Bildquelle: phnoamaiphoto - stock.adobe.com

Transparentes Volumenmodell. (Bildquelle: phonlamaiphoto – stock.adobe.com)

Die Computertomographie (CT) bietet gegenüber den bisher verwendeten Prüfverfahren einige Vorteile, denn sie arbeitet zerstörungsfrei, berührungslos und liefert mehr Informationen über das Werkstück in kürzerer Zeit. Beim üblichen Vorgehen wird der interessierende Teil des Werkstücks in Harz eingegossen, um die notwendige Stabilität für das anschließende Zerschneiden des Werkstücks zu gewährleisten. Beim Aushärten des Harzes kann es jedoch vorkommen, dass die Vergussmasse das Werkstück verformt. Dadurch können Prüfergebnisse verfälscht oder im Bauteil vorhandene Fehler eliminiert werden. Dies hat zur Folge, dass sich ein fehlerhaftes Teil nach der Präparation wie ein fehlerloses Werkstück darstellt.

Beim anschließenden Zerschneiden des Werkstücks können Fehler, die direkt an den Schnittflächen angrenzen, erkannt werden. Fehler, die zwischen den beiden parallelen Schnittflächen liegen, hingegen nicht. Die räumliche Ausdehnung eines Fehlers senkrecht zu den Schnittflächen kann nur mit sehr hohem Aufwand dargestellt werden.

Zerstörungsfrei und berührungslos

In der CT werden die Bauteile als Ganzes untersucht, sodass ein Präparieren sowie ein damit einhergehendes Beeinflussen entfällt. Im Volumenmodell eines Werkstücks können die Schnitte beliebig dicht und unter beliebigen Winkeln gelegt werden. Die räumliche Ausdehnung von Fehlern wird problemlos im Volumenmodell bestimmt, ebenso Größeninformationen und Volumeneigenschaften. Das Modell des Werkstücks kann archiviert und zu einem späteren Zeitpunkt weitere Messungen durchgeführt werden. Der Prüfling wurde bei der Messung nicht zerstört und ist für einen weiteren Prüf- oder für den nächsten Produktionsschritt verfügbar.

Die Computertomographie arbeitet berührungslos. Ein Verformen von dünnen Werkstücken durch Berührung mit dem Messtaster, wie es beispielsweise bei einer taktilen Koordinatenmessmaschine denkbar ist, ist ausgeschlossen. Bei Koordinatenmessmaschinen ist die Detailerkennbarkeit durch den Kugeldurchmesser des Tasters begrenzt. Kugeln mit einem Durchmesser von 100 bis 200 µm sind am Markt verfügbar. Diese Begrenzung entfällt bei der Computertomographie, da sie ohne Messhilfsmittel arbeitet. Eine Detailerkennbarkeit im einstelligen Mikrometerbereich wird bereits heute von einigen Maschinen erreicht.

Gleichmäßig verteilte Messpunkte

Bei diesem Verfahren werden extrem viele, gleichmäßig verteilte Messpunkte auf dem Werkstück angefertigt. Messpunkte von inneren, nicht sichtbaren oder schwer zugänglichen Strukturen werden in der gleichen Qualität und Menge erzeugt, wie bei gut zugänglichen Außenflächen des Werkstücks. Die Position des Werkstücks braucht nicht verändert zu werden. In einem Messdurchlauf wird ein vollständiger Datensatz des Werkstücks generiert. Dies ermöglicht, zu einem späteren Zeitpunkt beliebige Messungen am Volumenmodell des Werkstücks durchzuführen. Die höhere Datenqualität bietet außerdem eine bessere und genauere Vermessung des Bauteils sowie Berechnungen, die zum Zeitpunkt der Datenaufnahme nicht vorgesehen waren, zu ergänzen.

Typische Anwendungsfälle

Mit einem Computertomographen lassen sich Werkstücke, die aus genau einem Kunststoff bestehen genauso gut vermessen, wie Bauteile, die aus mehreren Kunststoffen oder Kunststoff-Metall-Kombinationen hergestellt sind. Im aufgenommenen Volumenmodell lassen sich unterschiedliche Werkstoffe oder bei montierten Baugruppen, einzelne Bauteile separieren. Alternativ kann auch jedes einzelne Bauteil einer Baugruppe vermessen werden. Lage und Position von vergossenen Metallteilen sind ebenfalls zu bestimmen. Neben den üblichen Messaufgaben ist daher auch eine Zusammenbaukontrolle möglich, ohne das Werkstück zu berühren, zu zerlegen oder zu zerstören.

Die hervorragenden Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen stehen genau dann zur Verfügung, wenn das produzierte Werkstück den Vorgaben entspricht. Durch CT lassen sich die verschiedenen Fasertypen und Faserlagen zueinander prüfen. Die Winkelverteilung der Fasern und die tatsächliche Länge der Fasern können ebenfalls ermittelt werden. Das Verhältnis von Füllmaterial zu Fasern und die in der Matrix enthaltenen Poren oder Fremdmaterialien können ebenfalls festgestellt und beurteilt werden.

Korrektur des Werkzeugs

Beim Start der Produktion von Kunststoffbauteilen werden zuerst einige wenige Werkstücke produziert, vermessen und anschließend das Werkzeug angepasst. Danach werden in der korrigierten Kavität weitere Bauteile gespritzt, anschließend vermessen und das Werkzeug gegebenenfalls noch einmal überarbeitet. Diese Schleife wird solange wiederholt, bis die hergestellten Bauteile den Anforderungen entsprechen. Ein zeitaufwendiger Prozessschritt ist hierbei das Vermessen der Werkstücke mit einer konventionellen Koordinatenmessmaschine. Der Zeitraum vom ersten Spritzgussteil bis zur Produktion von Spritzgussteilen, die innerhalb der Toleranz liegen, kann mehrere Tage dauern.

Die Vermessung des Werkstücks nach VDI/VDE 2617 und 2630 kann auch mit einem CT-System durchgeführt werden. Ein hochgenaues Volumenmodell mit einer sehr großen Anzahl von gleichmäßig verteilten Messpunkten ist nach wenigen Stunden, teilweise bereits nach wenigen Minuten verfügbar. An diesem hochgenauen Volumenmodell kann das Werkstück vermessen und anhand der Messergebnisse das Werkzeug korrigiert werden. Der Ablauf wird dadurch deutlich schneller und aufgrund der guten Datenqualität ist häufig nur ein Prozessdurchlauf notwendig. Bei dieser Methode dauert der Zeitraum vom ersten Spritzgussteil bis zur Produktion von Spritzgussteilen, die innerhalb der Toleranz liegen, zum Teil nur wenige Stunden. Dies sorgt für eine deutliche Zeit- und Kostenersparnis.

Messen im Produktionsprozess

CT-Systeme werden mittlerweile zur Stichproben- und zur Serienprüfung in der Produktion von Kunststoffteilen, Turbinenschaufeln, Fahrwerks- und Motorenteilen eingesetzt. Auch hier ist eine Vermessung des Werkstücks nach VDI/VDE 2617 und 2630, teilweise sogar im Takt der Produktion möglich.

Zur Stichprobenprüfung sind automatische Werkstückwechseleinrichtungen verfügbar. Diese werden mit mehreren Bauteilen bestückt, im Inneren des Geräts positioniert und die Messung gestartet. Diese Werkstückwechseleinrichtungen ermöglichen das Prüfen von mehreren Werkstücken ohne einen Eingriff durch das Bedienpersonal.

Aufgrund der hohen Mess- beziehungsweise Prüfgeschwindigkeit von CT-Systemen werden diese mittlerweile auch in Produktionslinien zur Serienprüfung integriert. Eine Be- und Entladung des Systems erfolgt in der Regel vollautomatisiert durch ein Robotersystem.

Sowohl bei der Stichproben- als auch bei der Serienprüfung sind die Volumenmodelle der Werkstücke je nach gewünschter Auflösung des Volumenmodells innerhalb weniger Minuten verfügbar und können mit geeigneten Messprogrammen automatisch vermessen werden. Die dafür benötigten Messprogramme werden im Allgemeinen an einem separaten Offlinerechner unabhängig vom CT-System erstellt. Häufig lassen sich vorhandene Prüfprogramme die für Koordinatenmessmaschinen erstellt wurden, direkt nutzen, um Volumendaten zu vermessen. Das Messergebnis kann selbstverständlich für eine Sortierung der Werkstücke und für spätere Messungen verwendet werden. Eine Nachkontrolle der Prüfergebnisse durch das Bedienpersonal ist an einem separaten Review-Rechner möglich, während das CT-System weitere Werkstücke vermisst.

Zur Analyse von Trends in der laufenden Produktion kann eine statistische Prozesskontrolle (SPC) durchgeführt werden. Damit werden Veränderungen bei den produzierten Werkstücken frühzeitig erkannt und das Herstellen von Bauteilen, die außerhalb der Spezifikation liegen, vermieden.

Informationsgrundlage

Dieser Artikel basiert auf einem Wettbewerbsvergleich, den der Autor erstellt hat. Analysiert werden 19 Firmen. Die CT-Systeme werden in der kunststoffverarbeitenden Industrie zur Qualifizierung und Überprüfung des Spritzgussprozesses verwendet. In der Medizinindustrie sind typische Anwendungen beispielsweise das Vermessen und Prüfen von Inhalatoren und Autoinjektoren.  Die meisten Anwendungen finden sich zurzeit in der Luftfahrtindustrie zum Beispiel zur Analyse von Turbinenschaufeln und in der Automobilindustrie zum Beispiel zum Prüfen von Gussteilen für das Fahrwerk oder für Motoren. In der Elektronikindustrie können CT-Systeme zur Analyse von kleinen Baugruppen und Sensoren verwendet werden.

Die Ausarbeitung zeigt, welche Firmen CT-Systeme für die einzelnen Marktsegmente anbieten und kann auf Anfrage gegen eine Lizenzgebühr zur Verfügung gestellt werden.

 

 

 

Über den Autor

Uwe Adamczak

ist freiberuflicher Produktmanager in Hamburg.