3D-Scannen und Digitalisieren für CAD, CAE und Qualitätsprüfung (CT-based 3D scanning and digitizing for CAD, CAE and Quality Inspection)

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1 DGZfP Proceedings BB 67-CD Poster 2 Computerized Tomography for Industrial Applications and Image Processing in Radiology March 15-17, 1999, Berlin, Germany 3D-Scannen und Digitalisieren für CAD, CAE und Qualitätsprüfung (CT-based 3D scanning and digitizing for CAD, CAE and Quality Inspection) N. Schmidt, promod technologies, Horb, D Computer-Tomograph mißt lückenlos äußere und innere Geometrien und liefert Daten für die zerstörungsfreie Materialprüfung und das Reverse Engineering Das von der medzinischen Computer-Tomographie abgeleitete gleichnamige Verfahren für technische Zwecke ermöglicht ein rasches, berührungsloses Messen dreidimensionaler Strukturen, eine zer-störungsfreie Materialprüfung (Prüfung auf Lunker, Risse und Werkstoffdichte), ein Reverse Engineering und eine Finite- Elemente-Analyse (FEA) realer Bauteile. Die Computer-Tomographie (CT) hat sich in der Medizin seit Jahren zur Untersuchung des menschlichen Körpers bewährt. Das Verfahren bildet in kleinen Abständen Querschnitte der zu untersuchen-den Teile ab. Man kann daran Geometrien, Dichten und Werkstoffverteilungen ablesen. SMS Scientific Measurement Systems Inc, Austin, Texas / USA, hat dieses Verfahren umfassend weiterentwickelt und damit auch für technische Zwecke nutzbar gemacht. Das Arbeitsprinzip der Computer-Tomographen für technische Zwecke zeigt Bild 1. Eine energiereiche, durch Blenden und elektromagnetische Einrichtungen entsprechend gebündelte Röntgenstrahlung trifft auf die zu messenden Werkstücke. Um ein dreidimens-ionales Abbild zu erzeugen, werden die Werkstücke auf einem NC-Tisch rotiert sowie horizontal und vertikal bewegt. Die vom Werkstück beeinflußten Röntgenstrahlen treffen auf einen Röntgendetektor. Er empfängt und speichert die Röntgenstrahlung. Mit Hilfe einer Auswertesoftware erzeugt ein Computer auf einem Farbbildschirm das Abbild des Werkstücks, z. B. als Punktewolke oder als interpoliertes, drei-dimensionales Linienbild. In Bild 2 ist ein Computer-Tomograph mit einem Arbeitsraum von 1500 mm Durchmesser und 1800 mm Höhe für bis zu 900 kg schwere Werkstücke gezeigt. Typische Anwendungen für die Computer-Tomographie gibt es in der Flug-zeugindustrie, im Automobil- und Aggregatebau sowie in der Elektronik. Wegen der hervorragenden Möglichkeiten zum Reverse Engineering, also dem Erzeugen von CAD-Daten aus einem bereits vor-handenen Werkstück, eignet sich die Computer-Tomographie für alle Designer, Entwicklungs-ingenieure sowie Werkzeug- und Formenbauer. Mit der Computer- Tomographie können Werkstücke aus nahezu allen Werkstoffen erfaßt werden. In Tabelle 1 sind einige typische Daten für Werkstoffe und erfaßbare Wanddicken wiedergegeben. Weil die Beschaffungskosten für Computer-Tomographen sehr hoch sind, läßt man die gewünschten Messungen und Untersuchungen vorzugsweise bei Dienstleistern wie der promod technologies GmbH in Horb am Neckar durchführen. DGZfP Proceedings BB 67-CD 159 Poster 2

2 Messen innerer und äußerer Geometrien Mit zunehmenden Forderungen an die nachprüfbare, dokumentierte Qualität von Bauteilen müssen vor allem Zulieferer für die Automobilindustrie nahezu alle Werkstücke und deren Geometrien vollständig erfassen. Mit herkömmlichen Meßverfahren - 2D- und 3D-Messen mit Meßtastern bzw. optischen Meßeinrichtungen mit Durchlicht oder Kameras - ist dies aber nur eingeschränkt möglich. Zahlreiche Werk-stückbereiche sind für herkömmliche Meßverfahren nicht zugänglich. Vor allem Geometrien im Inneren von Werkstücken kann man damit nicht erfassen. Beispielsweise waren in einem Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor die Lage und Geometrien von Überströmkanälen und Gewindebohrungen für Ansaug- und Auspuffkrümmer im Aluminiumgußteil zu messen und zu bewerten. Mit bekannten Meßverfahren ist dies ohne Zerstörung einzelner Bauteile (Sägen von Querschnitten) nicht möglich. Die Computer- Tomographie dagegen liefert jetzt eindeutige Abbildungen der Werkstückgeometrien auch an den von außen unzugänglichen Stellen. Die Lage, die Länge und den Durchmesser der Gewinde-bohrungen kann man jetzt anhand der Bilder des Computer-Tomographen (Bild 3) eindeutig messen. Werkstoffverteilung und -dichte messen Bei zahlreichen Qualitätsprüfungen, insbesondere in der Automobilindustrie, aber auch in der Verfahrens-technik, kommt es darauf an, die Dichte und die Werkstoffverteilung in realen Bauteilen festzustellen. Nur wenn die korrekte Werkstoffverteilung im Werkstück gewährleistet ist, kann man mit der erforderlichen Bauteilfestigkeit rechnen. Zerstörende Meßverfahren eignen sich dafür nur bedingt. Zum einen verursachen sie einen hohen Zeit- und Arbeits-aufwand. Zum weiteren kann man nur anhand von Stichproben die tatsächliche Werkstoffverteilung feststellen. Bei den übrigen Werkstücken muß man sich auf die Vermutung stützen, daß die Werkstoffverteilung derjenigen im zerstörten Bauteil entspricht. Bei zahlreichen Werkstücken, z. B. tiefgezogenen Blechen, ein unbefriedigendes Verfahren. Wesentlich bessere Ergebnisse liefert hier die Computer-Tomographie. Beispielsweise bei der Reifenprüfung (Bild 4) zeigt das Bild des Computer- Tomographen bei intaktem Werkstück die Materialdichte und die Werkstoffverteilung über nahezu beliebige Querschnitte. Typisch werden Querschnitte in Abständen von etwa 0,5 mm mit dem Computer-Tomographen aufgenommen. So kann man nahezu lückenlos die Werkstoffverteilung und die Dichte im gesamten Werkstück erfassen und auswerten. In der Elektronik entwickelt man zunehmend mehr-lagige Bauteile, um eine möglichst hohe Packungs-dichte zu realisieren. Eine möglichst große Anzahl an Funktionen soll im vorgegebenen Bauraum integriert werden. Ein Beispiel sind mehrlagige Elektronik-platinen für Anwendungen in Computern und Fahrzeugen. Ein weiteres Beispiel ist das in Bild 5 gezeigte Gehäuse für Kfz-Elektronik aus gespritztem Thermoplast mit integrierten Leiterbahnen und Punktkontakten. Um die Funktion zu gewährleisten, müssen diese Gehäuse vor dem Einbau z. B. auf Kurzschlüsse zwischen den Leiterbahnen geprüft werden. Das bisher übliche Messen der elektrischen Leitung erfordert aufwendige, kostenintensive Sondervorrichtungen. Weil jedes Werkstück auf diese Vorrichtungen gebracht und elektrisch über aufwendige Kontakte und Stecker verbunden werden muß, sind diese Messungen sehr zeit- und arbeitsaufwendig. Sehr viel rascher und weniger aufwendig kann man die korrekte, berührungsfreie Lage der Leiterbahnen mit dem Computer-Tomo- DGZfP Proceedings BB 67-CD 160 Poster 2

3 graphen prüfen. Die Computer-Tomographie liefert ein deutliches Bild der Leiterbahnen im Inneren des Kunststoffgehäuses (Bild 6). Der Bediener kann so innerhalb weniger Minuten über die ordnungsgemäße Funktion der Gehäuse entscheiden. Reverse Engineering Der Werkzeug- und Formenbau konstruiert heute Formen ausschließlich auf CAD- Anlagen. Eine CAD-CAM-Koppelung ermöglicht das rasche und kosten-günstige, fehlerfreie Generieren der benötigten NC-Programme zum Bearbeiten der Stahloder Aluminiumformen. Für zahlreiche Werkstücke, insbesondere in früheren Jahren von Designern entwickelte, gibt es aber keine CAD-Daten. Das sog. Reverse Engineering, d. h. die Werkstücke zu digitalisieren und in die CAD-Konstruktion zu über-nehmen, ist bisher sehr zeit- und arbeitsaufwendig. Man muß die Werkstücke mit tastenden oder ggf. optischen (Kameras, Laser) Meßverfahren digitalisieren. Weil dabei mit vertretbarem Aufwand nur wenige Geometriedaten aufgenommen werden, ist das erzeugte Abbild im CAD-System oft nur grob an das reale Werkstück angenähert. Meist erfordert das ein aufwendiges Nacharbeiten der Konstruktion. Wesentlich genauer und umfassender digitalisiert man dagegen Werkstücke mit dem Computer-Tomo-graphen. Innerhalb weniger Stunden liefert er sog. Punktewolken mit mehreren zehntausend Punkten der digitalisierten Werkstücke (Bild 7). Aus diesen kann man direkt über eine spezielle Software Flächen erzeugen, die an nahezu alle marktüblichen 3D-CAD-Systemen übergeben werden können. Weil hieraus auch Daten im STL-Format abgeleitet werden können, eignet sich das Digitalisieren mit dem Computer-Tomographen auch für das Rapid Prototyping. Beispielsweise die promod Prototypenzentrum GmbH in Horb erstellt so innerhalb weniger Tage und Wochen aus vorhandenen Werkstücken eine CAD-Konstruktion sowie erste Anschauungs- und Funktionsmodelle. Dafür stehen unterschiedliche Rapid- Prototyping-Verfahren (u. a. Stereolitho-graphie, Selective Laser Sintering, Laminated Object Manufacturing) zur Verfügung. Einen weiteren wesentlichen Vorteil haben die mit dem Computer-Tomographen digitalisierten CAD-Daten. Hiermit ist erstmals eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) realer Werkstücke möglich. Bisher stützte sich die FEA immer auf die mit CAD konstruierten Geometrien. Durch das Fertigungs-verfahren (z. B. Gießen) bedingte Abweichungen der tatsächlichen Werkstücke von der konstruierten Geometrie konnte man nicht berücksichtigen. Die auf die Geometrie des realen Werkstücks gestützten Finite-Elemente-Analysen führen die Spezialisten für CAD-Konstruktion und Prototypenbau in Horb eben-falls durch. Der Autor dieses Beitrags: Norbert Schmidt, Jahrgang 1949, Inhaber und Geschäfstführer der promod Prototypenzentrum GmbH und der promod technologies GmbH in Horb, Dienstleister für Rapid Product Development, Computer Tomographie und Reverse Engineering. Für weitere Informationen: promod Prototypenzentrum GmbH Telefon: ( ) promod technologies GmbH Fax: ( ) Norbert Schmidt Schillerstraße 12 Internet: D Horb DGZfP Proceedings BB 67-CD 161 Poster 2

4 Bild 1. Prinzip der Computer-Tomographie für technische Zwecke: a Röntgenquelle, b Parallelisierung der Röntgenstrahlen, c Röntgendetektor, d Bildprozessor Bild 2. Computer-Tomograph für bis zu 1000 kg schwere Werkstücke Bild 3. Messen von Hohlräumen und Gewindebohrungen in einem Aluminium-Zylinderkopf Bild 4. Prüfen von Querschnitten und Materialverteilungen an einem Gummireifen für Kraftfahrzeuge DGZfP Proceedings BB 67-CD 162 Poster 2

5 Bild 5. Spritzgegossenes Kunststoffgehäuse mit integrierten Leiterbahnen und Punktkontakten Bild 6. Röntgenaufnahmen des Gehäuses Bild 5 Bild 7. Für Reverse-Engineering mit dem Computer- Tomographen erzeugte Punktewolke eines gegossenen Pumpengehäuses DGZfP Proceedings BB 67-CD 163 Poster 2