Im Inneren bleibt nichts geheim

Das Bauteil befindet sich mitten in der Entwicklung, die ersten Werkzeuge werden gebaut, der erste Guss folgt – jetzt muss das Werkstück schnell und genau validiert werden. Wenn es möglich ist, nicht nur die Oberflächen zu vermessen, sondern auch einen Blick ins Innere zu werfen, wird vieles einfacher. Genau dies will die Oberkochener Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH mit ihrem Metrotom errei- chen – und zwar binnen weni- ger Stunden.

Der Begriff Metrotomographie setzt sich aus Metrologie und Tomographie zusammen. Durch das Verschmelzen von industrieller Messtechnik und industrieller Computertomographie (CT) eröffnen die Oberkochener der Qualitätssicherung damit nach eigenen Angaben bislang unbekannte Möglichkeiten. Anwender erhalten so die Chance, die Entwicklungs- und Designphase deutlich zu beschleunigen. Denn nun müssen sie zwischen einzelnen Entwicklungsstufen nicht mehr auf die mit herkömmlichen Messmethoden meist zeitaufwendige Prüfung warten.

Auch in der Serienfertigung findet das Verfahren einen sinnvollen Einsatz. Denn mit der Möglichkeit, ein Bauteil von innen und außen komplett zu erfassen, stünden dem Anwender sämtliche Auswertemöglichkeiten zur Verfügung, so die Zeiss-Techniker, und zwar zerstörungsfrei und innerhalb kürzester Zeit. Mit der Metrotomographie

Erleichtert werden damit Defekt- und Montagekontrollen, Porositäts- und Schadensanalysen sowie Materialprüfungen. Defekte wie Risse, Lunker, Gasporositäten oder Einschlüsse sowie innere, nicht antastbare Werkstückelemente oder Geometrien können sichtbar gemacht und gemessen werden. Bevorzugte Anwendungen der Metrotomographie sind die gesamte Kunststoffspritztechnik, die Gussteileproduktion – vornehmlich Aluminiumguss, sowie die Verbundwerkstoffe.

Das Metrotomographie-Verfahren beruht auf dem Prinzip der Röntgentechnik. Eine Röntgenquelle durchleuchtet den jeweiligen Gegenstand mit elektromagnetischen Strahlen. Diese treffen auf eine Detektorfläche und werden – abhängig von Geometrie und Absorptionseigenschaften des durchstrahlten Objekts – unterschiedlich abgeschwächt aufgenommen. Es entsteht ein zweidimensionales Graubild. Dieses mit Röntgentechnik erzeugte 2D-Bild ist jedoch nur für Sichtkontrollen im Schnitt aussagekräftig. Deshalb dreht sich bei der Metrotomographie das Bauteil einmal komplett um seine Achse, also um 360°. Auf diese Weise wird ein 3D-Bild vom gesamten Volumen des Werkstücks generiert.

Bis zu 500 N schwere Bauteile lassen sich auf dem Rundtisch des Geräts platzieren. Der optimale Messbereich ist 300 mm x 300 mm x 300 mm groß. Kunststoffe lassen sich bis 250 mm Materialstärke, Leichtmetall-Legierungen bis 120 mm metrotomographieren. Modellbauwerkstoffe wie Gips, Holz, Bakelit, Harz oder Sandkerne dürfen bis zu 200 mm Materialstärke aufweisen, Stahl bis 10 mm, bei der Defektkontrolle auch bis 18 mm. Bei Keramiken und Verbundwerkstoffen hängt die zulässige Materialstärke von Dichte, Porosität und Zusammensetzung ab.

Die Qualität der Daten, also im vorliegenden Fall das Resultat eines CT-Scans, sei immer von der Qualität der gesamten Aufnahmekette und damit von etlichen Rahmenparametern abhängig, betonen die Oberkochener. Das Beherrschen dieser Kette sowie geeignete Kalibriermethoden seien deswegen die Voraussetzung für qualitativ hochwertige Bilddaten. Auch der anschließenden Auswertung der Daten komme eine große Bedeutung zu. Die Objektausrichtung nach Zeichnung, das Prüfen von Form- und Lage, aber auch das Ermitteln von Kurvenabständen oder die Darstellung von Flächenformen nach DIN gehörten in der Koordinatenmesstechnik zu den alltäglichen Aufgaben. Ein aktuelles Beispiel für den Einsatz des Metrotoms in der Medizintechnik sind Inhalatoren. An ihren Einzelteilen findet eine Geometrieprüfung statt, und auch der Zusammenbau kann kontrolliert werden. op

An der RWTH Aachen untersuchen Forscher die Genauigkeit eines neuen Implantologie-Verfahrens, mit dem sich Zahnprothesen schneller applizieren lassen. Die Metrotomographie hilft ihnen dabei.

An der interdisziplinären Zusammenarbeit beteiligen sich der Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH sowie die Klinik für zahnärztliche Prothetik des Universitätsklinikums. Das neue Implantologie-Verfahren soll eine schnelle Insertion und das genaue Positionieren der Implantate ermöglichen, an denen eine Zahnprothese im Kieferknochen des Patienten verankert wird. Computerunterstützt planen die Wissenschaftler den Einsatz der Implantate. Dabei berücksichtigen sie die aktuelle Knochensituation und die fiktive Position des späteren Implantats. Auf dieser Grundlage entsteht mit Hilfe des Stereolithographieverfahrens eine passgenaue Schablone, die präzise Bohrungen sicherstellen soll.

Alle wichtigen geometrischen Merkmale der Implantate lassen sich mit dem am WZL vorhandenen Metrotom innerhalb kurzer Zeit bestimmen. Insbesondere sind die relativen Positionen in Bezug auf eine definierte Schnittebene relevant sowie die Winkelausrichtungen der Implantate zueinander. Beide stellen die Passgenauigkeit der späteren Prothese sicher. Hierfür dürfen die Positionsabweichungen 0,1 mm nicht überschreiten. Um die Orientierung der Implantate sicher zu erfassen, werden an den entsprechenden Positionen zylindrische Distanzhülsen aus Metall in die Modelle eingeschraubt, wodurch eine ausreichende Menge an Antastpunkten zur Verfügung steht. Jedes zu untersuchende Implantat ist hier ein Unikat, so dass die einzelnen Prüfpläne manuell zu erstellen sind. Weil die Distanzhülsen unterschiedlich orientiert sind, ist das taktile Erfassen der Implantatpositionen nicht ohne größeren Aufwand möglich, und es besteht die Gefahr einer Schaftantastung. Hier bietet die berührungslose Messung mittels Röntgenstrahlung also deutliche Vorteile.