Qualitätssicherung von Gussteilen mit Radioskopie, Computertomografie und CT-Metrologie

Auch bei größter Sorgfalt bleibt durch die komplexen Wechselwirkungen im Gießprozess ein hohes Risiko, dass äußerlich nicht erkennbare Gussfehler wie Porositäten, Poren- und Blasenbildung sowie Warmrisse, Maßänderungen und Einschlüsse entstehen. Durch Röntgenprüfung und Computertomografie mit YXLON Produkten können diese zuverlässig identifiziert und analysiert werden.


(Beispiel Untersuchung eines Kolbens mit Radioskopie und 3D-Computertomografie)

Darüber hinaus bietet die CT-Metrologie Möglichkeiten im Bereich der Messtechnik, die taktilen und optischen Messmethoden weit überlegen sind.

CT-Metrologie ist die Technologie des dimensionellen Messens mit Computertomografie. Je kompakter Bauteile gefertigt werden, desto wichtiger ist nicht nur eine genaue Fehleranalyse, sondern auch das präzise Bestimmen der äußeren und inneren Geometrien. Mit Hilfe der Computertomografie können diese Aufgaben erfolgreich gelöst werden, da sie auch dort Ergebnisse liefert, wo optische oder taktile Messmethoden an ihre Grenzen stoßen.

Im Gegensatz zu taktilen und optischen Messverfahren produziert die CT-Technologie Volumendaten, die sämtliche geometrische Informationen eines Prüfteils enthalten. Auf Basis dieser Daten kann eine große Bandbreite umfassender Analysen durchgeführt werden. Eine nahezu grenzenlose Anzahl von Referenzpunkten kann genutzt werden, um das komplette Teil zu messen sowie Kavitäten und Materialschnittstellen bei Baugruppen und Hybriden zu bestimmen. Lufteinschlüsse und Fremdmaterial können nicht nur gefunden, sondern genauestens lokalisiert werden. Lunker- und Porenanalysen bewerten das Prüfteil anhand von vorgegebenen Toleranzen. Wandstärken können präzise überprüft und im Vergleich zu den CAD-Daten bewertet werden. Darüber hinaus können auf Grundlage der CT-Daten sogar die Konstruktionsdaten korrigiert und das Endprodukt optimiert werden (Reverse Engineering).

Grundlage für die Metrologiefähigkeit eines Computertomografiesystems ist die Optimierung der Bildkette entsprechend der Anforderungen an die Messergebnisse. Nicht nur eine leistungsstarke Röntgenröhre und ein hochauflösender Detektor, die für optimale Detailerkennbarkeit sorgen, sind Vorbedingung für dimensionelles Messen mit CT. Vielmehr ist die besondere Stabilität des Brennflecks eine wichtige Bedingung für zuverlässige und reproduzierbare Messergebnisse. Dies kann nur durch eine konstante Umgebungstemperatur gewährleistet werden, also eine maximale Kompensierung der durch die Erzeugung von Röntgenstrahlung produzierten Wärme. Eine wassergekühlte Röntgenröhre wie aus der YXLON Feinfocus FXE-Serie hat sich hier erfolgreich bewährt.

Stabilität muss auch für die Manipulation des Prüfteils gewährleistet sein. Es muss präzise und wiederholbar im CT-System eingespannt werden können. Dies wird durch spezielle Teilehalter und hochpräzise Maßverkörperungen unterstützt. Da Granit träge auf Wärmeeinflüsse reagiert, bildet er die beste Basis für einen langzeitstabilen und präzisen Manipulator. Die Möglichkeit, den Fokus-Detektor-Abstand und den Fokus-Objekt-Abstand frei zu wählen, ermöglicht optimale, detailreiche Bildqualität. Ein automatischer Crash-Schutz sichert die Verfahrwege des Prüfteils über die Software ab, die wesentlich präziser arbeitet, als Anwender es manuell mit optischer Kontrolle könnten. All diese Anforderungen und Erfahrungswerte konnten erfolgreich in den YXLON FF20/35 CT-Systemen umgesetzt werden.

Nachdem das Prüfteil komplett gescannt worden ist, werden sowohl die Rekonstruktion mit der entsprechenden Rekonstruktionssoftware als auch die diversen Messaufgaben mit der gewählten Auswertesoftware unabhängig vom CT-System und unabhängig vom Prüfteil durchgeführt. Je nach Anforderung wird die Genauigkeit der Messungen mit Hilfe von geeichten Prüfkörpern überprüft und nachgewiesen. Die Wiederholgenauigkeit muss regelmäßig überprüft und dokumentiert werden. Die Rückführbarkeit und Genauigkeit des Systems wird anhand der Technischen Richtlinie VDI/VDE 2630 überprüft und dokumentiert. Ziele des Einsatzes dieser Technologie sind die zukunftssichere Qualitätssicherung, die Entwicklung und Überprüfung neuer Produkte mit komplexen inneren Strukturen und die Optimierung der Produktionsprozesse.

Anwendungsbeispiel Zylinderkopf aus Aluminiumdruckguss:

Mittels CT-Metrologie kann die Produktsicherheit und die Funktionalität eines komplexen Zylinderkopfes, der in unserem Falle bereits endbearbeitet ist, überprüft und sichergestellt werden.

Im Rahmen der Qualitätssicherung können zum Beispiel Lufteinschlüsse, Poren und Risse in Gussteilen mit der CT-Metrologie einfach und sicher entdeckt und bewertet werden. Lage und Form des Defekts werden genau dargestellt und die Dimensionen präzise gemessen. Anhand vorgegebener Toleranzwerte führt die Software eine Defektanalyse durch, die je nach Anforderung am 3D-Volumen als auch an 2D-Schnitten dargestellt werden kann. Bei Feststellung von Tendenzen werden die Resultate an die Produktion zurückgemeldet, um erforderliche Optimierungen vorzunehmen.


Bild 1: Verteilung der Ungänzen im Gussteil

Soll-Ist-Vergleiche werden mittels Computertomografie schnell und einfach durchgeführt, indem die CT-Daten direkt mit den CAD-Daten verglichen werden. Auch Ist-Ist-Vergleiche zur Überwachung des Fertigungsprozesses oder einzelner Chargen untereinander oder gegenüber einem abgemusterten Stand, können problemlos und ohne hohen Zeitaufwand abgeleitet werden. Abweichungen werden auf einen Blick erkannt und werden unter Berücksichtigung vorgegebener Toleranzen von der Software anhand von Farb- und Messskalen dargestellt und bewertet.


Bild 2: Farbliche Darstellung der Maßabweichungen

Genaue Messungen der Oberflächen stellen die Sicherheit und die Funktionsfähigkeit des Prüfteils sicher. Sind die Wandstärken entsprechend der Vorgaben ausreichend, Durchgänge frei, Zylinder passgenau und Schraubengewinde in den korrekten Maßen? CT-Metrologie stellt die Funktionalität der äußeren und inneren Strukturen direkt nach der Produktion zerstörungsfrei sicher.


Bild 3: Toleranzdarstellung ausgewählter Konturen

Mit CT-Metrologie kann auch die VDG P201/202 ‚erweiterte Porenanalyse‘ vom Verein Deutscher Gießereifachleute zuverlässig durchgeführt werden. Der Porositätsanteil besonders an kritischen Stellen wird analysiert, und es wird sichergestellt, dass ein definierter Wert nicht überschritten wird. Hohlräume können präzise ausgewertet und bewertet werden, um das Risiko von Bruchgefahr zu eliminieren.


Bild 4: Fehlerquantifizierung im 3D-Volumen (rechts) und im 2D-Schnitt des Fehlerbereichs (links)

YXLON International
ist der weltweit führende Anbieter von Röntgensystemen für industrielle Anwendungen. Ob manuell, halb- oder vollautomatisch betrieben, wir haben für nahezu jede Applikation die richtige Lösung. Qualität ist für uns oberstes Gebot: die Qualität unserer Prüfsysteme und damit die Qualität Ihrer Produkte. Durch unsere langjährige Erfahrung und Innovationsfreude konnten wir das Vertrauen zahlreicher Produzenten gewinnen. So kommen unsere Anlagen bei den großen Automobilherstellern genauso zum Einsatz wie bei namhaften Unternehmen in der Luft- und Raumfahrt. Weltweit tätige Gießereien sowie Reifenhersteller gehören genauso zu unseren Kunden wie Universitäten und Institute.

Mit der universellen Röntgenprüfkabine MU2000 haben wir bereits 1997 ein Standardsystem auf den internationalen Markt gebracht, das weltweit in Forschung, Entwicklung und Produktion im Einsatz ist. Seit August 2013 ist das MU2000 auch mit CT-Option verfügbar und aufrüstbar ist. Ein Metrologie-Paket ist in der Entwicklung.