Koordinatenmesstechnik als Schlüssel- technologie der - PTB

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PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4 Themenschwerpunkt • 399 3 Anwendungen als Prüftechnik Durch die Fähigkeit der CT, Dichteunterschiede im Prozentbereich bestimmen zu können, lassen sich mit der industriellen CT zerstörungsfrei qualitative Aussagen über Defektzustände technischer Bauteile machen [16]. Weitere Prüfanwendungen liegen z.B. in der Strukturanalyse von geologischen Proben (Sedimenten) oder Baustoffen (Bild 3). Bild 3: CT-Strukturanalyse einer Asphaltprobe zur Untersuchung der Geräuschdämmeigenschaften (Quelle: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) Durch verbesserte Anlagentechnik entwickelte sich die industrielle CT weiter in Richtung einer quantitativen Prüftechnik. So wird neben dem reinen Nachweis von Materialfehlern und Diskontinuitäten wie Einschlüssen, Lunkern oder Ungänzen in Metallgussteilen heute auch gefordert, Aussagen über die Größe und die Verteilung von Fehlern zu machen (Bild 4) [17]. Bild 4: CT-Messung eines Zylinderkopfsegments (Aluminiumguss). Industrielle Prüfaufgabe quantitative Lunker- erkennung (Lunkergröße farbkodiert) 4 Entwicklung in Richtung Messtechnik zur Geometriebestimmung Neben der automatisierten Lunkererkennung besteht durch geeignete Software die Möglichkeit einer automatisierten Wanddickenanalyse (Bild 5) [17]. Diese Verwendung der CT für Koordinatenmessungen kennzeichnet den Beginn des dimensionellen Messens mit CT. Eine neuere Entwicklung der industriellen CT ist die Verschmelzung der CT mit Technologien aus der Koordinatenmesstechnik, da dimensionelles Messen besondere Anforderungen an die CT‑Hardware und ‑Software stellt. Während im medizinischen Bereich die Rückführung auf die SI-Basiseinheit Länge bisher nur von untergeordneter Bedeutung ist, stellt die Rückführung eine Schlüsselanforderung an die CT zum dimen‑ sionellen Messen dar. Es werden deshalb bei aktuellen CT‑Anlagen Präzisionskinematiken, wie z.B. Präzisionsdrehtische, Luftlager und Linearführungen mit Führungsfehlerkompensation in der Kombination mit Hartgestein verwendet. Hartgestein wird hier wegen seiner Stabilität, zur Schwingungsdämpfung sowie teilweise zur Strahlungsabsorption eingesetzt. Kommerziell erhältliche industrielle CT‑Anlagen besitzen Vollschutzkabinen und eine Bauartzulassung nach Strahlenschutzverordnung DIN 54113. Eine aktuelle Entwicklung ist die Kombination der CT mit taktiler und/oder optischer Messtechnik zu einem Multisensor‑Koordinatenmessgerät (KMG). Diese integrierte CT‑Technik erlaubt völlig neue Einsatzmöglichkeiten, wie z.B. den Einsatz in der Reverse‑Engineering Technologie [18]. Hierdurch können Bauteile rekonstruiert werden, bei denen es erforderlich ist, fertigungsgeeignete Information direkt aus der Geometrie des Bauteils zu gewinnen. Ein wichtiger Datenverarbeitungsschritt beim dimensionellen Messen mit CT ist die Bestimmung der Bauteiloberfläche aus den Voxeldaten. Hierzu ist es notwendig, den Grauwertverlauf des Übergangs vom Material zum umgebenden Medium zu kennen und auf Grund dessen einen Schwellwert zu bestimmen. In den meisten Fällen werden heute noch mit Hilfe eines Schwellwerts aus den Voxeldaten Oberflä- Bild 5: CT-Messung des Zylinderkopfsegments aus Bild 4. Industrielle MessaufgabeWanddickenanalyse
400 • Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4 chen in Form von triangulierten Punktewolken (Polygonoberfläche) z.B. im STL‑Format (stereo lithography format) erzeugt. Nach Abschluss der Oberflächenextraktion ist es in der Regel erforderlich, die Anzahl der Dreiecke vor einer Weiterverarbeitung deutlich zu reduzieren. Dieser Prozessschritt ist derzeit noch sehr zeitaufwändig und mit einem Qualitätsverlust der erzeugten Oberflächen verbunden. Einen neuen Weg stellt die direkte Analyse von Form‑ und Lagetoleranzen auf Basis der Voxeldaten dar (Bild 6) [17]. Aber auch bei diesem Verfahren ist die Kenntnis korrekter Schwellwerte notwendig. Bisher ist es bei der industriellen CT üblich, einen globalen Schwellwert für den gesamten Voxeldatensatz zu verwenden. Lokal arbeitende Verfahren, die momentan in Entwicklung sind, können hier zu reduzierten Messabweichungen führen, da der Grauwertverlauf der Materialübergänge bei CT‑Messungen häufig über das Bauteil variiert. Die erzeugten Oberflächendaten werden als industrielle Hauptanwendung für weitere Auswertungen, wie Soll‑Ist‑Vergleiche zwischen CAD Soll‑Geometrien und der mit CT gemessenen Geometrie (Bild 7) benutzt. Vor dem Soll‑Ist Vergleich der STL‑Daten mit den CAD‑ oder Referenzdaten ist es notwendig, die beiden Datensätze zueinander auszurichten (zu registrieren), da sie in der Regel in unterschiedlichen Koordinatensystemen vorliegen. Die am häufig‑ sten verwendete Registrierungsart ist die Best- Fit‑Methode. Die Dreiecke des STL‑Datensatzes und die Oberfläche des Solldatensatzes werden so lange iterativ gegeneinander verschoben und Bild 6: Direktes dimensionelles Messen mit CT in den Voxeldaten (Zylinderkopfsegment aus Bild 4, gelbe Strukturen im Bild mit CT gemessene Referenzelemente) Bild 7: Soll-Ist Vergleich einer CT-Messung gegen Nominalgeometrie (CAD-Modell) verdreht, bis die Summe der Abweichungsquadrate minimal ist. Durch eine Einpassung mittels der Best-Fit-Methode werden alle Messpunkte hinsichtlich der Abweichung zu den CAD‑ oder Referenzdaten gleich gewichtet. Bei anderen Registrierungsarten, wie z.B. der Ausrichtung nach vorgegebenen Regelgeometrien, werden die Abweichungen in den zur Ausrichtung benutzten Bereichen minimiert. Dies kann dazu führen, dass die Abweichungen in anderen Bereichen größer werden als bei der Best‑Fit‑Methode. Der Vergleich der CT-Messung mit taktil gemessenen Referenzdaten (Bild 8) stellt eine wichtige Möglichkeit dar, die dimensionellen
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