Computertomografen optimieren Fertigungsprozesse

  • Ein Roboter bestückt Zeiss VoluMax automatisch mit den zu prüfenden Gussteilen. Zylinderköpfe, deren Messergebnisse unauffällig sind, legt der Roboter auf das rechts im Bild zu sehende Förderband.Ein Roboter bestückt Zeiss VoluMax automatisch mit den zu prüfenden Gussteilen. Zylinderköpfe, deren Messergebnisse unauffällig sind, legt der Roboter auf das rechts im Bild zu sehende Förderband.

Röntgenstrahlen ermöglichen Unternehmens bereits seit langem einen Blick ins Innere ihrer Werkstücke. Bisher kamen aufgrund ihrer Robustheit und Schnelligkeit in direkter Fertigungsumgebung allein 2D-Röntgensysteme zum Einsatz. Mittlerweile lassen sich 3D-Volumendaten jedoch auch direkt in der Fertigungslinie oder in unmittelbarer Fertigungsnähe gewinnen. Wie positiv sich das auf die Optimierung der Fertigungsprozesse auswirkt, zeigen Unternehmen wie BMW oder das österreichische Druck- und Spritzgussunternehmen TCG Unitech.

Um ihre Qualität zu sichern und darüber hinaus auch ihre Prozesse zu optimieren, prüfen immer mehr Unternehmen zu 100 Prozent oder erhöhen zumindest die Anzahl der zu prüfenden Bauteile. Dabei wollen oder müssen sie bei vielen Produkten zudem mit einem Computertomografen (CT) bis ins Innere der Teile schauen, um mögliche Fehler zu entdecken beziehungsweise auszuschließen. Eine aufwendige Messung im Messraum ist angesichts des Fertigungstaktes jedoch nicht immer praktikabel. Denn in der Regel dauert die Prüfung mit einem CT zwischen 10 und 45 Minuten. „Einschließlich des Transports in den Messraum ist diese Zeitspanne eindeutig zu lang, wenn man viele Bauteile im Produktionstakt prüfen will“, findet Dr. Torsten Sievers, Leiter Application Engineering im Bereich X-Ray bei Zeiss. Deshalb greifen Unternehmen zur Inspektion in der Fertigungsumgebung häufig auf die 2D-Radiographie zurück. Bei diesem Verfahren durchleuchten ebenfalls Röntgenstrahlen die Werkstücke. Doch die Ergebnisse liefern lediglich eine Aussage darüber, ob ein Bauteil gut oder schlecht ist. Größe und Lage von Defekten lassen sich nur eingeschränkt erkennen. Qualitätsbewusste Unternehmen sortieren daher auffällige Teile in der Regel großflächig aus, wenn beispielsweise Poren, das sind Lufteinschlüsse im Metall, sichtbar sind.

Bessere Entscheidungen bei BMW

Nicht jede Differenz vom CAD-Modell oder anderen festgelegten Soll- und Idealwerten ist jedoch gleich ein Problem. „Es kommt ganz darauf an, ob die detektierte Abweichung später zu einer Funktionsbeeinträchtigung führt oder nicht“, so Sievers. Um diese Entscheidungsfindung zu optimieren, prüft die Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft, seit einigen Monaten auch direkt in der Fertigungslinie mit einem Computertomografen von Zeiss, ob die Gussteile Lufteinschlüsse aufweisen, die die Funktionsweise beeinträchtigen.

„Das ist weltweit einmalig“, freut sich Sievers. Der jedoch auch zugeben muss, dass ihm bei Kunden dieser Prominenz in der Regel keine konkreten Zahlen vorliegen, die die monetären Vorteile des Unternehmens belegen.
Dass sich der Einsatz für BMW lohnt, steht für Sievers, der maßgeblich an der Implementierung des Zeiss VoluMax beteiligt war, jedoch „außer Frage“. Es sind insbesondere zwei Vorteile, die sich auszahlen, ist sich der promovierte Physiker sicher. Durch den Tomografen, der Volumenmodelle in 3D generiert, lässt sich die Position der Lufteinschlüsse in den Zylinderköpfen genau erkennen. Dies ermöglicht, bereits beim Rohteil eine fundierte Entscheidung zu treffen, welche Bauteile weiterbearbeitet werden können und welche wieder eingeschmolzen werden. Deshalb sinkt durch den Einsatz des CT-Geräts die Rate an sogenannten Pseudoteilen, die fälschlicherweise aussortiert und wieder eingeschmolzen werden. Aber auch der Anteil an Schlupfteilen reduziert sich, da mit dem Computertomografen ein breiteres Fehlerspektrum detektiert werden kann. Schlupfteile sind jene Werkstücke, die zunächst trotz Fehler durch die Kontrolle der Rohteile „schlüpfen“ und teuer bearbeitet werden, um dann bei einer späteren Qualitätssicherung doch als Ausschuss deklassiert zu werden.
Neben diesen zeitlichen und monetären Einsparungen generiert der Einsatz des Computertomografen in Kombination mit der Qualitätsdatenmanagementsoftware PiWeb laut Sievers noch einen weiteren, entscheidenden Vorteil: Die Gussfertigungsprozesse werden optimiert. Da die Lage der Fehler genau erkannt wird, kann auch früher entschieden werden, welche der Gussformen sich eventuell vorzeitig abgenutzt hat und früher aussortiert werden muss. Das heißt, der Computertomograf hilft, funktionsrelevante Fehler zu vermeiden, bevor sie entstehen. Und das, obwohl die Scangeschwindigkeit nur einen Bruchteil der sonst üblichen Scanzeit eines Computertomografen beträgt, was die Detailgenauigkeit bei der Bildaufnahme etwas einschränkt. Für die Prüfung der vier relevanten Prüfmerkmale am Zylinderkopf – Restsand, Poren, Kernbrüche und Konturabweichungen – reicht die Genauigkeit „natürlich vollkommen aus“.

Computertomograf in Fertigungsnähe

Seine Gussprozesse optimiert auch das österreichische Unternehmen TCG mit einem Computertomografen, wenn auch nicht mit VoluMax. Denn in diesem Fall sollte das eingesetzte Gerät hochgenaue Messergebnisse liefern, um den Einsatz anderer Messgeräte zu erübrigen. Und deshalb steht die Messmaschine dort auch nicht direkt in der Fertigungshalle, sondern wenige Meter entfernt von den Druckgussmaschinen in einem kleinen Raum. Der 2016 eingeführte Zeiss Metrotom 1500 ist für David Demmelmair, Leiter Qualitätsmanagement, und Rene Klaffenböck, Teamleiter Labor und Umweltbeauftragter, daher ein Glücksgriff: „Wir erkennen jetzt sehr schnell und vor allem sicher, ob es sich bei den detektierten Porositäten um Lufteinschlüsse oder Schwund handelt“. Wissen, dass die Gießereimitarbeiter laut Klaffenböck befähigt, sofort die „richtigen Stellschrauben an ihren Maschinen zu drehen“.
Die ersten Ergebnisse bestätigen die Wirtschaftlichkeitsberechnungen des Ingenieurs, auch wenn er aufgrund der kurzen Einsatzzeit noch keine validen Zahlen hinsichtlich der Senkung der Ausschussquote nennen kann. Wichtig ist dabei laut Klaffenböck ein sehr gutes Verständnis für den richtigen Einsatz des CT zu entwickeln. Er und seine Mitarbeiter investierten mehrere Monate, Messstrategien zu entwickeln, die sicherstellen, dass „unsere CT-Ergebnisse denen entsprechen, die wir mit unseren anderen Messgeräten beziehunsweise Messmethoden erzielen“. Um beispielsweise die im Volumenmodell sichtbaren Defekte adäquat bewerten zu können, ließ Klaffenböck die auffälligen Bereiche der Prüfobjekte anfangs stufenweise aufschleifen und mit einem Lichtmikroskop untersuchen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sammelt der Ingenieur in zahlreichen Ordnern. Und nicht nur diese. Hier finden sich auch die Messreihen zur Positionierung der Gussteile im Computertomografen. Denn da die zu messenden Teile in der Regel nicht gleich groß und nicht an jeder Stelle gleich dick sind, braucht es Erfahrung, um sicherzustellen, dass die Ausrichtung des Werkstücks im Computertomografen ein optimales Ergebnis liefert. Dank der statistischen Auswertung der serienbegleitenden Prüfung der Gussteile erkennen die Qualitätsverantwortlichen unter anderem, wie lang die sogenannte Einschwenk- beziehungsweise Anlaufphase der Gießmaschinen ist. Wie groß ihr Wissensvorsprung in diesem Bereich ist, bringt Klaffenböck auf den Punkt: „Durch den frühzeitigen Einstieg in die neue Technologie haben wir uns einen Vorsprung von gut zwei bis drei Jahre in der Branche erarbeitet.“ Know-how, das zur Sicherung des Standortes beiträgt, ist sich der Ingenieur sicher.

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