InlineCT

Autoren: Dr. Ingo Stuke, Ahrensburg und Dr. Oliver Brunke, beide GE Sensing & Inspection Technologies, Wunstorf

Der Begriff InlineCT umfasst die Methoden der schnellen Computertomografie für die Massenproduktion.

Im industriellen Fertigungsprozess werden zerstörungsfreie Inspektionsmethoden so früh wie möglich in der Wertschöpfungskette eingesetzt, um die Kosten und den Nachbearbeitungsaufwand zu minimieren. Schnelle und mit automatischer Defektanalysesoftware ausgestattete radioskopische 2D-inline-Inspektionssysteme sind mittlerweile Stand der Technik – insbesondere auch für die Gussteilinspektion.

Mit einer schnellen CT-Technologie auf Basis weiter entwickelter medizinischer Tomografen wird zukünftig auch bei hohen Durchsatzanforderungen eine hundertprozentige 3D-Prüfung in den verschiedensten industriellen Anwendungsgebieten ermöglicht. Insbesondere eignet sich dieses CT-Verfahren für komplexe Bauteile aus Leichtmetallguss, wie z. B. Zylinderköpfe, wobei innere Strukturen und Wandstärken zerstörungsfrei und fertigungsnah geprüft werden können.

Die industrielle Prozessüberwachung mit volumetrischen Daten (s. Voxel) und dreidimensionale Analyse hat mehrere Vorteile gegenüber der herkömmlichen radioskopischen 2D-Inspektion: Sie ermöglicht die Verringerung der Ausschussquote, indem nun auch die 3D-Position, Form und Größe der Defekte unter Berücksichtigung der weiteren Bearbeitungsschritte analysiert wird. So können erkannte Anomalien in Relation zu den endgültigen, bearbeiteten Bereichen und Oberflächen analysiert werden. Fehler in Werkstückbereichen, die in späteren Bearbeitungsschritten entfernt werden, können ignoriert werden. Zusätzlich kann zur Ausschussvermeidung auch schon vor der Bearbeitung geprüft werden, ob entdeckte Porositäten (z. B. Gasporosität, Mikroporosität, Wasserstoffporosität) zur späteren Oberfläche hin offen sein werden. Zugleich kann die gescannte Werkstückgeometrie mit den nominellen CAD-Daten auf Abweichungen hin überprüft werden. So können jegliche Form- und Größenabweichungen bereits in einem frühen Stadium des Produktionsprozesses identifiziert werden. Auch Einschlüsse mit höherer bzw. geringerer Dichte (z. B. Oxideinschlüsse, Schlackeneinschlüsse) oder verbliebene Sandkernreste (s. Sandeinschluss) können mit einer InlineCT erkannt, lokalisiert und hinsichtlich ihrer Dichte und Lage charakterisiert und klassifiziert werden.

Parallel zur seit Jahrzehnten eingesetzten medizinischen Computertomographie hat sich die industrielle CT in den vergangenen Jahren zu einer weit verbreiteten 3D-Inspektionsmethode in Wissenschaft und Industrie entwickelt. Während bei letzterer die Probe im Röntgenstrahl rotiert und dank einer flexiblen Vergrößerung extrem hohe Auflösungen von wenigen Mikrometern und selbst noch darunter erzielt werden können, rotiert bei der medizinischen Tomografie die CT-Gantry mit Generator, Röntgenröhre und gegenüberliegendem Detektor mit hoher Geschwindigkeit um den auf einem Fördertisch liegenden Patienten. Hierbei limitiert zwar die feste Vergrößerung die Ortsauflösung bei einigen Hundert Mikrometern, doch wo dies etwa bei größeren Leichtmetallgussteilen für die Fehleranalyse vollkommen ausreicht, können die Vorteile dieser Technik voll zum Tragen kommen: Während bisherige Ansätze für industrielle InlineCT auf automatische Be- und Entladevorrichtungen etwa mittels Roboterarmen sowie auf Flächendetektoren mit vergleichsweise langen Aufnahmezeiten und einem nur kleinem abbildbaren Bereich setzen, können die Werkstücke bei einem Gantry-Scanner ohne jeglichen Handlingaufwand einfach und kontinuierlich auf einem Förderband durch den Tomografen gefördert und mittels Helix-Multizeilentechnologie vergleichsweise extrem schnell gescannt werden. Zusätzlich erlaubt das Durchförderprinzip die Prüfung von Bauteilen in einem Mischbetrieb.
Hochleistungsscanner für optimierten Probendurchsatz

Grundlage des in Entwicklung befindlichen industriellen InlineCT Systems sind medizinische Tomografen von GE Healthcare, die von GE Sensing & Inspection Technologies mit entsprechenden Objektfördereinrichtungen und Fehlerauswertungssoftwaremodulen für den Einsatz in der schnellen industriellen Serienprüfung unter Dauerbetriebsbedingungen adaptiert wurden. Eine speziell entwickelte klimatisierte Kabine schirmt nicht nur die Umgebung von der Röntgenstrahlung ab, sondern schützt zugleich den in rauer Produktionsumgebung einsetzbaren Tomografen vor Staub und Hitze.

Die für die Gießereiindustrie typischen Durchsatzanforderungen reichen von 10 Sekunden für kleinere Kolben oder Fahrwerksteile bis zu 80-90 Sekunden für komplexe Motorkomponenten wie etwa Zylinderköpfe. Um diese Taktzeiten zu erfüllen, bedarf es einer vollautomatischen Prüfmethode einschließlich des kompletten Datenakquisitions- und Analyseprozesses. Der GE InlineCT-Scanner erlaubt eine typische Scan- und Inspektionsgeschwindigkeit von 5 bis 10 oder mehr Millimetern pro Sekunde und bietet somit – verglichen mit typischen industriellen CT-Systemen – einen sehr hohen Teiledurchsatz. Um die erforderliche Bildqualität bei kurzen Messzeiten zu gewährleisten, ist das System mit einer Hochleistungsröntgenröhre und einem flexiblen 16zeiligen Detektor ausgestattet, der einen effizienten Kompromiss zwischen Streustrahlung einerseits und Scan-Zeit insbesondere beim Scannen größerer Bauteile andererseits darstellt.

Zwar lässt sich die Scan-Zeit mit 64- oder mehr Zeilen Detektoren noch deutlich verkürzen, der Streustrahlungs-Anteil steigt jedoch mit zunehmender Anzahl von Bildzeilen und führt zu einer deutlichen Absenkung der Bildqualität und damit weniger präziseren Messergebnissen. Beim Scan von biologischen Körpern ist dies noch tolerierbar, doch gerade Leichtmetallteile erzeugen eine vielfach höhere Streustrahlung.

Die erforderliche Röntgenstrahlung wird mittels einer speziell gekühlten GE Drehanoden-Röntgenröhre erzeugt, welche die schnelle und vollständige Durchstrahlung des Bauteils bei bis zu 140 kV Röhrenspannung und mehreren kW Röhrenleistung gewährleistet. Die Röhren-Betriebsparameter sind den Anforderungen einer 3-Schicht-Fertigung im 24/7-Betrieb angepasst. Trotz der hohen Röhrenleistung arbeiten diese Röhren mit einem relativ kleinen Fokus und erlauben damit eine große Bildschärfe. Um einen schnellen und kontinuierlichen Vorschub der zu prüfenden Bauteile zu gewährleisten, erfolgt die Datenaufnahme mittels Helix-Scan. Hierbei rotiert der Tomograf in einer Helix um den Prüfkörper. Bei relativ langsamer Fördergeschwindigkeit überlappen sich die einzelnen Windungen des Helix-Scans und es wird eine besonders hohe Bildqualität erzielt – allerdings zu Lasten der Durchsatzrate. Durch die Wahl der Helix-Steigung kann also ein für die jeweilige Anwendung optimierter Kompromiss zwischen Scangeschwindigkeit einerseits und Ergebnisqualität andererseits erzielt werden. Für Schnellscans kann eine Fördergeschwindigkeit von bis zu >30 mm/s realisiert werden.

Ausführungsbeispiel: Integration des CT-Scanners in die Fertigungslinie

Je nach Anwendungsgebiet sind verschiedene Arten der Beladung möglich: Bei der einfachsten und kostengünstigsten Variante werden die Werkstücke abseits der Fertigungslinie manuell über ein Förderband in den aus Strahlenschutzgründen hermetisch bleiummantelten Tomografen gefahren und nach dem Scan wieder heraus befördert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass Stichproben von bis zu 500 mm Durchmesser und bis zu >1000 mm Länge aus mehreren unterschiedlichen Fertigungslinien parallel und schnell gescannt werden können. Im Gegensatz zum Dauerbetrieb ist bei dieser Betriebsweise auch eine viel höhere Leistung von bis zu 53 kW möglich.

Das Teilehandling unterstützt eine Mischung aller Arten von Bauteilen und ist auch für die direkte Integration in eine Fertigungslinie konzipiert. Wie in Bild 3 dargestellt, werden hierbei die zu prüfenden Bauteile kontinuierlich auf Förderbändern oder Palettenförderanlagen durch den Tomografen gefahren. Automatische Schleusen sorgen dafür, dass während des Be- und Entladungsprozesses keine Strahlung nach außen dringt und gewährleisten damit einen sicheren und kontinuierlichen Prüfbetrieb.
Auswertung parallel zum Scanprozess

Hauptfaktoren für die Zykluszeit eines schnellen InlineCT-Systems sind neben einer effizienten Probenhandhabung und Datenerfassung auch ein parallel ablaufender, voll automatisierter 3D-Rekonstruktions- und Analyseprozess. Dieser beinhaltet beispielsweise eine automatische Strahlaufhärtungskorrektur. Am parallel zum Scanprozess rekonstruierten 3D-Volumen werden automatisch die für das jeweilige Werkstück programmierten Auswertungen vorgenommen. Für metrologische Anwendungen wird beispielsweise die Werkstückoberfläche einschließlich aller Hinterschnitte extrahiert; die 3D Messungen erfolgen dann über vorprogrammierte Messroutinen von Spezialprogrammen wie etwa Polyworks Inspector®. Automatische Porositätsanalysen in Gussteilen können mittels der neuen 3D-SABA Softwaregeneration von GE sowohl anhand 2D-Schnittscheiben als auch im 3D-Volumen vorgenommen werden.

Nachfolgend sind typische erreichbare Werte einer InlineCT- Anlage angeführt:

  • Ortsauflösung: Minimale Voxelgröße < 200 µm
  • 3D-Metrologie: Sigma bis zu < 2 µm, Absolutabweichung bis zu < 10 µm (damit sind Toleranzen bis zu 200 µm nach Bosch Heft 10 „fähig“ messbar)
  • Fehlererkennung: Lunker bis < 1mm
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