für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

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1 Internet-PDF aus Giesserei Erfahrungsaustausch (2012), Heft 3+4, Seiten 6 11 Giesserei-Verlag, Düsseldorf Fotos: General Electric Autoren: Eberhard Ambos, Oliver Brunke, Dirk Neuber, Holger Lux, Ingo Stuke, Wolfgang Besser, Mike Ziesemann, Christian Heikel und Andrea Huxol Neue zerstörungsfreie Werkstoffprüfung im Test Schnelle Computertomographen in der Druckgießerei Mit den zunehmenden Forderungen an die Qualität der Druckgussteile gehen auch immer höhere Erwartungen an die Prüftechnik der Teile einher. Reichte bis vor kurzem noch die 2-D-Röntgenprüfung für die Prüfung der meisten Erfordernisse des Gefügezustands aus, so ist zurzeit und erst Recht in naher Zukunft damit zu rechnen, dass eine 3-D-Prüfung der Bauteile dem Stand der Technik entsprechen wird. Bereits seit längerer Zeit sind Computertomographen konventioneller industrieller Ausführung vorwiegend in speziellen Prüflaboren im Einsatz. In der jüngsten Vergangenheit sind jedoch durch namhafte Ausrüster für Röntgeninspektionssysteme die Vorteile der medizinischen Computertomographie auch für den industriellen Einsatz erkannt und systematisch in Prüfgeräte für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung umgesetzt worden. Der nachstehende Bericht schildert die dabei gewonnenen Erfahrungen und Erkenntnisse am Beispiel einer Druckgießerei. Stand der Technik der Computertomographie Nach [1] kann zum Stand der Tomographietechnik folgendes ausgeführt werden: Alle heutigen medizinischen Computertomographen (CT) arbeiten im Spiralverfahren, bei dem der zu untersuchende Gegenstand mit konstanter Geschwindigkeit entlang seiner Längsachse durch die Strahlenebene bewegt wird, während die Strahlenquellen-Detektoreinheit mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotiert (Bild 1). Je nach Art des Gerätes können mehrere Axialebenen gleichzeitig eingelesen werden (Mehrschicht- oder Mehrzeilenspiralcomputer-Tomographie: MSCT). Dadurch ist das Verfahren schneller und es lassen sich Bewegungsartefakte 1) reduzieren. Wie Bild 1 ausweist, dreht sich eine Gantry (rotierende ringförmige Scaneinrichtung) um den gegossenen Prüfling. Dieser wird auf einem Förderband langsam an der in der Gantry befindlichen Röntgenröhre vorbei bewegt. Der für die Untersuchungen genutzte CT hatte folgende, im Info-Kasten zusammengefasste technischen Daten. Bild 1: Bei der schnellen automatischen Helix-Inline-CT rotiert die Gantry mit Röntgenröhre und gegenüber liegendem Multizeilendetektor um die auf dem Förderband befindlichen Gussteile. Bild 2: Schneller Computertomograph in atline-anordnung : Die zu scannenden Gussteile werden dem CT über Förderband zugeführt, die Auswertung erfolgt unmittelbar vor Ort auf den Bildschirmarbeitsplätzen. Arbeitsablauf, Aufbau und Einordnung der schnellen CT Für die systematischen Untersuchungen zur Eignung eines neuen schnellen Computertomographen wurde eine neuentwickelte Serienanlage des Ausrüsters General Electric (GE) Inspection Technologies, Ahrensburg, genutzt (Bild 2), die folgenden Prüfablauf realisiert: Der industrielle Computertomograph speed scan atline CT besteht aus einer Strahlenschutzkabine mit integrierter, rotierender ringförmiger Scaneinrichtung (Gantry) und dem Transportsystem zur Förderung der Bauteile durch den Scanring. Die Strahlenschutz-

2 GIESSEREI-ERFAHRUNGSAUSTAUSCH 3+4 / 2012 PRODUKTION & TECHNIK Technische Daten des industriellen Computertomographen speed scan atline CT der GE Inspection Technologies GmbH, Ahrensburg: Prüfvolumen bis zu ca. 400 x 300 x 800 mm (B x H x L), Hochleistungsröntgenröhre mit max. 140 kv und 380 ma Strom (im Dauerbetrieb mit max. 140 kv und 25 ma Strom), Generatorleistung von max. 53 kw mit 440 ma, typische Aufnahmegeschwindigkeiten 5 bis 10 mm/s, Rekonstruktionsgeschwindigkeit >16 Schichten/s, 16-Kanal-Datenakquisition für schnellen Probendurchsatz, typische Detailauflösung oder Voxelgröße (XY): ca. 0,2 bis 1,0 mm, abhängig von der Größe des Rekonstruktionsbereichs. kabine besitzt einen Schieber zum Ein- und Ausfördern von Prüfteilen. Der Bediener legt das Prüfteil auf einen integrierten Rollenförderer und führt das Teil durch die Strahlenschutzöffnung in das System ein. Von dort wird dieses mittels der Fördereinrichtung in eine Vorposition innerhalb der Strahlenschutzkabine gebracht. Dann wird über Zweihandbedienung der Strahlenschutzschieber geschlossen. Der Scannvorgang startet automatisch gemäß den ausgewählten Scanparametern. Nach Beendigung des Scans wird das Prüfteil durch die Eingangsöffnung automatisch ausgefördert und der Bediener kann das gescannte Prüfteil entnehmen und weiteren Prozessschritten zuführen. Die resultierenden Volumendaten werden direkt auf die Visualisierungs- und Analysestation übertragen. An dieser können die dann notwendigen defektoskopischen und metrologischen Untersuchungen durchgeführt werden. Bild 3: Die zu untersuchenden Druckgussteile werden bei inline-anordnung des schnellen CT auf einem Förderband zugeführt und nach wenigen Sekunden des Scannens und automatischen Bewertens der Qualität entweder der weiteren Verarbeitung zugeführt oder ausgesondert. Die Systemkabine entspricht den Strahlenschutzanforderungen eines Vollschutzgerätes gemäß RöV [3]. Die Kabine ist für Röntgenquellen mit einer maximalen Beschleunigungsspannung von 140 kv ausgelegt und mit einem Strahlenschutzboden versehen. Die Anlage kann problemlos in die industrielle Fertigung eingeordnet werden. Sie bietet einen umfassenden Schutz des bildgebenden Systems vor Staubpartikeln und anderen Fremdkörpern. Die Kabine verfügt über eine optimierte und aktive Klimatisierung, um die beim Prüfvorgang entstehende Wärme sicher abzuführen. Einordnung des schnellen CT in den betrieblichen Ablauf Bezüglich der Einordnung des neuentwickelten schnellen CT in den betrieblichen Ablauf unterscheidet man zwei Grundvarianten, die nachstehend beschrieben werden: Die atline-anordnung des schnellen Computertomographen wird vor allem für kleinere bis mittlere Betriebe vorgeschlagen, die über ein vielfältiges Produktionsprogramm mit vorwiegender Klein- und Mittelserienfertigung verfügen. Der CT wird bei dieser Anordnung unmittelbar in der Gießerei oder in deren Nähe aufgestellt. Ein schneller CT in atline-anordnung (Bild 2) ermöglicht das Scannen des gesamten Produktionsprogramms der Gießerei. Zu Beginn der Erprobung einer neuen Gießform oder beim Wiederanfahren einer bereits genutzten Druckgießform werden die gegossenen Teile sofort dem schnellen CT zugeführt. Nach Auswertung der Tomogramme und Bewertung des Gießergebnisses können die erforderlichen Schlussfolgerungen für ggf. notwendige Änderungen des technologischen Prozesses getroffen werden. Dies wird in der Regel so lange wiederholt, bis ein stabil hohes Niveau der Qualität der gegos-

3 Bild 4: Das untersuchte Aluminium- Druckgussteil. senen Teile erreicht ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die nicht zu vernachlässigenden Aufwendungen für den CT sich auf alle Druckgießmaschinen und die damit erzeugten Gussstücke verteilen. In der Großserien- oder Massenfertigung, insbesondere bei extrem hohen Qualitätsanforderungen, z. B. für nachweispflichtige Prüfungen in der Luftfahrt- und Automobilindustrie, kann die Nutzung des schnellen CT in inline- Anordnung zweckmäßig sein (Bild 3). Die Arbeitsweise ist dann folgende: Jedes gegossene Teil wird über ein Förderband dem CT zugeführt. Das je nach Bauteilgröße in 10 bis 90 s erstellte Tomogramm wird rechnerintern mit einem Qualitätsnormal des Bauteils verglichen. Dabei wird folgendes Ergebnis erhalten: Bauteile mit zulässigen Defekten verlassen ohne Beanstandung das Förderband, während Bauteile mit Überschreitung der zulässigen Parameter für Defekte ausgesondert werden. Dies kann sowohl von Hand über ein angezeigtes Signal oder automatisch mit einen Roboter erfolgen. Das Spezifische dieser Anordnung ist die feste Installation des CT in eine Druckgießanlage. Er steht damit in der Regel nur für das Produktionsprogramm dieser Anlage zur Verfügung. Ggf. können Teile von mehreren Druckgießzellen dem CT zugeführt werden. Untersuchtes Druckgussteil und Versuchsergebnisse Als Untersuchungsgegenstand wurde ein hoch beanspruchtes Al-Druckgussteil (Bild 4) eines namhaften deutschen Automobilherstellers ausgewählt. An dieses Teil bestehen hohe Anforderungen bezüglich der Festigkeitseigenschaften, der Druckdichtheit gegen Öl und der Maßgenauigkeit. Die Untersuchungen an diesem Druckgussteil hatten deshalb zwei Ziele: Aussagen zur Eignung des schnellen CT für die Qualitätsbewertung unter den Aspekten des laufenden Betriebes einer Druckgießerei abzuleiten, Erkenntnisse zur Nutzung des schnellen CT zur Bewertung der erreichten Maßgenauigkeit zu sammeln. Ermittlung der Defekte und der dafür erforderlichen zeitlichen Aufwendungen Die Vorgaben des Automobilunternehmens für die Gefügequalität sagten aus, dass ein Öffnen von Poren bei der Bearbeitung des Teils nicht zulässig ist, da dann die Gefahr des unerlaubten Ölaustritts besteht. Es kam deshalb darauf an, aus einer größeren Zahl von stochastisch entnommenen Gussteilen innerhalb von kurzer Zeit eine Entscheidung über die zulässige Porenausprägung oder deren Überschreitung zu treffen. Die Gussteile wurden dazu von Hand auf das Förderband des CT aufgelegt. Der Transport der Teile vom Auflageort bis in den Arbeitsbereich der Gantry dauerte ca. 4 s, die Scanzeit ca. 23 s (von Anlauf der Gantry bis zum Ende des Teildurchlaufs) und der Rücktransport bis zur Auflagestelle ebenfalls 4 s. Für die dreidimensionale Fehlerbewertung des einzelnen Tomogramms eines Teils werden ca. 15 s benötigt. Im diskontinuierlichen Betrieb (atline) ist somit eine Taktzeit von weniger als einer Minute zu erreichen. Diese Zeit verringert sich noch bei kontinuierlichem Betrieb (inline) im Ergebnis der automatischen Erkennung und Anzeige der Überschreitung des örtlich unzulässigen Auftretens von Defekten oder der Überschreitung maximal zulässiger Defektgrößen. Als Beispiel für die Grundlage der individuellen Bewertung wird in Bild 5 ein Screenshot des Tomogramms gezeigt. Es ist erkennbar, dass der Schnittpunkt der Koordinatenachsen (Bild links oben) die Grundlage für die Darstellung der drei Koordinatenebenen bildet. Außerdem erfolgt der Nachweis der gefundenen Fehlstellen mit Angabe der Koordinaten und des Porenvolumens in der nebenstehenden Tabelle (Bild rechts). Lage und Größe der Fehlstellen können damit Kriterien für die Qualitätsbewertung sein. Die Tabelle weist mit der roten Markierung (in der Tabelle links) darauf hin, dass die angezeigten Poren im Beispielfall das sehr gering festgelegte Grenzporenvolumen überschreiten. Bild 5: Screenshot des untersuchten Gussteils mit Detaildarstellungen und Defekttabelle. Im vorstehend beschriebenen inline- Betrieb lässt sich die Gesamtzeit für den Scan- und Auswerteprozess noch weiter reduzieren, da die Teile kontinuierlich der Gantry zugeführt und die Tomogramme automatisch bezüglich der Einhaltung der vorgegebenen Qualitätsparameter ausgewertet werden. Bei Überschreitung zulässiger Grenzwerte erfolgt ein Signal, bei-

4 GIESSEREI-ERFAHRUNGSAUSTAUSCH 3+4 / 2012 PRODUKTION & TECHNIK spielsweise für die Entnahme des Teils durch einen Roboter vom Förderband. Zur Maßerfassung von Druckgussteilen Aufgrund einer Vielzahl innenliegender Konturen ist eine Prüfung von Gussteilen mit konventionellen Messmethoden häufig nur zerstörend und mit hohem Zeitaufwand möglich. Mit der sehr genauen und vollständigen 3-D-Abbildung von Objekten eröffnet der CT ein zusätzliches Anwendungsspektrum als Koordinatenmessverfahren. Im Gegensatz zu konventionellen taktilen oder optischen Koordinatenmesssystemen können mit CT-Messapparaturen verborgene Konturen, wie Hohlräume und Hinterschnitte, vollständig zerstörungsfrei erfasst werden (Bild 6). Zudem resultiert aus der CT-Aufnahme eines Prüfkörpers eine große Anzahl von Messpunkten, typischerweise in der Größenordnung 105 bis 106. Hierdurch kann mit Hilfe statistischer Verfahren eine Auflösung erreicht werden, die in der Regel bei deutlich unterhalb 1/10 der Voxelgröße (Voxel = Volumen-Pixel) liegt. Nach dem CT-Scan und der Rekonstruktion des Volumens wird für die Weiterverarbeitung der Messergebnisse die Oberfläche aus den Volumendaten in Form einer generischen ASCII-Punktwolke oder STL-Ober- fläche extrahiert, um diese in 3-D- Inspektionssoftware, wie z. B. Polyworks Inspector 2) der InnovMetric Software Inc., einlesen zu können. Nach dem Einlesen der Oberflächendaten des Prüfkörpers in die 3-D-Auswertesoftware können die weiteren Schritte der Mess-aufgabe durchgeführt werden. Hierzu gehören u. a. ein Soll-Ist-Vergleich zwischen Oberflächendaten und CAD-Modell mit Varianzanalyse oder Messungen mit Hilfe des Anfittens von Regelgeometrien. Beim Soll-Ist-Vergleich werden der Datensatz mit den mittels CT extrahierten Oberflächendaten und die originalen CAD-Daten des Bauteils virtuell übereinandergelegt und die Abweichung für jede Stelle der Objektoberfläche automatisch ermittelt. Die Darstellung der Abweichung erfolgt durch Farbcodierung und/oder eine numerische Anzeige. Daneben eignet sich der CT auch hervorragend zur Dimensionskontrolle von äußerlich nicht sichtbaren oder schwer zugänglichen Strukturen in Bauteilen. Neben Abständen, Bohrungen, Radien, Winkeln und anderen inneren Strukturen können auch die Wandstärken des kompletten Prüfteils vermessen werden. Die Computertomographie ist damit die einzige zerstörungsfreie Methode zum exakten Messen von komplexen innenliegenden Strukturen in Bauteilen. Am ausgewählten Versuchsteil wurde zur Untersuchung der Maßgenauigkeit ein dreidimensionaler Soll-Ist- Vergleich des CT-Datensatzes mit dem CAD-Modell des Bauteils durchgeführt (Bild 7). Metallographische Untersuchungen Zur Verifizierung der Untersuchungsergebnisse des CT wurden an den gleichen Bauteilen metallographische Untersuchungen durchgeführt. Es konnte eine sehr gute Übereinstimmung der Orte des Auftretens von Porosität und der Porengröße festgestellt werden. Es ließ sich damit nachweisen, dass die Computertomographie eine hervorragende Prüftechnik zur Ermittlung von Poren in den Gussteilen ist, die durch ihre Lage und/oder ihre Größe ggf. zu Undichtheit gegen Drucköl führen kann (Bild 8). Nutzen aus dem Einsatz der schnellen CT Die wirtschaftlichen Effekte aus dem Einsatz der schnellen CT sind sehr stark vom jeweiligen Unternehmen abhängig. Auch hierzu wurden Untersuchungen angestellt. Aus verständlichen Gründen ist es im Rahmen dieser Veröffentlichung nur möglich qualitative Aussagen zu treffen. Folgende Nutzensquellen werden danach beispielhaft gesehen: Rationalisierung und Qualifizierung des Simulationsprozesses, Verkürzung des Musterungsprozesses von neuen Druckgießformen, beschleunigtes Erreichen der Qualitätsziele beim Wiederanfahren von Druckgießformen, Verringerung des Ausschusses durch bessere Qualitätskontrolle, Erweiterung des Produktspektrums um kompliziertere Teile, Vermeidung von unnötigen Bearbeitungsaufwendungen. Bild 6: Das untersuchte Gussteil in halbtransparenter Volumendarstellung (Glaskörperdarstellung) mit Kennzeichnung der gefundenen Poren. Der Einsatz der schnellen CT stellt eine neue Qualität in der Prüftechnik von Druckgussteilen dar. Bereits die bisherigen Erkenntnisse und Erfahrungen lassen noch weitere Vorteile und Anwendungen erwarten. Es wird erforderlich sein, bei der Inbetriebnahme des ersten CT für den Produktionsbetrieb weiterhin interdisziplinär zusammenzuarbeiten, um die zahlreichen Vorteile und Möglichkeiten der An-

5 Bild 7: Falschfarbendarstellung (PolyWorks) der Oberflächenabweichungen des CT-Datensatzes gegenüber einem CAD-Modell (grüne Bereiche geringe, gelbe mittlere und rot größere Abweichung). wendung und ihre Auswertung umfassend zu erkennen und abzusichern. Es wird prognostiziert, dass die schnellen CT einen breiten Einsatz in den Druckgießereien finden werden. 1) unechte, der Methode geschuldete Ergebnisse/Unschärfen 2) Polyworks Inspector ist ein eingetragenes Warenzeichen der InnovMetric Software Inc. Prof. Eberhard Ambos, Ing.-Büro Samswegen, Dr. Oliver Brunke und Dr. Dirk Neuber, (General Electric) GE Sensing & Technologies GmbH, Wunstorf, Holger Lux und Dr. Ingo Stuke, (General Electric) GE Inspection Technologies GmbH, Ahrensburg, Wolfgang Besser, Druckguss Heidenau, Mike Ziesemann, Druckguss Hoym, Prof. Christian Heikel und Andrea Huxol, Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Lemgo/Detmold/Höxter/Warburg. Weitere Informationen: Bild 8: Makroskopische Aufnahme eines präparierten Schliffes durch ein Gussteil (links) mit rot gekennzeichneten Bereichen verstärkter Porosität und mikroskopische Aufnahme von Poren in diesen Bereichen (rechts). Literatur [1] Wikipedia: Begriff Computertomographie, Stand vom [2] Stuke, I., und Brunke, O.: Die nächste Stufe Inline-CT Schnelle Computertomographie in der Massenproduktion. QZ 56 (2011) H. 5, S [3] Röntgenverordnung in der Fassung der Bekanntmachung vom 30. April 2003 (BGBl. I S. 604), die durch Artikel 2 der Verordnung vom 4. Oktober 2011 (BGBl. I S. 2000) geändert worden ist. Bundesministerium der Justiz, Berlin 2011.