Hochauflösende Computertomografie eines 3D-gedruckten Kunststoff-Laufrads durch das System FF35 CT Metrology mit anschließendem Ist-Soll-Vergleich zum CAD-Modell liefert klare Einblicke in die inneren Strukturen und zuverlässige Qualitätsergebnisse. Dies konnte innerhalb kurzer Zeit von 2:18 Minuten und mithilfe eines automatisierten Auswertealgorithmus erreicht werden.

CAD-Modell (links) – Foto des Kunststoff-Laufrads (Mitte) – Soll-Ist-Vergleich (rechts)

Tiefgehende Analyse innerer Strukturen

Was leisten die universellen UX20-Röntgensysteme mit der neuen MesoFocus-Röhre?
Wir haben ein Testprojekt mit demselben 3D-gedruckten Laufrad aus Aluminium gestartet.

Röntgentechnologie bietet konkrete Einblicke in das Innere von Objekten, und die Computertomografie liefert dreidimensionale virtuelle Zwillinge der gescannten Prüflinge, die detaillierte Inspektionen und Messungen an jedem beliebigen Punkt ihrer inneren Strukturen ermöglichen. Früher wurde die industrielle Röntgentechnologie hauptsächlich eingesetzt, um Defekte im Inneren von Bauteilen zu erkennen und so die Produktqualität sicherzustellen. Die heutige Computertomografie ermöglicht detaillierte Materialanalysen, die sowohl die Produktion als auch Forschung und Entwicklung unterstützen. Sie bietet Lösungen für nahezu alle Prüfungsanforderungen dank des umfangreichen Marktes an verfügbaren Komponenten und Merkmalen: moderne Röntgenröhren bis zu 600 kV mit verschiedenen Brennfleckgrößen; hochauflösende Flachdetektoren für Kegelstrahlscans und Zeilendetektoren für Fächerstrahlscans; zahlreiche Manipulationsachsen für eine optimale Durchleuchtung; verschiedene Sichtfeld-Erweiterungen für größere Objekte; Bildverbesserungssoftware zur Reduzierung von CT-Artefakten. Modernste Technologie sowohl auf mechanischer als auch auf Softwareseite gewährleistet zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse selbst im Nanometerbereich.

Analysen und Messungen der inneren Strukturen eines Objekts sind besonders im Kontext neuer additiver Herstellungsverfahren sehr wichtig geworden. Mit dem 3D-Druck lassen sich Geometrien realisieren, die mit keiner anderen Fertigungstechnologie möglich sind. Ursprünglich in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie eingesetzt, um Material, Gewicht und somit Kraftstoff zu sparen, ist die Strukturvielfalt heute nahezu oder noch relevanter. Um die Qualität und Sicherheit dieser Strukturen zu prüfen, ist es notwendig, in sie hineinzusehen, idealerweise zerstörungsfrei. Dasselbe gilt für die Bewertung von Herstellungsverfahren. Hier gehen AM und CT von der Forschung über die Entwicklung bis hin zur Produktion Hand in Hand. Neben der Fehleranalyse bilden detaillierte Messaufgaben die Grundlage zur Überprüfung von Stabilität und Funktionalität.

Unabhängig von der Technologie gelten für jedes Metrologiesystem höchste Präzisionsstandards. Die Systeme FF20 CT Metrology und FF35 CT Metrology sind auf optimale Stabilität und Temperaturistanz ausgelegt, um möglichst genaue und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Sie entsprechen der VDI/VDE-Richtlinie 2630 „Anwendung von DIN EN ISO 10360 für Koordinatenmessgeräte mit CT-Sensoren“. Das in diesem Projekt verwendete System FF35 CT Metrology weist eine maximal zulässige Abweichung von MPE_{SD} = 5,9 µm + L/75 auf. Wir wollten wissen, wie sich unser universelles Röntgen- und CT-System UX20 bei Messaufgaben im Vergleich zur FF35 CT Metrology schlägt. UX20 ist primär für den produktionsnahen Einsatz in rauen Umgebungen konzipiert, bietet jedoch durch sein kompaktes Design und die benutzerfreundliche Bediensoftware Geminy viele Vorteile für Laboranwendungen im mittleren

In Schritt zwei wurde dasselbe Laufrad zehnmal gescannt, jeweils mit denselben Einstellungen in der UX20, die mit der neuen Comet MesoFocus 225-kV-Röhre ausgestattet ist. Diese bietet mit ihren drei Fokusgrößen von 50 µm, 100 µm und 200 µm eine Auflösung bis zu 25 µm. Der optimale Fokus für das Laufrad betrug 100 µm. Jedes 3D-Volumen wurde dann mithilfe eines bewährten Algorithmus mit dem Golden Surface Mesh verglichen. Um das bestmögliche Ergebnis zu ermitteln, erfolgten die Vergleiche geometriebasiert und gewichtet. Das hellgrüne Volumen zeigt den sogenannten „Best Fit“.

Im dritten Schritt wurden 15 Regionen von Interesse (ROI) mit einer jeweiligen Fläche von 5 x 5 mm definiert, in denen Wandstärkenmessungen durchgeführt wurden. Dabei wurden jeweils die kleinste und größte Wandstärke pro Bereich ermittelt, die jeweiligen Ergebnisse gemittelt und mit dem Referenz-Oberflächennetz (Golden Surface Mesh) abgeglichen.

Das folgende Diagramm wurde generiert, in das die Messkurve des Golden Surface Mesh der FF35 CT als Referenz eingeblendet wurde. Die geringen Abweichungen bewegten sich exakt im erwarteten Rahmen.

Zur Verifizierung wurden drei weitere Scans mit dem Zeilendetektor im CT-System FF85 durchgeführt. Die schichtweisen Scans mit einem Zeilendetektor erzeugen minimale Artefakte und gelten daher bei Messungen als zuverlässiger. Ein kompletter Scan für ein 3D-Volumen ist jedoch wesentlich zeitaufwendiger. Wenn es jedoch darum geht, nur bestimmte Regions of Interest zu erfassen, ist das Scannen einer Ein-Pixel-Schicht die schnellste Alternative.

[Analysesoftware VGSTUDIOMAX 3.5]

Porositätsanalyse

Rauheitsanalyse

[Analysesoftware MountainsMap]

GD&T (Geometrische Dimensionierung und Tolerierung)

Soll-Ist-Vergleich

In diesem Soll-Ist-Vergleich werden die 3D-Volumina der FF35 CT und der UX20
überlagert, wodurch das erwartete abweichungsfreie Ergebnis erzielt wird.

Dieses Projekt gibt einen guten Einblick in die Herausforderung, additiv gefertigte Bauteile zu messen, und veranschaulicht die vielfältigen Möglichkeiten, die Anwendern unserer Röntgentechnologie zur Verfügung stehen. Form- und Lageauswertungen, Poren- und Lunkeranalysen, die Bestimmung der Oberflächenrauheit, Delaminations- und Röntgenanalysen sowie die Prüfung auf Pulverreste gehören zu den relevanten Prüfroutinen.

Schwer oder gar nicht zugängliche Bereiche, die andernfalls mit herkömmlichen Messgeräten wie einer taktilen Koordinatenmessmaschine oder optischen 3D-Scannern gemessen würden, lassen sich mit der Röntgen-CT zeitsparend erfassen, wodurch typische Antastfehler vermieden werden. Eine Vorbehandlung der Bauteile oder eine komplexe Positionierung ist nicht erforderlich.

Die Referenzmessung mit unserem präzisen FF35 CT Metrologiesystem und der Vergleich mit unserem universellen UX20 Röntgen- und CT-System haben gezeigt, dass sich das UX20 je nach Kundenspezifikation hervorragend für Metrologieaufgaben eignet. Obwohl das UX20 primär für die Durchleuchtungsprüfung in rauen Produktionsumgebungen entwickelt wurde, verfügt es über herausragende CT-Fähigkeiten und kann Messtrufgaben zuverlässig ausführen, was das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten weiter vergrössert.

von Christian Johanns und Christopher Zepp