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Industrielle Computertomographie

Die industrielle Computertomographie wurde in der Industrie zuerst in der zerstörungsfreien Material- und Bauteileprüfung im Bereich der Qualitätssicherung eingesetzt. Im Vordergrund für die industrielle Computertomographie stehen hier Testmethoden für das Prüfen der Bauteilqualität von Lunkern, Rissen und Poren in Werkstoffen und Bauteilen. Die Entwicklung der industriellen Computertomographie geht aktuell verstärkt auch in den Bereich dimensionelles Messen für die Produktsicherheit. Das umfasst die Analyse von geometrischen Daten komplexer Bauteile. Damit besteht die Option, Lage, Form und Maß mit CAD-Daten zu analysieren und eine Kontrolle von Zeichnungseinträgen oder Soll-Ist-Vergleiche durchzuführen.

Die industrielle Computertomographie - Marktpotential

Vorreiter bei den Einsätzen von Koordinatenmessgeräten durch industrielle Computertomographie ist die Medizintechnik, die Kunststoffspritzguss-Branche und die Industrie für Konsumgüter. Im Maschinenbau findet die industrielle Computertomographie genau wie in der Automotive große Anwendung. Der Siegeszug der industriellen Computertomographie steht immer noch am Anfang. Ein kontinuierlicher Anstieg des Marktpotentials wird immer noch verzeichnet. Durch neue Entwicklungen von Anwendungen werden die Preise attraktiver. 

Die industrielle Computertomographie macht es möglich, Werkstücke oder Bauteile mit vielen Prüfmerkmalen vollständig zu erfassen. Das geschieht in kürzester Zeit. Der Einsatzbereich reicht von weniger dichtem Material, wie Aluminium oder Kunststoffe, bis hin zu anderen Möglichkeiten der Anwendung. Durch die moderne Röntgentechnik können Stahlteile heute in Mikrometern haargenau auf ihre Produktqualität gemessen werden. Kombinationen aus Kunststoff und Metall sind ebenfalls typische Materialien für einen Einsatz der industriellen Computertomographie. Gerade in den Elektronikbau-Gruppen, der Medizintechnik (Bohrer, Implantate) und selbstverständlich nach wie vor Werkstücke aus Spritzguss kommt die industrielle Computertomographie zur Anwendung. 

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In wenigen Sekunden wird (unter anderem) die Rekonstruktion des Volumens von einem Werkstück durch leistungsstarke Rechner und durch die industrielle Computertomographie erreicht. In der Überwachung bei der Fertigung von Motoreinspritzdüsen im Automobilbau findet die industrielle Computertomographie eine sehr interessante Anwendung unter den Röntgeninspektions-Systemen, weil hier die Toleranzen der zu prüfenden Werkstücke im Mikrometer Level liegen. Auch bei Guss, wie Werkstücken aus Kunststoffspritzguss, ist die Messzeit wesentlich geringer. Das gilt auch für Mehrkomponentenbauteile.

Wirtschaftlichkeit - Verbrauch an Energie

Die meisten Fertigungsmaschinen verbrauchen mehr Energie als eine industrielle Computertomographie, weil die fließenden Ströme gering gehalten werden. Es hängt von der jeweiligen Anwendung ab, ob der Einsatz industrieller Computertomographie in einem eigenen Messraum erfolgen muss oder auch in der Fertigungsumgebung stattfinden kann. 

Die Erfindung des CT und seine Entwicklung bis hin zur industriellen Computertomographie

Als der Mathematiker Radon 1917 ein Rechenmodell in Österreich entwickelte, mit dem ein dreidimensionales Objekt (aus zahlreichen zweidimensionalen Projektionen dieses Modells) errechnet werden konnte, war der Weg zum CT noch weit. Eine Publikation des südafrikanische Physikers Allen M. Cormack war der nächste Schritt. In der Veröffentlichung beschrieb er, wie er ein Objekt um eine Röntgenröhre rotieren lässt und nach gewissen Abständen ein Bild anfertigt. 

Der Prototyp des heutigen CT wurde vom englischen Ingenieur Godfrey N. Hounsfield im Jahr 1962 entwickelt. Er erfand den ersten Experimental-Scanner, der mit Röntgenstrahlen arbeitet. Damals konnten nur anatomische Stoffe vermessen werden. 1968 gelang es, Bilder anatomischer Hirnscheiben herzustellen, die in grauer und weisser Schattierung abgebildet werden konnten. Allerdings dauerte eine Messung bis zu neun Stunden und die Rekonstrukion von Bildern über zwei Stunden. 

Im Jahr 1971 gelang die Entwicklung des CT

Der englische Ingenieur Hounsfield, damals 52 Jahre alt, erfand den ersten Computertomographen. Zu dieser Zeit arbeitete er bei der britischen Schallplattenfirma EMI. Bereits 1972 wurde durch diese Errungenschaft das Gehirn eines Menschen ohne Öffnung des Schädels sichtbar. 1973 ermöglichte die Computertomografie enorme klinische Fortschritte und in den Vereinigten Staaten (Mayo Klinik) wurde der erste Kopfscanner Amerikas aufgestellt. Ein Jahr später gelang es, den ersten Gesamtkörperscanner zu entwickeln. Auch die Röhre war schon in der Lage, kontinuierlich zu rotieren. Kurz darauf erschien in New York die erste Fachzeitschriftausgabe, die sich ausschließlich dem Thema CT widmete. 

1979 erhielten G. Hounsfield und A. Cormack den Medizin-Nobelpreis für ihre Erfindungen, Forschungen und Entwicklungen auf dem Gebiet der CT Röntgenmessung. Beide Pioniere des CT, die unabhängig voneinander arbeiteten, konnten diese höchste Auszeichnung für ihre technischen Erfindungen in Empfang nehmen.

Im Jahr 1987 folgte der Scanner mit kontinuierlich rotierender Röhre. Das wurde mithilfe von Schleifenringspannungskontakten möglich gemacht und diese erlaubten die dauerhafte Rotation von Detektor und Röntgenröhre.

3 D Computertomografie - dreidimensionale Messtechnik

Darüber hinaus stellt die heutige industrielle 3 D Computertomographie eine Messtechnik dar, die im inneren von Bauteilen die zerstörungsfreie Bestimmung von inneren dreidimensionalen Geometrien ermöglicht. 

In der industriellen Computertomographie unterteilen sich industrielle CT-Systeme anhand der Ausführungen von 

 

  • Röntgenröhre
  • Achsen- und Detektorgeometrie

in

  • Makro-CT für große Messobjekte 
  • Mikro-CT für kleine Messobjekte 
  • Submikro- bzw. Nano-CT für Mikromessobjekte ein. 

Alle Bauformen der Systeme von industrieller Computertomographie unterscheidet man nach ihrem Messverfahren:

  • Axiale Verfahren
  • Planare Verfahren 

Das axiale Verfahren ist eine 2D- und 3D-Prüftechnologie. Das Messobjekt rotiert um eine Achse, die senkrecht zur Richtung des Strahles steht. Die Einteilung bei axialen Verfahren:

  • 2D-CT 
  • 3D-CT 

Bei der 2D-CT wird das Messobjekt schichtweise mit einem Fächerstrahl durchstrahlt. Ein Zeilendetektor erfasst die Schwächung Röntgenstrahlung. Um alle Schichten aufzeichnen zu können, werden die Röntgenröhre als Fokus und der Detektor zum Messobjekt und parallel zur Drehachse verschoben und Fehlstellen entdeckt. 

Der Vorteil bei der 3D-CT zur 2D-CT sind die kurzen Messzeiten. Hier durchstrahlt ein Kegelstrahl das gesamte Bauteil und das Messobjekt oder den Detektor. Sie müssen nicht parallel zur Drehachse verschoben werden. 

Das planare Verfahren mit Flachdetektoren

Auch hier steht das Messobjekt senkrecht zur Strahlrichtung und Bewegungen werden in einer Ebene ausgeführt. Das planare Verfahren wird insbesondere zur Abbildung ebener Strukturen verwendet. Dazu gehört die Prüfung von bestückten elektronischen Flachbaugruppen. 

Die Schritte für das dimensionelle Messen mit Computertomografie

Im Vergleich zwischen dem dimensionellen Messen mit der Computertomografie und einem taktilen Koordinatenmessgerät zeigt sich der Unterschied darin, dass die dimensionelle Messung mit CT nur auf der Methode der Bildverarbeitung beruht. Die dimensionelle Messung beruht auf der Auswertung von Datensätzen. 

Für jeden Schritt, von der Röntgenaufnahme bis zur Auswertung der Bilder, müssen für die jeweiligen Messungen die optimalen Einstellungen gefunden werden, um Sicherheit zu gewährleisten. Das geschieht zum größten Teil durch die Erfahrungswerte des Betreibers der Anlage. 

Das kann die industrielle Computertomographie

– Komplette geometrische Erfassung 
– Messung der Werkstoffe und Bauteile ohne Spannmittel und nur in einer Messlage 
– Fehlerfreie Vorbereitung des Prüfobjekts
– Vollständig computergestützter Mess- und Auswertungsvorgang
– Messen von weichen Materialien wie Schaum oder Gummi
– Berührungslose Messungen von transparentem Materialien
– Zerstörungsfreie Sichtbarkeit von Lunkern, Bauteilfehlern und Einschlüssen
– Prüf- und Messbarkeit von Baugruppen im montierten Zustand
– Mangelnder Haftverbund wird erkannt 
– Visuelle, transparente Messergebnisse 
– Verkürzter Zeitaufwand 

Einsatzmöglichkeiten der Computertomographie

  • Dimensionskontrolle
  • SOLL-IST-Vergleich
  • Analysieren von
  • Fehlern, Lunkern und Wandstärkenschwankungen
  • Montageprüfung
  • Strukturprüfungen (Hybridbauteile)
  • Röntgenprüfung
  • Werkzeugkorrektur 
  • Elektronikbauteile-Prüfung
  • Reverse Engineering 
  • 3D-Fehleranalyse
  • 3D-Druck
  • Virtuelle Entwicklung von Produkten
  • Historische Kulturgüter und Artefakte

Die industrielle Computertomographie in der zerstörungsfreien Prüfung

Das Spektrum von Aufgaben des CT bei der zerstörungsfreien Materialprüfung ist breitgefächert. Neben der Möglichkeit, Fehler im Material wie Fremdkörper, Poren, Einschlüsse und Lunker sichtbar zu machen, gibt das CT eine Information über die Lage, Form oder Volumendefekte eines Prüflings ab. Auch die Trennung verschiedener Materialien oder Dichten macht eine quantitative Analyse möglich. 

Das Prüfen von metallischen und keramischen Schäumen ist ebenso durch die industrielle Computertomographie möglich, auch Kunststoff und offenporige oder geschlossen porige Werkstoffe. Die industrielle Computertomographie dient der Untersuchung der Zellstruktur, der Penetration bei eingebetteten Strukturen oder Sandwichstrukturen. Es analysiert die Porenverteilung und kann die Porengröße bewerten. 

Die industrielle Röntgenanalyse in der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) sorgt für die Verifizierung von einzelnen Maßen, prüft Bohrungen, Wandstärken, Winkel bei der Geometriekontrolle. Im Geometrievergleich prüft das CT globale Abweichungen, Schwund und Verzug und gibt eine Lage- und Formanalyse ab. Bei der Flächenrückführung wird es beim Rapid Prototyping und im Reverse Engineering eingesetzt. 

CT Dienstleistung für Firmen

Viele Firmen nutzen CT Dienstleister, weil oft die Auslastung für ein eigenes Gerät fehlt oder sie nehmen alternativ Offline-Stationen zum Auswerten der Daten bei Dienstleistern in Anspruch. Die Tendenz ist steigend bei Dienstleistern mit einem breiten Portfolio an taktilen und Multisensor-Koordinatenmessgeräten. Mit der industriellen Computertomographie sind auch Inline-Messungen möglich und werden in der Praxis bereits angewendet.

X-RAY Gampp ist seinen Kunden bei industrieller Computertomographie und anderen Leistungen rund um die ZfP behilflich. Durch professionelle Beratung finden Sie die optimale Messtechnik und erhalten alles aus einer Hand. Von der Durchführung der Röntgenmessung über die Analyse bis hin zur Beschaffung Ihrer eigenen Röntgengeräte für die zerstörungsfreie Prüfung.

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Die Detektion von innenliegenden Rissen, Poren oder Lunkern in den komplexen Geometrien gegossener Druckbehälter, Kurbelwellen oder Turbinenschaufeln stellt hohe Ansprüche an die zerstörungsfreie Gussteilradiographie. X-RAY Gampp und seine Partner verfügen über langjährige Erfahrung. Wir halten Ihre Werksnormen sowie alle gängigen deutschen und internationalen Normen streng ein.

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