CT-Scan von Bauteilen – eine zerstörungsfreie und präzise Methode zur Fehleranalyse

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Die Herstellungsverfahren für neue Bauteile in der Industrie müssen immer schneller und trotzdem präziser werden. Damit wächst der Druck auf die Hersteller. Doch trotz Zeitdruck und immer komplexerer Bauteile dürfen die Qualitätssicherung und Funktionskontrolle während der Produktion nicht vernachlässigt werden. Dabei war vorrangig die Messung und Kontrolle der innen liegenden Strukturen lange Zeit ein Problem. Eine präzise Vermessung war oftmals nur durch die Zerstörung der einzelnen Produkte oder Bauteile möglich.

Erst mit der industriellen Computertomographie (CT) und dem CT-Scan von Bauteilen änderte sich das. 

Was verbirgt sich hinter einem CT-Scan von Bauteilen? Hierbei handelt es sich um ein berührungsloses Scanverfahren mit Röntgenstrahlen. Eine spezielle Software errechnet aus den erzeugten Bildern die Umrisse des Bauteils und erstellt daraus einen 3D-Datensatz. In diesem werden Veränderungen der Oberfläche, Lufteinschlüsse, kleine Risse und vieles mehr sichtbar. 

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Warum ist der CT-Scan von Bauteilen heute so wichtig?

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Die verarbeitende Industrie sieht sich heute mit immer kürzeren Produktlebenszyklen und einer wachsenden Produktvielfalt konfrontiert. Daher müssen Produktentwicklungs- und Produktionsprozesse immer kosten- und zeiteffizienter werden. Außerdem können dank verbesserter Maschinen und neuer Produktionsmethoden auch immer komplexere Bauteile erzeugt werden. 

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In diesem Zusammenhang hat vor allem die Entwicklung der additiven Fertigung (3D Druck) und die Herstellung von Bauteilen mit Hohlräumen die Entwicklung der industriellen Computertomographie deutlich vorangetrieben. Diese können mit herkömmlichen Methoden nicht ohne Weiteres produziert und mit taktilen oder optischen Koordinatenmessgeräten nicht gemessen werden.

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Doch genau hier liegt das Problem. Denn einerseits erlauben fortschrittliche Werkstoffe, wie faserverstärkte Kunststoffe, und neue Herstellungsverfahren die Entwicklung innovativer Produkte. Andererseits bedarf es hierzu aber anderer Mess- und Prüfverfahren zur Qualitätssicherung. 

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Wozu wird der CT-Scan bei Bauteilen eingesetzt?

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Nur mit zeitsparenden Messtechniken können die Herstellungskosten auf ein Minimum reduziert werden. Genau hier kommt die industrielle Computertomographie (CT) und der CT-Scan von Bauteilen ins Spiel. Mit dem CT-Scan können Bauteile und deren Innenleben zerstörungsfrei visualisiert werden. Damit wird eine schnelle und einfache Fehleranalyse möglich. Denn die einzelnen Werkstücke können so auf

• Risse, 
• Hohlräume, 
• Poren/Blasen,
• eine zu hohe/ zu niedrige Porendichte und 
• Einschlüsse untersucht werden. 

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Gerade in der Gießerei oder Spritzgussindustrie werden CT-Scans von Bauteilen zur Qualitätssicherung mittlerweile bevorzugt eingesetzt. 

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Doch nicht nur zur Fehleranalyse werden die Scans eingesetzt. Damit lassen sich auch die Materialeigenschaften eines Produktes untersuchen. Typischerweise werden hier die Faserausrichtung, sowie die Faserdichte oder auch die Porengröße und Porendichte analysiert. 

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In beiden Fällen, bei der Fehleranalyse und der Überprüfung der Materialeigenschaften, werden die Ergebnisse zur Optimierung des Herstellungsprozesses und der Fehlerreduktion herangezogen.

In Verbindung mit einer geeigneten Software entstehen aus den gescannten Bauteilen zugleich virtuelle 3D Modelle. Dabei liefert der CT-Scan anstatt einer einfachen CAD-Datei ein detailgetreues Abbild des Werkstücks. 

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Die Vorteile eines CT-Scans bei Bauteilen zusammengefasst: 

• Mit dem Scan können Defekte im Inneren eines Werkstücks erkannt, analysiert und korrigiert werden. 

• Die Vermessung der Werkstücke ist dank CT-Scan zerstörungsfrei möglich. 
• Die Bauteilvermessung mit dem Computertomografen ist oftmals schneller und effizienter als mit herkömmlichen Messverfahren.

• Durch die Digitalisierung können die Bauteile auch ohne CAD-Modell reproduziert werden.
• Mit der erzeugten 3D-Punktewolke des Bauteils entsteht ein digitaler Zwilling der auch eine digitale Archivierung und spätere Nachvermessungen ermöglicht.
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Die Nachteile von CT-Scans

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Trotz der zahlreichen Vorteile gibt es auch beim industriellen CT-Scannen von Bauteilen Nachteile. Am häufigsten werden in diesem Zusammenhang die enormen Kosten für die Anschaffung eines Computertomografen genannt. Da diese Technologie zudem fortschrittlicher ist als bei einem optischen oder taktilen Scanner, können die Kosten sogar um ein Vielfaches höher sein als bei anderen 3D-Scannern. Aus diesem Grund entscheiden sich viele Firmen mit der Beauftragung eines externen Dienstleisters, wie beispielsweise von Q-Tech, für ihre CT-Scans.

Außerdem besitzen viele Firmen keine geeigneten Räumlichkeiten, um einen industriellen CT-Scanner gefahrlos zu betreiben. Denn die Scanner dürfen wegen der entstehenden Röntgenstrahlen nur in einer strahlenundurchlässigen Kammer betrieben werden.

Was das Material betrifft, so brauchen Röntgenstrahlen entweder um ein Vielfaches länger, um Materialien mit höherer Dichte zu durchdringen oder die Leistung der vorhandenen Röntgenquelle des CT-Scanners ist nicht ausreichend, um das Material überhaupt zu durchdringen. Damit kann ein CT-Scan eines Bauteils mitunter mehrere Stunden dauern oder erst gar nicht möglich sein bzw. nur eine unzureichende Qualität der Bauteilaufnahmen liefern.

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Industrielle Computertomographie Funktionsweise

Es gibt eine große Auswahl an industriellen Scannern in verschiedenen Ausführungen und Größen, die für unterschiedliche Anwendungsbereiche geeignet sind. Kleinstgeräte in der Tischausführung für den Laborgebrauch bis zu vollwertigen industriellen Standmodellen für den Einsatz in Fabriken oder in der Produktion sowie tragbare Messarme, die je nach Bedarf eingesetzt werden können, sind heutzutage keine Seltenheit mehr.

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In größeren Produktionsbetrieben wird die Messtechnik heute häufig in die Fertigungslinie integriert, um die sofortige Analyse von gegossenen, gestanzten, geschweißten oder anderweitig hergestellten Teilen sowie von verpackten Waren zu ermöglichen. 

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Ähnlich wie ein Computertomograph (CT) in einem Krankenhaus es dem medizinischen Personal ermöglicht, das Innere eines Patienten zu "sehen", ermöglicht die Industrielle Computertomographie in ihrer Funktionsweise eine zerstörungsfreie Messung und Prüfung des Inneren eines Werkstücks. 

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Bei dieser Methode wird ein Objekt (Patient oder Teil) zwischen einer Röntgenröhre und einem Sensor hindurchgeführt, wodurch eine Punktwolke erzeugt wird, die dann mithilfe einer Software interpretiert wird. Während aber bei einem medizinischen CT-Scanner der Röntgenstrahler um den Patienten rotiert, dreht sich bei der industriellen Computertomographie in der Regel das Werkstück langsam auf einem Rotationstisch, während der Sensor in festgelegten Intervallen Daten aufzeichnet. 

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Doch abgesehen von den unterschiedlichen Konfigurationen des CT-Scanners selbst, erfordert das Scannen eines Metallstücks und die Durchführung präziser Messungen zusätzlich andere Fähigkeiten des Scanners. Schließlich neigen Metallteile stärker dazu, Röntgenstrahlen zu absorbieren, eine Eigenschaft, die die Auflösung des erzeugten Bildes beeinträchtigen kann, insbesondere beim Scannen von Werkstücken mit einer hohen Dichte. Um die Auflösung bei dichten Teilen jedoch aufrechterhalten zu können, müssen industrielle CT-Scansysteme mit einer leistungsstärkeren Spannungsquelle im kV-Bereich arbeiten als medizinische Scanner. 

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Typische CT-Scanner bieten ein breites Spektrum an Messmöglichkeiten und Funktionen. Die Größen beginnen bei kleinen Tischmodellen, die den strengsten Anforderungen genügen und kleinste 3D-Details ab 0,25 µm erfassen. Sie können mit unterschiedlichen Röntgenleistungen ausgestattet werden, von 160 kV für Nanometerauflösung über 225 kV, 320 Watt bis zu noch höheren Leistungen ,it Spannungsquellen von 300 kV und mehr.

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Größere Scanner sind für die extrem schnelle CT-Datenerfassung von Werkstücken mit einem Durchmesser von bis zu 500 mm und einer Höhe von bis zu 600 mm und einem Gewicht von bis zu 50 kg erhältlich. Typische Funktionen, die mit einem solchen System durchgeführt werden können, sind die 3D-Analyse einer gescannten Turbinenschaufel, die automatische Analyse des Porenvolumens eines Aluminiumgussstücks und 3D-Messungen mit Soll-Ist-Vergleichen an im Spritzgussverfahren gefertigten Kunststoffteilen, wie beispielsweise den Funkschlüssel eines PKW. 

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Mehr zu diesem Thema können Sie hier in Erfahrung bringen

Die Rolle der industriellen Computertomographie in der Fertigung

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Welche Materialien sind für das Scannen geeignet?

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Industrielle CT-Scans eignen sich für fast alle Materialien und sind besonders gut für:

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• Kunststoffe
• Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFRP)
• Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK)
• Aluminium

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Dabei liegt die Auflösung des Scans, je nach Material und Größe des Bauteils, bei einigen Mikrometern (μm).

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Sollen andere, vor allem hochdichte Werkstoffe einer zerstörungsfreien Fehleranalyse unterzogen werden, sind folgende Prüfverfahren möglicherweise besser geeignet: 

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• Radiographie
• Ultraschallprüfung
• Wirbelstromprüfung
• Farbeindringprüfung
• Magnetische Partikelprüfung
• Dimensionelle Prüfung

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Welche Anwendungsmöglichkeiten für industrielle CT-Scans gibt es?

Die industrielle Computertomographie hat viele Einsatzmöglichkeiten: 

CT-Scans von Bauteilen zur Defektanalyse

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Durch die Lokalisierung von Defekten wie Poren, Hohlräumen und Einschlüssen kann der CT-Scan zur

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• Werkzeugoptimierung
• Produktionskontrolle und -optimierung
• Qualitätssicherung und
• Fehleranalyse herangezogen werden.

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3D Messungen und Metrologie

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Die präzisen 3D-Messungen von äußeren und inneren Bauteilen ermöglichen messtechnische Anwendungen zur: 

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• Erstellung eines Soll-Ist-Vergleichs oder von Ist-Ist-Vergleichen.
• Messungen der Wanddicke bzw. der Wandstärke.
• Ermittlung und Überprüfung von Form- und Lagetoleranzen.
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Überprüfung von Montagefehlern und Verbindungen

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Montagefehler können mit der industriellen CT zerstörungsfrei und ohne Demontage des Bauteils erkannt werden. So kann der CT-Scan ebenfalls eingesetzt werden zur:

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•     Montageendkontrolle
•     Positionskontrolle von Dichtungen
•     Analyse von Lötstellen
•     Visualisierung von Leckagen und Korrosion

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CT-Scan von Bauteilen und Reverse Engineering

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Durch einen CT-Scan von bestehenden Bauteilen können nachträglich technische Zeichnungen erstellt oder fehlende CAD-Datensätze erzeugt werden. Diese sind beispielsweise wichtig für: 

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• Die Digitalisierung von handgefertigten Prototypen.
• Die Digitalisierung von nicht mehr verfügbaren Ersatzteilen.
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CT-Scans decken Fehler in Bauteilen auf

Die industrielle Computertomographie (CT) funktioniert ähnlich wie ein medizinisches CT-Gerät - sie erfasst die inneren und äußeren Merkmale eines Bauteils, einer Baugruppe oder eines Materials in erstaunlicher Detailtreue. 

Es ist die einzige Technologie, mit der man unter die Oberfläche blicken kann, ohne sie zu zerstören. Daher gehört der CT-Scan von Bauteilen heute zu den führenden Methoden zur zerstörungsfreien Analyse und Prüfung in der Industrie.

Zu den häufigsten Verwendungszwecken von CT-Scans in der industriellen Messtechnik gehören unter anderem:

• Reverse Engineering
• Zur Fehleranalyse und Qualitätskontrolle bei Werkstücken 
• Long Range Scanning für eine detaillierte 360°-3D-Aufnahme von Bauwerken, Brücken oder Anlagen.

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In der Regel werden industrielle CT-Scans von externen Dienstleistern und Experten wie beispielsweise Q-Tech angeboten. Denn die wenigsten Firmen haben den Platz und insbesondere entsprechend geschultes Personal, um einen industriellen CT-Scanner gefahrlos zu betreiben.

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