Verbindungstechnik Was die Computertomografie (CT) für die Fertigungsoptimierung bringt

Autor / Redakteur: Dr. Stephan Middelkamp * / Kristin Rinortner

Mithilfe der Computertomografie lassen sich 3D-Modelle von Bauteilen erzeugen. Diese Technik eignet sich als Freigabeinstrument, zur Entwicklungsunterstützung und Prozessoptimierung.

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Bild 1: Steckverbinder Han 3A Hybrid
Bild 1: Steckverbinder Han 3A Hybrid
(Bild: Harting)

Mithilfe eines Computertomografen (CT) lassen sich dreidimensionale digitale Modelle von Bauteilen erzeugen. Im digitalen Modell werden die unterschiedlichen Materialien des Bauteils mit unterschiedlichen Grauwerten dargestellt. Dadurch ist man in der Lage, die unterschiedlichen Materialien ein- und auszublenden.

Des Weiteren kann das digitale Modell in beliebigen Ebenen geschnitten werden und anschließend sowohl im 2D-Schnitt als auch in der geschnitten 3D-Ansicht analysiert werden. Dies kann als Ersatz für aufwendiges manuelles Schleifen dienen. Mittels einer Analyse von Fremdmaterial innerhalb des Bauteils kann die Verteilung von Poren und Lunkern visualisiert werden.

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Dies ermöglicht eine gezielte Prozessoptimierung von Spritz- und Druckgussprozessen. Aus dem digitalen Modell lässt sich die Oberfläche des Bauteils bestimmen. An der Oberflächenkontur kann das Bauteil vermessen werden. Durch das digitale Schneiden der Oberflächenkontur erhält man Konturen, die ähnlich zu denen bei optischen Vermessungen im Schliff sind.

Ein Vorteil bei der Vermessung mittels CT ist, dass die Messprogramme zum Gewinnen der Maße einfach wiederverwendet werden können. Dies ist besonders nützlich bei hochnestrigen Werkzeugen. Eine weitere Auswertemöglichkeit ist der direkte Abgleich der tatsächlichen Oberflächenkontur mit den Daten des CAD-Modells. Hier werden die Abweichungen farbkodiert angezeigt und es lassen sich gut Einfallstellen und Bauteilverzug erkennen.

Bei der Auswahl des geeigneten Tomografen musste das breite Produktspektrum des Unternehmens berücksichtigt werden. Zum einen muss der Tomograf in der Lage sein, die relativen großen Han-Steckverbinder aus Aluminium zu durchstrahlen, zum anderen muss er die filigranen har-flex-Steckverbinder exakt erfassen und bei den vergossenen elektromagnetischen Komponenten für die Automotive-Branche die Vergussmasse gut auflösen.

Funktionsweise eines Computertomografen

Bei der Computertomografie handelt es sich um ein röntgenbasiertes Verfahren, bei dem das Prüfobjekt aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen wird. Hierzu wird das Prüfobjekt zwischen Röntgenquelle und Detektor auf einem Drehtisch positioniert (Bild 2).

Die von der Röntgenquelle ausgehende Röntgenstrahlung wird vom Prüfobjekt teilweise absorbiert und dadurch abgeschwächt. Die Stärke der Abschwächung hängt vom durchstrahlten Material und von der Durchstrahlungslänge ab.

Die abgeschwächte Strahlung wird vom Röntgendetektor nachgewiesen. Dies ergibt das Durchstrahlungsbild des Prüfobjektes aus einer Perspektive. Anschließend wird das Prüfobjekt gedreht und es wird ein weiteres Durchstrahlungsbild aufgenommen. Auf diese Weise wird das Bauteil einmal vollständig gedreht, wobei die Anzahl der Durchstrahlungsbilder je nach gewünschter Genauigkeit eingestellt werden kann.

Das digitale 3D-Modell und die Oberflächenkontur

Nach dem CT-Scan wird aus den einzelnen Durchstrahlungsbildern ein digitales Modell des Prüfobjektes berechnet. Im digitalen Modell ist die Abhängigkeit von der Durchstrahlungslänge eliminiert und die unterschiedlichen Materialien des Prüfobjektes sind in unterschiedlichen Grauwerten dargestellt.

Die Genauigkeit des Modells ergibt sich zum einen aus der Pixelanzahl des Detektors und zum anderen aus der Stärke der Vergrößerung des Bauteils. Dadurch, dass das Bauteil zwischen Röntgenquelle und Detektor platziert ist (Bild 2), wird dieses umso stärker vergrößert, je dichter es sich an der Röntgenquelle befindet. Durch diese Vergrößerung ergibt sich die Größe eines Pixels des digitalen Modells. Durch Unterpixelinterpolation lässt sich die Genauigkeit des Modells noch erhöhen. Für das 3D-Modell spricht man von Voxeln anstelle von Pixeln.

Das 3D-Modell enthält für jeden Voxel einen Grauwert, der abhängt vom Material des Voxels. Bei einem Prüfobjekt, das nur aus einem Material besteht, ergibt sich damit ein Grauwert (z.B. 1) überall, wo das Prüfobjekt ist und ein anderer Grauwert (z.B. 0) dort, wo sich Luft befindet. Aus diesem Übergang zwischen Luft und Prüfobjekt lässt sich dann die Oberfläche des Prüfobjektes bestimmen.

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