von der Nutzung eines industriellen Computertomographen von GE. Das Unternehmen verfügt über jahrzehntelange Erfahrungen im Engineering, Werkzeug- und Formenbau und Spritzgießen. Computertomographie nutzt Hachtel zur Qualifizierung von Kunststoffbauteile und zur Werkzeugkorrektur und bietet dies auch als Dienstleistung an. Die folgenden zwei Praxisbeispiele veranschaulichen, wie der Einsatz von CT im Unternehmen direkt zu deutlich spürbaren Produktivitätssteigerungen führt.
Komplexe Kunststoffbauteile werden oft mittels Form- und Lagetoleranzen in Verbindung mit einer RPS-Ausrichtung beurteilt. Gerade bei Kunststoffbauteilen, deren Gestalt durch Verzugseffekte aber oft von der idealen CAD Vorgabe abweicht, führt diese Vorgehensweise häufig zu Fehlinterpretationen und zu falschen Schlüssen für die Werkzeugkorrektur. Minimale Abweichungen an den laut Zeichnung vorgeschriebenen Ausrichtflächen führen in der Auswertung zu deutlich überschrittenen Form- und Lagetoleranzen. Dies legt den Schluss nahe, dass massive Formabweichungen die Funktion des Bauteils gefährden. Dem widersprach jedoch die gute Verbaubarkeit der vorgestellten Muster ebenso wie die positiv verlaufenen Funktionstests. Eine simulierte geänderte Ausrichtung zeigte auch, dass die Formtreue des Bauteils insgesamt sehr gut ist. Die klassische Koordinatenmesstechnik liefert hier im Unterschied zur CT nur Messwerte in tabellarischer Form. Damit ist eine richtige Interpretation der Formtreue des Bauteils allerdings kaum möglich. Mittels CT kann im Unterschied zur Laserscantechnik immer eine komplette Beschreibung der Geometrie erzeugt werden, daher können verschiedene Ausrichtphilosophien untersucht werden. Im vorliegenden Beispiel konnte eine aufwendige und sinnlose Werkzeugkorrektur in der Größenordnung von 6.000.- Euro verhindert werden. Für die Untersuchung und Qualifizierung des Bauteils wurde ein Zeitaufwand von 4 Stunden mit 750.- Euro Kosten benötigt. Der Soll-Ist-Vergleich der Bauteils Gewindering verdeutlicht eine gute Übereinstimmung des Bauteils im Gewindebereich. Es zeigen sich aber erhebliche Abweichungen zur CAD-Geometrie am äußeren Rand des Bauteils. Dieser Verzug führt zu Problemen der Montage, daher war eine Werkzeugkorrektur hier unerlässlich. Anstatt schwierig zu interpretierenden Einzelmesswerten als Ergebnis der klassischen Koordinatenmesstechnik, liefert die CT-Analyse dem Konstrukteur unmittelbar die Hinweise und Vorhaltemaße, die zur Korrektur des Formeinsatzes benötigt wurden. Nach insgesamt 4 Stunden lag die korrigierte Werkzeugkonstruktion bereits vor. Eine erneute CT-Untersuchung nach der Korrektur der Gießform bestätigte den Erfolg der Korrekturmaßnahme nach nur einer Rekursionsschleife.
Diese Beispiele zeigen das Potential der Computertomographie bei der Qualifizierung von Kunststoffbauteilen. Der begehbare Computertomograph vom Typ phoenix v|tome|x L von GE Inspection Technologies am Firmensitz des Unternehmens in Aalen erlaubt die Analyse auch von größeren Bauteilen von bis zu 400x1200mm, ebenso wie die Untersuchung von Leichtmetalldruckgußbauteilen. Das Unternehmen bietet als Dienstleister die Untersuchung und Qualifizierung von Bauteilen und Baugruppen in Verbindung mit der 3D-Metrologie und der zerstörungsfreien Bauteilprüfung an.

Infoblock:
Die Firma F. & G. Hachtel GmbH & Co. KG ist ein mittelständisches Unternehmen der Kunststoffverarbeitung. Am Firmensitz in Aalen befassen sich 40 Mitarbeiter mit allen Technologien des Spritzgießens und des Werkzeug- und Formenbaus. Als Vorreiter der industriellen CT-Nutzung bietet die Hachtel GmbH seit 2008 auch Dienstleistungen rund um die Qualifizierung von Bauteilen und Baugruppen mittels CT an.
Die Duwe-3d AG aus Lindau am Bodensee verfügt über langjährige Erfahrung in optischer Messtechnik und Datenauswertung. Als europäischer Partner und exklusiver Vertreter von InnovMetric Software Inc. in Deutschland, Österreich und der Schweiz ist das Unternehmen Ansprechpartner für alle deutschsprachigen Kunden in allen Fragen bezüglich Vertrieb, Schulung und Support zur 3D-Metrologie Software PolyWorks.
Der Geschäftsbereich phoenix|x-ray der GE Sensing & Inspection Technologies GmbH ist Hersteller von Systemen für die 2D-mikro- und nanofokus-Röntgeninspektion sowie für 3D-Metrologie, Fehler- und Strukturanalyse mittels hochauflösender industrieller Computertomographie (mikro- und nanoCT). Am Sitz in Wunstorf bei Hannover befinden sich Forschung und Entwicklung sowie Produktion und Vertrieb. Weitere Dienstleistungszentren befinden sich in Stuttgart und München.
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