Computertomographie zur Entwicklungsunterstützung

Computertomographie zur Entwicklungsunterstützung
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Bild 1: Funktionsweise eines Computertomographen (Quelle: Werth Messtechnik)
07.12.2014 | Computertomographie als Freigabeinstrument, zur Entwicklungsunterstützung und Prozessoptimierung. Mit Hilfe eines Computertomographen (CT) lassen sich 3 dimensionale digitale Modelle von Bauteilen erzeugen. Im digitalen Modell werden die unterschiedlichen Materialien des Bauteils mit unterschiedlichen Grauwerten dargestellt.

Dadurch ist man in der Lage die unterschiedlichen Materialien ein- und auszublenden. Des Weiteren kann das digitale Modell in beliebigen Ebenen geschnitten werden und anschließend sowohl im 2D Schnitt als auch in der geschnitten 3D Ansicht analysiert werden. Dies kann als Ersatz für aufwendiges manuelles Schleifen dienen. Mittels einer Analyse von Fremdmaterial innerhalb des Bauteils kann die Verteilung von Poren und Lunkern visualisiert werden. Dies ermöglicht eine gezielte Prozessoptimierung von Spritz- und Druckgussprozessen. Aus dem digitalen Modell lässt sich die Oberfläche des Bauteils bestimmen. An der Oberflächenkontur kann das Bauteil vermessen werden. Durch das digitale Schneiden der Oberflächenkontur erhält man Konturen, die ähnlich zu denen bei optischen Vermessungen im Schliff sind. Ein Vorteil bei der Vermessung mittels CT ist, dass die Messprogramme zum Gewinnen der Maße einfach wiederverwendet werden können. Dies ist besonders nützlich bei hochnestrigen Werkzeugen. Eine weitere Auswertemöglichkeit ist der direkte Abgleich der tatsächlichen Oberflächenkontur mit den Daten des CAD Modells. Hier werden die Abweichungen farbkodiert angezeigt und es lassen sich gut Einfallstellen und Bauteilverzug erkennen.   

 


Produktspektrum der HARTING Technologiegruppe
Das Produktspektrum der HARTING Technologiegruppe reicht von Industriesteckverbindern für die die Energie- und Datenübertragung über aktive Netzwerkkomponenten und RFID Komplettsystemlösungen bis zu Elektroniksteckverbindern und angepassten Backplane-basierten Lösungen.  Außerdem produziert HARTING elektro-magnetische Komponenten und entwickelt, designt und produziert 3 dimensionale Leiterbahnstrukturen aus einer Hand mittels MID Technologie.
Dieses breite Produktspektrum musste bei der Auswahl des geeigneten Tomographen berücksichtigt werden. Zum einen muss der Tomograph in der Lage sein die relativen großen Han Steckverbinder aus Aluminium zu durchstrahlen, zum anderen muss er die filigranen har-flex Steckverbinder exakt erfassen und bei den vergossenen elektromagnetischen Komponenten für die Automotive Branche die Vergussmasse gut auflösen.

 


Funktionsweise eines Computertomographen
Bei der Computertomographie handelt es sich um ein röntgenbasiertes Verfahren bei dem das Prüfobjekt aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen wird. Hierzu wird das Prüfobjekt zwischen Röntgenquelle und Detektor auf einem Drehtisch positioniert (Bild 1).

Die von der Röntgenquelle ausgehende Röntgenstrahlung wird vom Prüfobjekt teilweise absorbiert und dadurch abgeschwächt. Die Stärke der Abschwächung hängt vom durchstrahlten Material und von der Durchstrahlungslänge ab. Die abgeschwächte Strahlung wird von dem Röntgendetektor nachgewiesen. Dies ergibt das Durchstrahlungsbild des Prüfobjektes aus einer Perspektive. Anschließend wird das Prüfobjekt gedreht und es wird ein weiteres Durchstrahlungsbild aufgenommen. Auf diese Weise wird das Bauteil einmal vollständig gedreht, wobei die Anzahl der Durchstrahlungsbilder je nach gewünschter Genauigkeit eingestellt werden kann.


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Bild 2: Han 3A Hybrid Bild 3: Schliffe durch den Han 3A Hybrid

Das 3 dimensionale digitale Modell
Nach dem CT-Scan wird aus den einzelnen Durchstrahlungsbildern ein digitales Modell des Prüfobjektes berechnet. Im digitalen Modell ist die Abhängigkeit von der Durchstrahlungslänge eliminiert und die unterschiedlichen Materialien des Prüfobjektes sind in unterschiedlichen Grauwerten dargestellt.
Die Genauigkeit des Modells ergibt sich zum einen aus der Pixelanzahl des Detektors und zum anderen aus der Stärke der Vergrößerung des Bauteils. Dadurch, dass das Bauteil zwischen Röntgenquelle und Detektor platziert ist (Bild 1), wird dieses umso stärker vergrößert, je dichter es sich an der Röntgenquelle befindet. Durch diese Vergrößerung ergibt sich die Größe eines Pixels des digitalen Modells. Durch Unterpixelinterpolation lässt sich die Genauigkeit des Modells noch erhöhen. Für das 3 dimensionale Modell spricht man von Voxeln anstelle von Pixeln.

 


Bestimmung der Oberflächenkontur
Das 3 dimensionale Modell enthält für jeden Voxel einen Grauwert, der abhängt vom Material des Voxels. Bei einem Prüfobjekt, das nur aus einem Material besteht, ergibt sich damit ein Grauwert (z.B. 1) überall, wo das Prüfobjekt ist und ein anderer Grauwert (z.B. 0) dort, wo sich Luft befindet. Aus diesem übergang zwischen Luft und Prüfobjekt lässt sich dann die Oberfläche des Prüfobjektes bestimmen.

 


Analyse von Bauteilen
Die Analyse von Bauteilen erfolgt am digitalen Modell des Prüfobjektes. Hier können unterschiedliche Materialien ein- und ausgeblendet werden und es können digitale Schnitte in beliebigen Ebenen durchgeführt werden. Das Modell kann man sich sowohl in 3D anschauen, als auch in einem 2D Schnitt.

 


Beispiel: übersteckung des Han 3A Hybrid
Bei dem Han 3A Hybrid handelt es sich um einen industrietauglichen RJ 45 Ethernet-Datensteckverbinder mit Powerkontakten für hybride Applikationen (Bild 2).

Im Rahmen der Freigabeprüfung wird eine ausreichende übersteckung der Kontakte kontrolliert, um die Zuverlässigkeit der Verbindung zu gewährleisten. Klassisch werden hierfür Schliffe gemacht. Zum einen muss ein Schliff zur Kontrolle der übersteckung der Powerkontakte durchgeführt werden (Bild 3a). Außerdem muss die Auslenkung des RJ 45 Steckers in den verschiedenen Ebenen der Feder des RJ 45 Steckers kontrolliert werden (Bild 3b).


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Bild 4: Schnitte durch das digitale Modell des Han 3A Hybrid Bild 5: Falschfarbenvergleich eines Han Gehäuses

Mit Hilfe des Computertomographen lässt sich dieses Verfahren deutlich vereinfachen. Der Steckverbinder wird im gesteckten Zustand eingescannt und ein digitales Modell des Verbinders wird erzeugt. Anschließend können Schliffe in beliebigen Ebenen durch das Modell gelegt werden. Bild 4a zeigt einen Schnitt durch das 3D Modell und Bild 4b die 2D Ansicht des gesteckten Steckverbinders in einer Schnittebene.

 


Porenanalyse
Lunker und Fehlstellen im Material weisen ein anderes Röntgenabsorbtionsverhalten auf, als das Vollmaterial. Deswegen kann eine CT-Analyse verwendet werden, um Lunker und Fehlstellen in Bauteilen zu finden. Diese können anschließend farbkodiert - entsprechend ihrer Größe - in dem digitalen Modell angezeigt werden. Eine Lunkeranalyse kann sowohl von Kunststoff als auch von Metallbauteilen durchgeführt werden.
HARTING hat diese Möglichkeit genutzt zur Optimierung von Prozessparametern in Hinblick auf die Größe, Anzahl und Verteilung von Lunkern.
 
 
Vermessung von Bauteilen
Aus dem digitalen Modell des Prüfobjektes lässt sich die Oberflächenkontur extrahieren. Diese kann für eine Vermessung des Bauteils verwendet werden. Durch die Kontur lassen sich Schnitte legen, so dass eine Vermessung im Schnitt analog zu einer konventionellen Vermessung möglich ist.
In dem Schnittbild können geometrische Elemente definiert werden und dadurch die Maße entsprechend der Zeichnung bestimmt werden. Die Definition der Maße erfolgt manuell über das Schreiben eines Messprogramms.
Es ergeben sich aber mehrere Vorteile im Vergleich zu einer konventionellen Vermessung. Bei einer konventionellen Vermessung müssen Schliffe aufwendig angefertigt werden und es ergibt sich die Gefahr von Verzug beim Schleifen des Prüfobjekts. Bei der CT-Vermessung lassen sich beliebig viele digitale Schliffe ohne Mehraufwand anfertigen. So ist es z.B. möglich, den vertikalen Verlauf eines Kammermaßes durch Schliffe in unterschiedlichen Höhen nachzuvollziehen. Hierzu muss lediglich das Messprogramm in einer Ebene definiert werden. Anschließend kann der Ort der Schliffebene mittels einer Schleife verschoben werden. Des Weiteren kann das Messprogramm, wenn es einmalig fertig gestellt wurde, durch einfaches Austauschen der Kontur, wiederverwendet werden. Dies ist besonders nützlich bei der Vermessung von Bauteilen mit mehreren Kavitäten. Es ermöglicht aber auch eine schnelle Vermessung zur Fertigungsüberwachung oder beim Betriebsmittelersatz von Werkzeugen.  

 


Kalibriergenauigkeit
Die Kalibriergenauigkeit des Computertomographen wird mittels eines Tasterwalds und eines Kugelkalottenwürfels bestimmt.
Zur Sicherstellung der Messgenauigkeit und der Vergleichbarkeit der optischen Messung mit der CT-Vermessung haben wir zusätzlich zur Kalibrierung des CTs mit den Kalibriernormalen  Untersuchungen an HARTING Bauteilen durchgeführt. Hierfür wurde zum Beispiel ein Kammermaß einer Messerleiste optisch und mit dem CT vermessen.
Die optische Vermessung ist durch Draufsicht erfolgt und wurde von unterschiedlichen Benutzern mehrfach durchgeführt um den Benutzereinfluss zu minimieren. Für die CT-Vermessung wurde das Bauteil mehrmals eingescannt. Die CT-Vermessung erfolgte anschließend in einer definierten Schnittebene.
 
Bei dem Vergleich der Messergebnisse müssen die unterschiedlichen Messstrategien berücksichtigt werden. Bei der optischen Messung durch Draufsicht wird das Minimalmaß der Kammerbreite ermittelt, da immer die entsprechende äußerste Kontur als Kante erscheint. Bei der CT-Messung wird das Maß genau in einer Schnittebene bestimmt. Diese kann frei definiert werden und auf diese Weise kann ebenfalls das Minimalmaß der Kammerbreite ermittelt werden. Dann stimmen das optische Messergebnis und das CT Messergebnisse gut überein.

 


Optimierter Ablauf von Vermessungen
Dadurch, dass einmal geschriebene Messprogramme, leicht wiederverwendet werden können, ergibt sich die Möglichkeit eines optimierten Messablaufes. Wenn das CAD Modell eines neuen Bauteils fertiggestellt ist, wird dieses zum einen dazu verwendet das entsprechende Werkzeug zu fertigen. Parallel dazu kann aber auf Basis dieses Modells bereits das Messprogramm erstellt werden an Hand einer Oberflächenkontur, die aus dem Modell bestimmt wurde. Wenn die ersten Muster aus dem Werkzeug fallen, werden diese eingescannt und die künstliche Oberflächenkontur auf Basis des CAD Modells wird durch die tatsächliche Oberflächenkontur des Muster ersetzt. Mit Hilfe des zuvor erstellten Messprogramms können dann automatisch die Maße gewonnen werden.
 

Falschfarbenvergleich
Zusätzlich zu der Vermessung einzelner Maße können auch die Abweichungen zwischen zwei Konturen im sogenannten Falschfarbenvergleich dargestellt werden. Bei diesem werden die Abweichungen zwischen den Konturen farblich gekennzeichnet.
Hierbei lässt sich einerseits eine tatsächliche Kontur mit einer CAD Kontur vergleichen. Dies ermöglicht einen guten Gesamteindruck eines Bauteils, der über den Vergleich von Maßen hinausgeht. So lässt sich zum Beispiel der Verzug eines Bauteils oder der Einfall einzelner Konturen gut erkennen.
Außerdem können auch zwei reale Konturen miteinander verglichen werden. Dadurch lässt sich der Zustand eines Werkzeugs gut überwachen oder einzelne Nester können miteinander verglichen werden. Bild 5 zeigt den Falschfarbenvergleich eines Han Gehäuses und eines Isolierkörpers.


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