Messen mit Computertomographie

Transkript

1 10 Jahre Fraunhofer Vision - Jubiläumsveranstaltung 26. Oktober 2007 Messen mit Computertomographie Dr.-Ing. Kai-Udo Modrich 1 Ausgewählte Themenschwerpunkte Technologie der Computertomographie Messprozesskette der Computertomographie Forschungsprojekt Tomolibri Ausblick in die Zukunft 2 1

2 Themenschwerpunkt Technologie 3 Technologie Möglichkeiten der Computertomographie Produktqualität Material Geometrie Zerstörend Taktil Optisch Computertomographie Zerstörungsfreie Prüfung von Material und Messen der Geometrie 4 2

3 Technologie Grundlegendes Funktionsprinzip CT Röntgenquelle Strahlenschutzkabine Kegelstrahl Manipulator Detektor Funktionsprinzip: Durchstrahlung eines Bauteils mit Röntgenstrahlen Schwächung des Röntgenstrahls (Absorption) Wiedergabe des Objekts auf Detektor (2D-Röntgenbild) Drehung des Objekts (360 ) Aufnahme von Einzelbilder bei allen Winkelstellungen Durch mathematisches Verfahren wird Volumenbild rekonstruiert 5 Technologie Grundlegendes Funktionsprinzip CT Aluminium-Gussteil 2D-Projektionsbild 3D-Voxelmodell 6 3

4 Technologie Unterschiede bei Röntgen-CT-Systemen Grundkonfiguration Röntgenquelle Röntgendetektor Multisensor Reines CT-System Hochleistungs-Röntgenröhre Mikrofokus-Röntgenröhre Linearbeschleuniger Zeilendetektor Fächerstrahltomographie Flächendetektoren Kegelstrahltomographie Bildverstärker Quelle Quelle Manipulator Manipulator Detektor Detektor Tastsysteme Opt. Sensoren Flachdetektoren Vakuum Röntgenstrahlen Vakuumfenster Elektrostatische Fokusplatte Sichtbares Licht Phosphorbeschichtung 7 Themenschwerpunkt Messprozesskette der CT 8 4

5 Prozesskette der CT Messprozesskette 9 Prozesskette der CT Messprozesskette Grenzflächenextraktion 3D Voxeldaten Mess-Punktewolke 10 5

6 Prozesskette der CT Messprozesskette Ausrichtung der Solldaten an den gemessenen CT-Punkten Berechnung und Darstellung der Abweichungen 11 Tomolibri Messen mit Computertomographie Fraunhofer IPA, Fraunhofer IIS, Fraunhofer IZFP 12 6

7 Tomolibri - CT als industrielles Messmittel Ein gemeinsames Forschungsprojekt der drei Fraunhofer-Institute IIS, IZFP, IPA unter der Leitung des Fraunhofer IPA 13 Tomolibri - CT als industrielles Messmittel Schwerpunkte Neue CT-Anlage ausgelegt auf höchste Genauigkeitsansprüche Schnelle Reduktion von Artefakten, schon bei der Röntgenaufnahme Zweiter Sensor für Rückführung und Genauigkeitssteigerung der CT-Daten Softwarewerkzeuge für die messtechnische Auswertung Auslegung auf Messobjekte aus Leichtmetall 14 7

8 Tomolibri hochgenaue CT-Anlage Fraunhofer IZFP, Saarbrücken Dr. Michael Maisl 15 Tomolibri Verbesserte CT-Hardware Neues CT-System mit: KMG-genauem Manipulationssystem Sehr stabile 225 kv Mikrofokus- Röntgenröhre Hochauflösender Flachdetektor Hochwertige CT- Daten 16 8

9 Tomolibri ein Multisensor CT-System Ein zusätzlicher Oberflächenscanner wird fest integriert: hochgenaues Kolibri-System des Fraunhofer IOF, Jena CT und Kolibri Daten sind im gleichen Koordinatensystem Steuerung des CT- Prozesses 17 Oberflächenmesssystem Kolibri Fraunhofer IOF, Jena Dr. Peter Kuehmstedt Dr. Gunther Notni 18 9

10 Tomolibri der Oberflächensensor Kolibri Schematische Darstellung des optischen 3D-Sensors Multi-View 3D-Sensor ( 100mm) Kamera K Projektor Kamera K 2 1 Rotationsachse Betrachtungswinkel α 1 Objekt Betrachtungswinkel α 2 Objekt 19 Tomolibri ein Multisensor CT-System Multi-View 3D-Sensor ( 100mm) Detektor Objekt Objekt Röntgenröhre Röntgenröhre 20 10

11 Tomolibri ein Multisensor CT-System Oberflächenscanner Kolibri Messunsicherheit 10μm Messbereich: Durchmesser und Höhe 100mm Ca. 5 Minuten für eine Messung Oberfläche muss optisch kooperativ sein Zusätzliche Beschichtung trägt ca. 6μm auf und variiert um ca. 3μm 21 Tomolibri Vergleich CT - Kolibri Testkörper aus Aluminium Voxelgröße 100μm Artefakte führen zu inhomogenen Abweichungen Artefakte 10 mm CT-Messpunktewolke: Farbliche Darstellung der Formabweichung Kolibri-Messpunktewolke: Farbliche Darstellung der Formabweichung 22 11

12 Tomolibri Artefaktreduktion Fraunhofer IIS, Erlangen Dipl.-Math. Matthias Franz Dr. Stefan Kasperl 23 Tomolibri Einsatzsynchrone Artefaktreduktion Artefakte verschlechtern die Datenqualität Streustrahlung Strahlaufhärtung Artefakte können reduziert werden durch die iterative Artefaktreduktion IAR des Fraunhofer IIS IAR arbeitet iterativ und ist sehr zeitaufwändig Ziel: Weiterentwicklung der IAR zu einer schnellen, einsatzsynchronen Artefaktreduktion EAR 24 12

13 Tomolibri Einsatzsynchrone Artefaktreduktion EAR kann eine Korrekturkennlinie bestimmen. Voraussetzung: STL-Modell des Messobjektes Einige Röntgenprojektionsbilder Messobjekt besteht aus nur einem Material Wenige Minuten nach Start der Aufnahme steht die Kennlinie zur Korrektur zur Verfügung. zusätzlich verbesserte CT-Daten 25 Weglänge Tomolibri Einsatzsynchrone Artefaktreduktion Bestimmung der Korrekturkennlinie Vergleich IAR (+) zu EAR (x): Gefittete Korrekturkennlinien sind nahezu identisch Intensität 26 13

14 Tomolibri Einsatzsynchrone Artefaktreduktion unkorrigiert EAR EAR ermöglicht deutliche Reduktion von Artefakten 27 Tomolibri Mess-Software Fraunhofer IPA, Stuttgart Dipl.-Math. Ira Effenberger, Dipl.-Math. Martin Stotz Dipl.-Phys. Dirk Neumayer 28 14

15 Tomolibri Datenfusion Fusion von CT- und Kolibridaten Genauere, lokale Schwellwerte Bestimmung der Messunsicherheit der CT-Daten Genauere und vertrauenswürdige Voxeldaten Datenfusion: CT-Daten (grau) werden überlagert von den Messpunkten des Oberflächensensors (orange) 29 Tomolibri Grenzflächenextraktion STL-Modul Voxeldaten können beliebig groß sein. Krümmungsbasierte Reduzierung des Dreiecksnetzes unreduziert reduziert um 70% 30 15

16 Tomolibri Auswertung Best-Fit von Regelgeometrien Einfaches Einpassen von: Ebene Zylinder Kugel Kegel Interaktiv (1-Klick) Automatisierung möglich Prüfen von Form- und Lagetoleranzen 31 Tomolibri Auswertung Registrierung featurebasiert automatisierbar Soll-Ist-Vergleich 32 16

17 Tomolibri Zusammenfassung Kompletter CT-Messprozess mit Fraunhofer Know-how realisiert! Genaue CT-Messung Multisensor-CT-Anlage Rekonstruktion EAR Datenfusion STL-Erzeugung Auswertung 33 Tomolibri Stand der Entwicklung System wird zur Zeit aufgebaut und getestet Vorführung der Multisensor-CT- Anlage auf Workshop am 30. Januar 2008 in Saarbrücken Nähere Informationen unter

18 Themenschwerpunkt Ausblick in die Zukunft 35 Ausblick in die Zukunft Trends und Ziele Anforderungen an den Industriellen CT Höhere Leistung kürzere Aufnahmezeiten Höhere Auflösung Mehrmaterialien Keine Metallartefakte Messmittelfähigkeit Automatische Auswertung Auswirkungen auf die Industrie durch den CT-Einsatz Teilweiser Ersatz traditioneller Messtechnik (KMG) CT-Daten einsetzbar in allen Phasen der Produktentwicklung (Prototyp->Erstmuster-> Serienteil) Optimierte RPD-Prozesskette Serienprüfung 36 18

19 Ausblick in die Zukunft Zukunftsvision: Prozessintegriertes Messen und Prüfen Transportstrecke Bauteile zur Nacharbeit Zur Weiterverarbeitung V B2 V B3 i.o. Bauteile V B4 Handhabungssystem Bauteillokalisierung Fertigungsanlage y x V B1 Computertomograph (3D-Vermessung und Materialprüfung) V B1-4 : Bandgeschwindigkeiten 37 Ausblick in die Zukunft Wo soll es in Zukunft hingehen? Steigerung der Auflösung in den submikrometer Bereich Messen von Bauteilen aus stark unterschiedlichen Materialien Kombination von dimensioneller Messtechnik und Materialanalyse Steigerung der Mess- und Prüfgeschwindigkeit 38 19