Durchblick bei der Qualitätssicherung

Leitfaden zu industrieller Röntgeninspektion

  • Röntgeninspektion ist eine weit verbreitete Technologie für die Qualitätskontrolle von industriellen Produkten. (Bildquelle: Visiconsult)Röntgeninspektion ist eine weit verbreitete Technologie für die Qualitätskontrolle von industriellen Produkten. (Bildquelle: Visiconsult)
  • Röntgeninspektion ist eine weit verbreitete Technologie für die Qualitätskontrolle von industriellen Produkten. (Bildquelle: Visiconsult)
  • Ein typischer Aufbau eines C-Arms, der in digitalen Radioskopiekabinen genutzt wird. Am C-Arm sind eine Röntgenröhre und ein Detektor montiert, wodurch sich das zu inspizierende Teil in fünf Dimensionen handhaben lässt. (Bildquelle: Visiconsult)
  • Die ADR-Software erkennt und klassifiziert Defekte automatisch. (Bildquelle: Visiconsult)
  • Röntgenanlagen lassen sich mittels Robotern und Software automatisiert werden. Üblicher weise werden allerdings zunächst manuelle Prozesse implementiert, die bei steigendem Volumen automatisiert werden. (Bildquelle: Visiconsult)

Röntgeninspektion ist eine weit verbreitete Technologie für die ­Qualitätskontrolle von industriellen Produkten. Vor allem sicherheits­relevante Teile aus der Luftfahrt-, Automobil-, sowie Öl- und Gasindustrie müssen gründlichen Tests unterzogen werden. Hierbei ist Röntgen eine der wenigen Technologien, die bildgebend die innere Struktur von Testteilen abbilden kann.

Somit setzt die Röntgentechnologie dort an, wo traditionelle Methoden ­scheitern. Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Applikationen, Möglichkeiten und Effizienz von komplexen Röntgensystemen. Der größte Trend in der Röntgenprüfung ist die Digitalisierung: Analoger Film als bildgebendes Medium wird flächendeckend durch digitale Detektoren ersetzt. Die Hauptgründe dafür sind, dass die Qualitätsanforderungen bezüglich der Bauteile stetig steigen, wobei Unternehmen gleichzeitig eine hohe Kosteneffizienz erreichen müssen, um in der globalisierten Welt wettbewerbsfähig zu bleiben. In vielen Fällen ist die einzige Möglichkeit in diesem Dilemma, den Inspektionsprozess mittels moderner digitaler Radioskopie zu digitalisieren und zu optimieren.

Röntgentechnologie und Bestandteile

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Röntgenprüfung ein sehr komplexes Verfahren ist. Die Röntgenkomponenten müssen präzise aufeinander abgestimmt sein, abhängig von der jeweiligen Applikation. Die wichtigsten Faktoren sind die geforderte Inspektionsqualität, der Bauteildurchsatz und das Budget. Ebenso haben weitere Faktoren wie der Betriebsmodus, die Prozessanforderungen, Unternehmensrichtlinien, Anwenderpräferenzen und vieles mehr einen beachtlichen Einfluss.

Die zentrale Komponente eines Röntgensystems ist die Röntgenquelle. Hier existieren fünf Haupttypen:

  • Monoblöcke,
  • Minifokus-Röhren,
  • Variofokus-Röhren,
  • Mikrofokus-Röhren,
  • Panoramaröhren.

Die einzelnen Röhrenkategorien werden hauptsächlich aufgrund ihrer Brennfleckgröße unterschieden. Typische industrielle Röntgenröhren haben 160 bis 600 kV, während die meisten digitalen Radioskopie-­Applikationen Brennflecke von 0,4 bis 1,0 mm  nutzen (DIN EN 12543).

Die Anzahl an Hardware-Optionen auf dem Markt ist überwältigend.

Die beste Wahl zu treffen, erfordert viel Erfahrung mit den jeweiligen Geräten und Technologien. Mittlerweile wurden Bildverstärker größtenteils von Detektoren ersetzt, während Film und Computerradiographie nicht mehr zu den modernen Technologien zählen. LDAs (Linear Detector Array, Lineare Detektoranordnungen) sind einzelne Linien von Photodioden mit einer hohen Auslesegeschwindigkeit. Dies ermöglicht es, Röntgenbildern durch die konstante Bewegung der LDA oder des Objektes aufzunehmen.

Digitale Flächendetektoren (DDA) beinhalten Tausende von Dioden, um eine direkte Repräsentation von Röntgenstrahlung zu ermöglichen (ASTM E 2736). Die meisten Detektoren, die für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (ZfP) genutzt werden, wurden aus dem medizinischen Bereich übernommen. Dies resultiert in standardisierten Größen und technischen Parametern – die 40,6 x 40,6 cm-Modelle beispielsweise stammen aus der Thoraxinspektion. Es gibt auf dem Markt viele anerkannte Hersteller für diese Geräte und eine noch größere Auswahl an Konfigurationen.

Röntgen-Inspektionskonzepte kurz vorgestellt

Der Kern jedes digitalen Systems ist der Bildverarbeitungsprozess. Dieser beinhaltet die Bilderfassung, Verarbeitung und Archivierung in Abhängigkeit der Inspektionsanforderungen. Dabei muss zwischen drei fundamentalen Lösungen unterschieden werden: Die visuelle Inspektion umfasst die manuelle Handhabung des Teils, die Bilderfassung und Diskontinuitätsklassifizierung durch einen geschulten Anwender.

Eine Variante mit höherem Automatisierungsgrad sind programmierbare computergesteuerte Kontrollsequenzen (CNC). Um sehr hohe Durchsätze und Prozesssicherheit sicherzustellen kommt heutzutage die automatische Bildauswertung zum Einsatz. Dies bedeutet, dass Algorithmen, die teilweise auf künstlicher Intelligenz basieren, die komplette Inspektion übernehmen. Moderne ADR-Systeme können Einschlüsse oder Porositäten in Gussteilen zuverlässig erkennen und werden in der Automobilindustrie mittlerweile fast flächendeckend genutzt.

Computertomographie (CT) ermöglicht die 3D-Rekonstruktion des Bauteils, um virtuelle Schliffbilder zu erhalten oder umfangreiche geometrische Analysen durchzuführen.

Alle drei Ansätze haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Das jeweils passende Inspektionskonzept wird während der Konzeptphase bestimmt und hängt von vielen Faktoren ab.

Inspektionsergebnisse als Bauteilakte archivieren

Um die Qualität der Inspektionsergebnisse auch langfristig belegen zu können, müssen sie gespeichert werden. Dazu eignen sich konventionelle und komprimierte 8-bit-Bilder, wie Bitmaps, oder unkomprimierte 16-bit-Bilder, wie Tiff. Die Inspektionsparameter werden als sogenanntes Overlay platziert und ersetzen die Bleinummern, die in der Filmradiographie genutzt werden. Eine Alternative ist die Nutzung des Diconde-Containerformats, das alle Prozessinformationen und Inspektionsergebnisse als Metainformationen speichert und in ein Pacs-Datenbanksystem einpflegt. Auf diese Weise arbeitet eine Diconde-Datei wie eine Bauteilakte und kann Informationen von zahlreichen ZfP-Technologien und Produktionsprozessen enthalten. Durch moderne Softwarelösungen können Berichte in PDF-, Word- oder Excel-Format ausgeben werden. Die Videoaufnahme ermöglicht das Erfassen des kompletten Inspektionsprozesses. Eine typische Applikation ist die Echtzeitinspektion von kritischen Bauteilen. Jede Lösung hat ihre eindeutige Charakteristik sowie Vor- und Nachteile und sollte anhand der Anforderungen bestimmt werden.

Meist kundenspezifische Röntgensysteme nötig

Da die Anforderungen der Röntgenprüfung stark variieren, sind oftmals Applikations-spezifische Sonderanlagen notwendig, um die jeweiligen Prüfaufgaben zu meistern. Hierbei sollte ein versierter Anbieter solcher Lösungen hinzugezogen werden. Der typische Ablauf ist, dass Applikationsteile für eine Machbarkeitsstudie zur Verfügung gestellt werden müssen – diese ist üblicherweise kostenfrei. Aufgrund dieser Tests können Systemanbieter die passenden Röntgenkomponenten und ein detailliertes Anlagenkonzept erarbeiten. Hierbei sollten die Verantwortlichen darauf achten, dass das angebotene Konzept wirklich auf die eigene Prüfaufgabe zugeschnitten ist – nur so lässt sich die maximale Prüfeffizienz erreichen.  Auch der Einsatz der passenden Methode, wie Computertomographie oder ADR, muss sorgfältig abgewogen sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Röntgentechnik hervorragend geeignet ist, um Defekte auszuwerten oder Messungen von Strukturen durchzuführen, die im Inneren des Bauteils liegen. Grundsätzlich ist dieses Verfahren für alle Anforderungen geeignet – von hochauflösenden Aufnahmen im Mikrometerbereich bis zu High-Speed-Anwendungen. Die Auswahl der Röntgenkomponenten, also Röntgenquelle und Bildsensor, ist dadurch allerdings je nach Anwendung komplett unterschiedlich. Hierzu müssen umfangreiche Machbarkeitsstudien durchgeführt werden.

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