Wann wird Computertomographie zum Mainstream?

Dreidimensionale Messungen mittels CT

Computertomographen (CT) sind seit den 70er Jahren aus der Medizintechnik bekannt und werden seit den 90er Jahren in der Industrie zur zerstörungsfreien Prüfung verwendet. Inzwischen hat die CT einen weiteren Schritt nach vorne gemacht und bietet ein relativ neues Einsatzgebiet für hochpräzise drei-dimensionale Messungen innerer und äußerer Strukturen. 

Jeder, der zum ersten Mal Daten eines modernen Computertomographen für dreidimensionale Messungen, Reverse Engineering oder zerstörungsfreie Prüfungen verwendet, ist über die Qualität und Vollständigkeit der Daten erstaunt. Insbesondere bei der Arbeit mit Punktewolken aus taktilen oder optischen Systemen gehen aufgrund unzugänglicher Strukturen, elastischer Verformungen oder transparenter Materialien viele Details verloren. Die Computertomographie hat diese Probleme nicht.

Die meisten Anwender, die mit CT-Daten zur Flächenrückführung gearbeitet haben, können sich eine Rückkehr zu ihrer alten Methode nicht mehr vorstellen. Dies gilt auch für Hersteller, die komplexe Kunststoffteile aus Spritzguss oder generativer Fertigung produzieren und CT-Scans als Grundlage für die Erstbemusterung oder das Produktionsteil-Abnahmeverfahren nutzen. Dennoch kommt die Akzeptanz der industriellen Computertomographie für dreidimensionale Messungen nur langsam voran. Es stellt sich die Frage, wie lange es dauern wird, bis die Computertomographie zum Mainstream wird.

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Killer-Applikationen der CT
Wie die Geschichte zeigt, war es bei den etablierten Messmethoden – vom klassischen Koordinatenmessgerät bis hin zu optischen Scannern – exakt dieselbe Entwicklung. Es hat einige Zeit gedauert, bis diese akzeptiert wurden. Die Anwender wissen oftmals nicht genug über neue technologische Möglichkeiten und fürchten daher das ihnen Unbekannte. Nirgends ist dies wahrscheinlicher als bei der Computertomographie, welche mit Strahlung assoziiert und oft falsch wahrgenommen wird!

Bild 1: Computertomographie-Workstation exaCT M von Wenzel. (Quelle: Wenzel)

Ein weiterer wichtiger Faktor ist der Preis für ein CT-System. Wären die Systeme weniger teuer, würden sie sich besser verkaufen. Neue Technologien müssen daher Funktionen bieten, die andere Systeme nicht haben, um auch bei einem relativ hohen Preis für technologieaffine Erstanwender interessant zu sein. Diese ersten Nutzer einer neuen Technologie verbessern die Absatzmengen und machen niedrigere Preise und eine allgemeine Akzeptanz erst möglich.

Es gibt Anwendungsfälle, die ohne die Computertomographie derzeit nicht gelöst werden können. Sogenannte ‚Killer-Applikationen‘ sind zum Beispiel komplexe elektrische Anschlüsse, kombiniert aus Kunststoffgehäuse und Metallstiften, Diesel-Einspritzdüsen mit winzigen Löchern, die präzise positioniert sind, oder Turbinenschaufeln aus einer Superlegierung mit internen Kühlkanälen. Was kann getan werden, die Funktionalität von CT-Systemen zu verbessern und einen schnellen Return on Investment zu erreichen? Dies würde den Kauf rechtfertigen und eine Aufwärtsspirale in Gang setzen – mit höheren Stückzahlen und niedrigeren Preisen für alle.

Sicherheit inklusive
Es gibt grundlegende Begrenzungen für CT-Systeme, die nicht geändert werden können. Ein wesentlicher Faktor ist, dass, je nach Material und Dicke eines Werkstücks, ein bestimmtes Maß an Röntgenenergie erforderlich ist. Das bedeutet, je dicker und dichter das Messobjekt ist, umso höher ist die benötigte Röntgenenergie.

Bild 2: Der CT-Scan auf der linken Seite zeigt ein vollständig dreidimensional erfasstes Aluminiumteil mit einer quantitativen Porositätsanalyse. Auf der rechten Seite ist ein traditionelles zweidimensionales Schnittbild zu sehen, wie es aus der Medizin bekannt ist. (Quelle: Wenzel)

Natürlich müssen die Anwender vor den Röntgenstrahlen geschützt werden. Die exaCT-Workstations von Wenzel entsprechen einem Vollschutzgerät nach den strengen gesetzlichen Bestimmungen der Röntgenverordnung. Ihre Benutzung ist für Menschen absolut ungefährlich. Darum sind die Computertomographen mit einer sicheren Bleiabschirmung ausgestattet, welche einen erheblichen Kostenfaktor darstellt.

Es ist wichtig zu wissen, dass der Preis des gesamten CT-Systems überproportional zur Leistung der Röntgenquelle steigt. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, ist es, Maschinen mit kleinerer Standfläche zu bauen. Dem entsprechen die platzsparenden exaCT-Computertomographen, die im Vergleich zu anderen Systemen eine sehr geringe Stellfläche aufweisen. Dies erhöht die Attraktivität und verringert die Herstellungskosten. Ein weiterer Ansatz ist, mehr Leistung aus der Röntgenquelle zu generieren. Dies wird mittels Software realisiert.

Das Bestmögliche herausholen
Intelligente Software-Lösungen und automatisierte Prozesse ermöglichen es, das Bestmögliche aus dem Gesamtsystem herauszuholen. Wie in vielen anderen Bereichen der Technik, ist es entscheidend, die Leistung über die Software zu optimieren, wenn die Hardware-Ressourcen an ihren Grenzen angekommen sind. Software-Lösungen ermöglichen es, mehr Leistung aus bestehenden Systemen zu generieren, ohne die Kosten drastisch zu erhöhen.

Bild 3: Zusammenhang des Gewichts der Bleiabschirmung für eine Vollschutzkabine in Abhängigkeit von der Energie der verwendeten Röntgenquelle. (Quelle: Wenzel)

Durch intelligente Algorithmen wird z.B. die Eindringtiefe verbessert. In der Folge kann eine Röntgenquelle mit geringerer Leistung verwendet werden. Die nötige Abschirmung fällt kleiner aus. Es entstehen geringere Kosten. Viel Aufmerksamkeit wird bei der Software-Entwicklung zudem auf die Qualität bei der Rekonstruktion von Daten und deren Nachbearbeitung gelegt. Insbesondere im Hinblick auf Multimaterialmessung von kleinsten Features, wie es durch die Killer-Applikationen gefordert wird. 

Geschwindigkeit und Automatisierung
Durch die Beschleunigung des Scan-Prozesses wird der Nutzen des Systems erhöht. Dies bedeutet, dass nicht nur die reine Scan-Zeit kürzer wird, sondern auch die Nachbearbeitung und die Analysezeit bis hin zum fertigen Messbericht. Die Zykluszeit ist die Zeit, die benötigt wird, um das Teil um 360° vor dem Detektor zu drehen. Diese Zeit variiert mit der Dichte des Objekts. Je geringer die Dichte, desto schneller der Scan. Mittels Palettenmessungen können mehrere Teile gleichzeitig in einer Umdrehung durchstrahlt werden, was die Messzeit pro Teil drastisch reduziert.

Ein weiterer Faktor, um das Vertrauen der Nutzer in neue Technologien zu gewinnen, ist es, international anerkannte und akzeptierte Normen zu etablieren. Moderne CT-Systeme entsprechen Normen und Standards, die vor nicht allzu langer Zeit nur durch zertifizierte taktile Messsyteme erfüllt wurden. Vor Kurzem hat die Richtlinie VDI/VDE 2630, welche erstmals in Deutschland veröffentlicht wurde, erste Früchte getragen. Die anschließende Einführung ähnlicher Standards durch die ISO ermöglicht einen erweiterten internationalen Einsatz der Computertomographie für anspruchsvolle Anwendungen bei vertretbaren Kosten.

Leistungsstarke Supercomputer
Anders als bei einem System, welches Oberflächendaten abtastet, beschreiben CT-Daten das komplette Volumen in drei Dimensionen. Somit hat eine Verdoppelung der Teilgröße oder der Auflösung eine Verachtfachung der Dateigröße zur Folge. Ein typischer CT-Scan liefert somit 4...16 GB an Daten. Die Nachbearbeitungszeit, beispielsweise für die Erzeugung einer Oberfläche, hängt stark von der Rechnerleistung ab.

Dank der rasanten Entwicklung der Prozessorleistung, der Einführung von Multi-Prozessor-PC-Clustern und der Entwicklung von GPUs für Videospiele, stehen den industriellen Anwendern inzwischen Supercomputer zur Verfügung, die vor nicht allzu langer Zeit nur Institutionen wie z.B. der NASA vorbehalten waren.

Angesichts all dieser Verbesserungen und der aktuellen Entwicklungsgeschwindigkeit wird es nicht mehr lange dauern, bis die Computertomographie zum Mainstream für die Mess- und Prüftechnik wird.

Giles Gaskell

Giles Gaskell
Anwendungstechnik
Wenzel America, Ltd.
Wixom, MI 48393
E-Mail: ggaskell@wenzelamerica.com
http://www.wenzelamerica.com


Über die Wenzel Group
Wenzel bietet ein umfassendes Produktportfolio in den Bereichen Koordinatenmesstechnik, Verzahnungsmesstechnik, Computertomographie, Optischem High Speed Scanning und Styling Solutions. Technologie von Wenzel wird in allen Industriezweigen eingesetzt, u.a. im Bereich Automotive, Luftfahrt, Energiegewinnung und Medizin. 

Wenzel blickt heute auf eine installierte Basis von über 10 000 Maschinen weltweit. Niederlassungen und Vertretungen in mehr als 50 Ländern unterstützen den Verkauf und stellen den After Sales Service für unsere Kunden sicher. Die Wenzel Group beschäftigt heute 650 Mitarbeiter. 

 

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