Hochauflösende Computertomografie eines 3D-gedruckten Kunststoffrotors im YXLON FF35 CT Metrology System mit anschließendem Soll-Ist-Vergleich zum CAD-Modell liefert eindeutige Einblicke in die inneren Strukturen und zuverlässige Ergebnisse zur Qualität. Bei einer Scanzeit von 2:18 Minuten, erhielten wir durch einen automatisierten Auswertealgorithmus innerhalb kürzester Zeit ein aussagekräftiges Ergebnis.

CAD-Modell (links) - Kunststoffimpeller Foto (Mitte) - Soll-Ist-Vergleich (rechts)

Ausführliche Analyse der inneren Strukturen

Wie sieht es mit den Fähigkeiten des universellen UX20 Röntgensystems mit der neuen MesoFocus Röhre aus?
Wir starteten ein Test-Projekt mit demselben 3D-gedruckten Laufrad aus Aluminium.

Die Röntgentechnologie erlaubt konkrete Einblicke in das Innere von Objekten. Und nur die Computertomografie liefert dreidimensionale virtuelle Zwillinge der gescannten Objekte, die an jeder Stelle ihres Innern detailliert inspiziert und gemessen werden können. Während die industrielle Röntgentechnologie ursprünglich vorrangig dazu diente, Fehler im Innern eines Bauteils zu erkennen und somit die Produktqualität sicherzustellen, können mit der heutigen Computertomografie detaillierte Materialanalysen durchgeführt werden, die nicht nur die Produktion, sondern ebenso die Forschung und Entwicklung unterstützen. Moderne CT bietet mit ihrem breiten Angebot an Komponenten und Features Lösungen für nahezu jede Prüfanforderung: Röntgenquellen bis zu 600 kV mit unterschiedlichen Brennfleckgrößen, hochauflösende Flachdetektoren für Kegelstrahl-Scans und Zeilendetektoren für Fächerstrahl-Scans, zahlreiche Manipulationsachsen für optimale Durchstrahlung und diverse Messkreiserweiterungen sowie Bildverbesserungssoftware für die Reduktion von CT-Artefakten bieten Lösungen für jede Prüfanforderung. Der neueste Stand der Technik sowohl mechanisch als auch softwareseitig gewährleistet zuverlässige und wiederholbare Ergebnisse selbst im Nanometerbereich.

Analysen und Messungen der inneren Strukturen eines Objekts haben besonders im Rahmen der neuen additiven Fertigungsmethoden stark an Bedeutung gewonnen. Mit 3D-Druck können Geometrien geschaffen werden, die mit keiner anderen Fertigungstechnologie möglich sind. Ursprünglich im Aerospace- und Automobilbereich eingesetzt, um Material, Gewicht und damit Treibstoff einzusparen, ist die Strukturvielfalt heute von mindestens ebenso hoher Relevanz. Um die Qualität und Sicherheit dieser Strukturen zu überprüfen, muss man in sie hineinschauen. Dasselbe gilt für die Bewertung der Fertigungsmethoden. Hier gehen AM und CT von der Forschung über die Entwicklung bis zur Produktion Hand in Hand. Und zusätzlich zur Fehleranalyse sind detaillierte Messaufgaben die Basis für die Überprüfung von Stabilität und Funktionalität.

Unabhängig von der Technologie gilt für jedes Metrologiesystem der höchste Anspruch an die Präzision. Die Yxlon Systeme FF20 CT Metrology und FF35 CT Metrology sind für höchste Stabilität und Temperaturbeständigkeit konzipiert. Sie sind konform zur Richtlinie VDI/VDE 2630 ‚Computertomografie in der dimensionellen Messtechnik - Bestimmung der Messunsicherheit und der Prüfprozesseignung von Koordinatenmessgeräten mit CT-Sensoren‘, und das FF35 CT System, das in diesem Projekt zum Einsatz kam, weist eine Messunsicherheit    MPE_SD 5,9 µm + L/75 [L=mm] auf. Wie würde im Vergleich dazu das universelle Röntgen- und CT-System YXLON UX20 bei Messaufgaben abschneiden?

UX20 ist vorrangig für den fertigungsnahen Einsatz in rauer Umgebung konzipiert, bietet aber mit seinem kompakten Design und der anwenderfreundlichen Bediensoftware Geminy viele Vorzüge für Laboranwendungen im mittleren Preissegment.

In Schritt zwei wurde derselbe Impeller zehnmal mit jeweils denselben Einstellungen im UX20 gescannt, das mit der neuen Comet MesoFocus 225 kV Röhre ausgestattet war. Die MesoFocus ermöglicht mit ihren drei wählbaren Brennfleckgrößen von 50 µm, 130 µm und 200 µm eine Auflösung bis zu 25 µm. Die optimale Brennfleckgröße für den Impeller waren 130 µm. Jedes 3D-Volumen wurde dann über einen erprobten Algorithmus mit dem Golden Surface Mesh verglichen. Um das bestmögliche Ergebnis zu ermitteln, wurden die Vergleiche geometriebasiert und gewichtet durchgeführt. Das leuchtend grüne Volumen zeigt den sogenannten ‚Best Fit‘.

Im dritten Schritt wurden 15 Regionen von Interesse (ROI) von jeweils einer Fläche von 5 x 5 mm definiert, um dort Wandstärkenmessungen durchzuführen. Von jeder Fläche wurde die kleinste und größte Wandstärke erfasst, die jeweiligen Ergebnisse gemittelt und mit dem Golden Surface Mesh verglichen.

Daraus entstand folgendes Diagramm, über das die Kurve der analogen Messungen des Golden Surface Mesh aus dem FF35 CT gelegt wurde, die als Referenz diente. Die geringen Abweichungen lagen tatsächlich im erwarteten Rahmen.

Zur Überprüfung wurden drei weitere Scans mit dem Zeilendetektor im YXLON FF85 CT System durchgeführt. Die schichtweisen Scans mit einem Zeilendetektor produzieren kaum Artefakte und werden dadurch als verlässlicher erachtet, wenn es um Messungen geht. Allerdings ist ein kompletter Scan für ein 3D-Volumen mit einem Zeilendetektor wesentlich zeitaufwändiger als ein Kreisbahn-Scan mit einem Flachdetektor. Geht es aber darum, nur spezielle Regions of Interest zu erfassen, ist der Scan von nur einer Pixelschicht die schnelle Alternative.

[Analyse-Software VGSTUDIOMAX 3.5]

Porenanalyse

Rauheitsanalysis

[Analyse-Software MountainsMap]

GD&T Geometrical Dimensioning and Tolerancing (Lage- und Formtoleranz)

Soll-Ist-Vergleich

In diesem Soll-Ist-Vergleich wurden die 3D-Volumen des FF35 CT und des UX20 übereinandergelegt und erzielten erwartungsgemäß ein abweichungsfreies Ergebnis.

Dieses Projekt gab uns einen guten Einblick in die Herausforderung, additiv gefertigte Bauteile messtechnisch zu erfassen, und bot uns die Gelegenheit, die Vielzahl an Möglichkeiten, die sich unseren Kunden mittels Röntgentechnik bietet, darzustellen. Auswertung nach Form und Lage, Poren- und Lunkeranalyse, die Bestimmung von Oberflächenrauheiten, Delaminierung- und Rissanalyse und die Überprüfung auf Pulverreste sind hier die relevanten Prüfroutinen.

Schwer oder nicht zugängliche Bereiche, die sonst mit den gängigen Messmitteln wie Koordinatenmessmaschine oder optischem 3D-Scanner gemessen werden, können mit der Röntgen-CT zeitsparend erfasst werden, und Fehler bei der Antastung entfallen. Eine Vorbehandlung der Bauteile oder aufwendige Positionierungen sind nicht nötig.

Die Referenzbildung durch das präzise FF35 CT Metrologiesystem und der Vergleich mit dem universellen UX20 Röntgen- und CT-System ergaben, dass auch das produktionsnahe System UX20 perfekt dazu geeignet ist, in Abhängigkeit der Kundenspezifikation Messaufgaben vollumfänglich durchzuführen. Obwohl das UX20 primär für digitale Radioskopieprüfungen in rauer Umgebung entwickelt wurde, ist es mit hervorragenden CT-Fähigkeiten ausgestattet und kann zuverlässig Metrologieaufgaben ausführen. Damit hat sich die Bandbreite der möglichen Applikationen für UX20 noch einmal stark erweitert.

Christian Johanns and Christopher Zepp