Forschungsberichte

Dimensionelles Messen mit Mikro-Computertomographie

Heinrich Peter Steinbeiß

In dieser Arbeit wurden Grundlagenuntersuchungen durchgeführt, um Einflussgrößen aus den Bereichen Messstrategie und Werkstück auf das dimensionelle Messen zu analysieren. Als Kennwerte wurden das Konturpunktrauschen und die systematische Abweichung des Konturfits zur Sollgeometrie untersucht.

Die Durchführung erfolgte an drei verschiedenen μ-CT-Anlagen. Bestimmt wurde die merkmalspezifische Messunsicherheit. Auf Grund fehlender verbindlicher Richtlinien für das dimensionelle Messen mit μ-CT war es notwendig, eine Methodik zur Bestimmung der merkmalspezifischen Messunsicherheit von μ-CT-Scans zu erarbeiten. Durch die Übertragung der bekannten direkten Methode und der Substitutionsmethode auf die μ-CT-Messung konnten die zufällige und die systematische Unsicherheit aus dem Messprozess ermittelt werden.
Im Folgenden werden die wichtigsten Untersuchungserkenntnisse zusammengefasst:

Maßstabsbestimmung: Der Vergrößerungsmaßstab bzw. die resultierende Voxelkantenlänge ist für jede Messung erneut zu bestimmen.

Strahlaufhärtungsartefakte: Die Strahlaufhärtungsartefakte reduzieren den Bildkontrast am Übergang von Material zu Luft. Mit einer an die Messkonfiguration angepassten Vorfilterung lassen sich sowohl Strahlaufhärtungsartefakte deutlich reduzieren als auch die Messgenauigkeit steigern. Sie können zusätzlich über eine rechnerische Strahlaufhärtungskorrektur verringert werden.

Extraktionsverfahren: Durch den Einsatz der im Rahmen der Arbeit entwickelten lokalen Schwellwertverfahren LoGradMax und LoStepMean kann die erreichbare Messgenauigkeit signifikant verbessert werden.
Aus dem Grauwertprofilliniendiagramm erkennt man, dass das Grauwertniveau vom Spritzlochaustritt zum -eintritt abfällt. Bei einer Isoextraktion wird dies nicht berücksichtigt und es würde deswegen eine von der realen Geometrie abweichende Konusform des Spritzlochs entstehen. Im Gegensatz dazu passen sich lokale Schwellwertverfahren an die unterschiedlichen Grauwertniveaus an. Ein weiterer Vorteil der lokalen Extraktionsverfahren ist die geringe Störempfindlichkeit gegen dem vom Bediener vorzugebenden Startschwellwert. Bei den lokalen Extraktionsverfahren wird der Schwellwert automatisch angepasst, so dass weitgehend unabhängig von dem - in sinnvollen Grenzen vorzugebenden - Startschwellwert das gleiche Ergebnis mit hoher Genauigkeit erzielt wird. Somit können reproduzierbare und automatische Messungen vorgenommen werden.

Position (Öffnungswinkel): Bei der Kegelstrahl-CT werden in Abhängigkeit vom halben Öffnungswinkel rhombenförmige Artefakte an transaxialen Werkstückebenen rekonstruiert. Je geringer der vom Objekt und der Zentralebene eingeschlossene halbe Öffnungswinkel ist, desto weniger ausgeprägt sind die Artefakte.
Die axiale Position des Werkstücks sollte so gewählt werden, dass besonders kritische Messbereiche nah an der Zentralebene positioniert werden. Auftretende Störgrößen sind beispielsweise Materialinhomogenitäten, Streustrahlung am Objekt und im Detektor, Detektornichtlinearitäten, Temperaturdrift oder Veränderung der Energieverteilung.

Eine erfolgreiche μ-CT-Messung setzt stabile und klimatisierte Umgebungsbedingungen, eine präzise Justierung der Anlagenkomponenten sowie die Durchführung von Kalibrierungen vor der Messung voraus. Die Röhrenleistung und der damit korrelierende Fokusdurchmesser sollen auf die kleinste zu untersuchende Detailgröße abgestimmt sein.
Bei den Hauptuntersuchungen wurde eine hohe Wiederholpräzision der μ-CT-Messungen festgestellt. Die ermittelten merkmalspezifischen Messunsicherheiten von wenigen μm verdeutlichen die Leistungsfähigkeit heutiger μ-CT-Anlagen beim Einsatz der neu entwickelten lokalen Extraktionsverfahren.

Mit dem zukünftigen Einsatz einer Spiral-CT für das dimensionelle Messen können die oben erwähnten Artefakte, die durch die unvollständige Abtastung mit Kreistrajektorie bei der Kegelstrahl-CT auftreten, vermindert werden. Für einen wirtschaftlichen Einsatz der Spiral-CT müssen Röntgenfluss und Detektoreffizienz wesentlich erhöht werden, um den zusätzlichen Zeitbedarf durch die höhere Zahl an erforderlichen Projektionsbildern kompensieren zu können.