Ein dreidimensionaler Prüfkörper für die Lunkererkennung in Gussteilen mittels Computertomographie

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1 Ein dreidimensionaler Prüfkörper für die Lunkererkennung in Gussteilen mittels Computertomographie Andreas Staude 1, Thomas Krah 2, Jürgen Goebbels 1, Stephanus Büttgenbach 2 1 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Unter den Eichen Berlin, Deutschland, andreas.staude@bam.de 2 TU Braunschweig, Institut für Mikrotechnik, Alte Salzdahlumer Str. 203, Braunschweig, Deutschland, t.krah@tu-braunschweig.de Kurzfassung Der Prototyp eines Prüfkörpers zur Lunkererkennung in Aluminium-Gussteilen mit Röntgen- Computertomographie (CT) wird vorgestellt. Der Würfel von 10 mm Kantenlänge ist aus Platten monokristallinen Siliziums zusammengesetzt, in die mittels reaktiven Ionentiefenätzens Hohlräume unterschiedlicher Größe und Lage eingebracht wurden. Die Eigenschaften der Hohlräume wurden mit Hilfe optischer Messungen an den Oberflächen der einzelnen Platten und mit zwei CT-Messungen im zusammengesetzten Zustand bestimmt. Es zeigt sich, dass sich bei dem verwendeten Herstellungsverfahren die Hohlraumgrößen nicht mit Hilfe optischer oder taktiler Messungen rückführen lassen. Eine CT-Messung des Körpers mit einer wesentlich höheren Auflösung als bei seiner Verwendung als Prüfkörper führt aber zu einem Datensatz ausreichend hoher Genauigkeit, der als Referenzdatensatz verwendet werden kann. Abschließend werden Verbesserungsmöglichkeiten diskutiert. Keywords: Computertomographie, Gussteile, Gussdefekte, Lunker, Prüfkörper 1 Einführung Computertomographie mit Röntgenstrahlen (CT) wird schon seit langem zur Defekterkennung in Gussbauteilen verwendet. Um quantitative Aussagen über die Detektierbarkeit von Defekten in einem bestimmten Bauteil oder einer Klasse von ähnlichen Bauteilen treffen zu können, ist es nötig, einen Prüfkörper mit bekannter Defektverteilung unter identischen Bedingungen wie das zu prüfende Bauteil zu tomographieren. Das Hauptproblem bei der Fertigung von dreidimensionalen Prüfkörpern ist, dass deren innere Struktur zerstörungsfrei nicht beliebig genau gemessen werden kann, um einen Referenzdatensatz zu erhalten. Wir stellen einen neuen Prüfkörper vor, mit dem die Lunkerauflösung in Aluminium-Gussbauteilen auf CT-Anlagen untersucht werden kann. Der von uns vorgeschlagene Prüfkörper ist würfelförmig mit einer Kantenlänge von 10 mm. Er ist aus mehreren gestapelten Platten monokristallinen Siliziums zusammengesetzt. Monokristallines Silizium hat für die mit üblichen Röntgenröhren erzeugten spektralen Energieverteilungen nahezu die gleichen Schwächungseigenschaften wie Aluminiumguss und ist im Gegensatz zu diesem sehr homogen. In die einzelnen Platten sind Strukturen unterschiedlicher Größe und Lage eingebracht. Für die Bestimmung der Lunkerauflösung einer Messung an einem Aluminium-Gussteil kann der Prüfkörper mit bekannter Verteilung der Hohlräume in einen Hohlraum des Bauteils gelegt und beide zusammen tomographiert werden. Die an dem Prototypen gesammelten Erfahrungen werden diskutiert und es wird auf nötige Veränderungen für einen anwendungsreifen, im Prinzip rückführbaren Prüfkörper eingegangen. 79

2 2 Der Prüfkörper Als Grundform des Prüfkörpers wurde ein Würfel von 10 mm Kantenlänge gewählt. Die hohe Symmetrie soll dafür sorgen, dass die Messbedingungen für Strukturen innerhalb des Prüfkörpers möglichst lageunabhängig sind. Um die einzelnen Platten während der CT-Messung relativ zueinander zu fixieren, wurden Aussparungen von 1 mm x 1 mm an den Kanten angebracht, in die Stifte von 10 mm Länge aus dem gleichen Material eingepasst werden (Abbildung 1). Abbildung 1: Grundform der Platten Abbildung 2: Gewünschte Anordnung der Löcher in Platte #10 Um abzuschätzen, welche Hohlraumgrößen sinnvollerweise in dem Prüfkörper vorhanden sein sollten, nahmen wir an, dass die Lunkerauflösung an einem Bauteil von 100 mm Kantenlänge bestimmt werden soll. Derzeitige Detektoren haben üblicherweise 2000 x 2000 Pixel, so dass bei vollständiger Messung des Bauteils eine minimale Voxelgröße von etwa (50 μm) 3 erreicht wird. Hohlräume mit Ausdehnungen kleiner als 50 μm könnten also nicht zuverlässig detektiert werden. Um auch möglichst symmetrische Hohlräume zu erhalten, wählten wir die Zylinderform. In Gegensatz zu Hohlräumen mit geraden Begrenzungsflächen werden so Kantenartefakte vermieden. Als Material für den Prüfkörper wurde monokristallines Silizium gewählt, da es Röntgenstrahlung ähnlich stark schwächt wie Aluminium, sehr homogen ist, in Form von Wafern mit Dicken von etwa 0,5 und 1 mm Dicke bei hoher Güte der Oberfläche verfügbar ist, und weil es geeignete Verfahren gibt, um Strukturen der gewünschten Größe in solchen Platten zu erzeugen. Am Institut für Mikrotechnik der TU Braunschweig wurden mittels reaktiven Ionentiefenätzens (Deep Reactive Ion Etching, DRIE) in Platten von etwa 0,5 und 1 mm Dicke, zylinderähnliche Hohlräume mit Durchmessern von 50 bis 1000 µm in verschiedenen Anordnungen erzeugt (Abbildungen 2 und 3). Abbildung 4 zeigt den Prüfkörper aus 13 einzelnen Platten im zusammengesetzten Zustand. 80

3 Abbildung 3: Horizontaler Schnitt durch eine CT-Messung des Prüfkörpers (Platte #10) Abbildung 4: Ansicht des rekonstruierten Volumens einer CT-Messung am Prüfkörper. Die enthaltenen Hohlräume sind rot eingefärbt. 81

4 3 Die Messungen Für die Verwendung als Prüfkörper ist es nötig, einen Referenzdatensatz höherer Qualität (mit kleinerer Messunsicherheit der Volumenbestimmung) als der der eigentlichen Messung zu haben. Bei Strukturen dieser Größe und den fertigungsbedingten Rauheiten der Zylindermäntel ist es nicht möglich, die Referenzmessung wie sonst üblich mit einem taktilen Koordinatenmessgerät durchzuführen. Es wurden zwei μct-messungen auf der BAM-225kV-Anlage am zusammengesetzten Prüfkörper und eine optische Messung der Lochdurchmesser auf beiden Seiten der einzelnen Platten durchgeführt. 3.1 Optische Messung Mit einem optischen Messmikroskop (Uhl MS4) wurden die Lochdurchmesser auf beiden Seiten der Platten bestimmt. In Abbildung 5 sind als repräsentatives Beispiel die Querschnitte eines Loches auf Ober- und Unterseite einer 1 mm dicken Platte gezeigt. Abbildung 5: Optische Aufnahmen in der Umgebung eines Loches von etwa 0,6 mm Durchmesser in einer 1 mm dicken Platte (#10). Links: Oberseite, rechts: Unterseite Abbildung 6: Schnitt durch eine CT-Messung. Der gemessene Durchmesser auf der Oberseite ist 0,6066 mm, auf der Unterseite werden in Abhängigkeit von der Orientierung Durchmesser von 0,6218 bis 0,6365 mm gemessen. Außerdem gibt es stehengebliebene Bereiche, die in das Loch hineinragen. Prinzipiell sind die Unterschiede im Durchmesser wie auch die stehengebliebenen Reste durch das Fertigungsverfahren bedingt. Bei Löchern mit sehr kleinem Durchmesser im Verhältnis zur Plattendicke kann es dazu führen, dass auf Grund des erschwerten Gasaustausches diese nicht durchgängig sind. Aus den gemessenen Radien wurde das Volumen unter Annahme einer Zylindergeometrie berechnet. Bei durchgängigen Löchern wurden die Radien von Ober- und Unterseite gemittelt im Falle unterschiedlicher Radien auf der Unterseite nach deren Mittelung. Wenn die Löcher nicht durchgängig waren, wurde nur der Radius an der Oberseite verwendet. 3.2 µct-messungen Am zusammengesetzten Prüfkörper wurden zwei CT-Messungen mit einer Beschleunigungsspannung von 70 kv mit einem 0,25 mm dicken Vorfilter aus Silber bzw. einem aus 1 mm Aluminium durchgeführt. Die Voxel im rekonstruierten Volumen haben eine Kantenlänge von 8,42 μm (Messung #1) bzw. 12,46 μm (Messung #2). Die Auswertung der rekonstruierten Daten erfolgte mit dem Programm VGStudio Max 2.0 (VolumeGraphics GmbH, Heidelberg/Deutschland). Ausgehend von einer manuellen Definition von Material und Luft wurde die Oberfläche mit dem adaptiven Schwellwertverfahren bestimmt. 82

5 Die Größe der Hohlräume wurde durch region-growing bestimmt, also der Suche nach allen zusammenhängenden Voxeln mit Grauwerten innerhalb eines Toleranzbereichs. 4 Ergebnisse Abbildung 6 zeigt einen Schnitt durch das rekonstruierte Volumen einer CT-Messung. Die beiden oberen Hohlräume in einer Platte von 0,5 mm Dicke sind nahezu zylinderförmig, während die beiden unteren in einer Platte von 1 mm Dicke stark verformt sind: Der Hohlraum mit kleinem Durchmesser ist nicht durchgängig, d.h. die Ätzdauer war nicht ausreichend, während der Hohlraum mit dem großen Durchmesser durch die lange Ätzdauer stark von der Zylinderform abweicht. Abbildung 7 zeigt das Verhältnis des Soll-Volumens berechnet aus den optisch bestimmten Durchmessern an der Oberfläche und der Dicke der jeweiligen Platte zu dem gemessenen Volumen in der CT-Messung #1 mit (8,5 μm) 3 Voxelgröße. Dieser Wert kennzeichnet das Maß der Abweichung von der Idealform eines Zylinders oder Kegelstumpfes. Die Abweichungen sind fertigungsbedingt am größten für kleine Hohlräume und bei einem kleinen Verhältnis von Durchmesser zu Plattendicke, da dort der Austausch von Ätzgas und Passivierung nicht schnell genug oder nicht vollständig stattfindet, wodurch die Löcher nicht durchgängig sind oder eine sehr bauchige Form aufweisen. Es ist deutlich zu sehen, dass für kleine Hohlräume (Durchmesser < 200 μm) die CT-Messung wesentlich kleinere Werte liefert. Abbildung 7: Vergleich Volumen aus optischer Messung zu CT-Messung #1. Die Platten des Prüfkörpers sind von oben nach unten durchlaufend numeriert. Abbildung 8: Vergleich der gemessenen Volumina. Voxelgröße bei CT-Messung #1: 572 μm 3, bei #2: 1953 μm 3 Abbildung 8 zeigt das Verhältnis der gemessenen Hohlraumgrößen in beiden CT-Messungen. Dies gibt Informationen über die Abhängigkeit der gemessenen Hohlraumgröße von der bei der CT- Messung erreichten Ortsauflösung. Für Hohlräume mit Durchmessern 300 μm an der Oberfläche weichen die gemessenen Volumina deutlich voneinander ab, d.h. die Auflösungsgrenze war bei Messung #2 bereits erreicht. 5 Diskussion und Ausblick Wir konnten zeigen, dass es prinzipiell möglich ist, einen wirklich dreidimensionalen Prüfkörper für die Defekterkennung zu erhalten, indem er aus Platten zusammengesetzt wird, die einzeln zu bearbeiten und zu messen sind. 83

6 Für einen Lunkerprüfkörper für Aluminium-Gussteile eignen sich Platten aus monokristallinem Silizium, da es Bearbeitungsmethoden gibt, die ausreichend kleine Strukturen darin erzeugen können. Um den für die Verwendung als Prüfkörper benötigten Referenzdatensatz zu erhalten, ist es nötig, die Dimensionen der Hohlräume zurückzuführen. Dies kann durch optische Messungen erfolgen dann muss der Hohlraum aber regelmäßig genug sein, um von seiner Form an der Oberfläche der Platte auf die im Inneren schließen zu können oder durch taktile Messungen, die allerdings nicht für beliebig kleine Hohlräume und auch nicht für sehr raue Oberflächen möglich sind. Eventuell sollte ein weiterer Bearbeitungsschritt zur Glättung der Hohlraumoberflächen eingebaut werden. Grundsätzliche Schwierigkeiten gibt es bei der Erzeugung von Hohlräumen mit sehr unterschiedlichen Durchmessern in einer Platte, da die Bearbeitungsparameter nicht für alle gleichzeitig optimal sein können, und für Hohlräume mit einem sehr kleinen Verhältnis von Durchmesser zu Plattendicke. Die Durchmesser der Hohlräume innerhalb einer Platte sollten also zukünftig weniger unterschiedlich und besser auf die Plattendicke abgestimmt sein. Als ungünstig erwies sich die Verwendung der Stifte zur Stabilisierung des Prüfkörpers, da sich wegen des spröden Materials beim Zusammensetzen leicht Splitter bildeten, die dafür sorgten, dass die eigentlich sehr glatten und ebenen Platten gelegentlich nicht exakt genug aufeinanderliegen. Günstiger für die Fixierung wäre wahrscheinlich eine Schiene mit rechtwinkligem Querschnitt, in die die Platten mit einer Art Feder gedrückt werden. Danksagung Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG für die Förderung der zugrunde liegenden Arbeiten im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1159 Neue Strategien der Messund Prüftechnik für die Produktion von Mikrosystemen und Nanostrukturen. 84