3D-Scannen und Digitalisieren für CAD, CAE und

Computerized Tomography for Industrial Applications and
Image Processing in Radiology
March 15 - 17, 1999, Berlin, Germany
DGZfP Proceedings BB 67-CD
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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 FiniteElemente-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 ComputerTomographie 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.
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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 ComputerTomographie 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 ComputerTomographen 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-TomoDGZfP Proceedings BB 67-CD
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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 CADAnlagen. 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
promod technologies GmbH
Norbert Schmidt
Schillerstraße 12
D-72160 Horb
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Telefon: (0 74 51) 5506-0
Fax: (0 74 51) 5506-70
e-mail: [email protected]
Internet: http://www.promod.de
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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
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Bild 5. Spritzgegossenes Kunststoffgehäuse mit integrierten
Leiterbahnen und Punktkontakten
Bild 6. Röntgenaufnahmen des Gehäuses Bild 5
Bild 7. Für Reverse-Engineering mit dem ComputerTomographen erzeugte Punktewolke eines gegossenen
Pumpengehäuses
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