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BMW prüft Zylinderköpfe mit Inline-Computertomographie

Um in das Innere von Werkstücken zu blicken, setzen Autobauer in der Fertigungsumgebung meist auf 2D-Röntgenmessgeräte. Nicht so BMW – der bayerische Autobauer prüft weltweit als erstes Unternehmen seine Zylinderköpfe mit einem Computertomographen in der Linie. Das geht zwar nicht schneller, generiert aber weniger Fehlentscheidungen bezüglich der Qualität der Werkstücke und digitalisiert darüber hinaus das komplette Werkstück.

Ein Roboter nimmt einen Zylinderkopf auf, um den Computertomographen VoluMax direkt in der Linie damit zu best?cken. (Bild: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH)

Ein Roboter nimmt einen Zylinderkopf auf, um den Computertomographen VoluMax direkt in der Linie damit zu bestücken. (Bild: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH)

„Werkstücke ohne jeglichen Fehler gibt es nicht“, betont Dr. Torsten Sievers, Leiter Application Engineering der Carl Zeiss Industrielle Messtechnik. Doch nicht jede Differenz vom CAD-Modell oder anderen festgelegten Soll-/Idealwerten ist gleich ein Problem. „Es kommt ganz darauf an, ob die detektierte Abweichung später zu einer Funktionsbeeinträchtigung führt oder nicht“, so Sievers. Um die Entscheidungsfindung zu optimieren, arbeitet BMW seit einigen Monaten direkt in der Fertigungsumgebung mit dem Computertomographen VoluMax.

Frühere Entscheidungen möglich

Zwar gestatten auch 2D-Röntgenmessgeräte den zerstörungsfreien Blick ins Innere der Werkstücke, doch die Lage der detektierten Fehler kann nicht präzise bestimmt werden. Um kein Risiko einzugehen, sortieren Unternehmen wie BMW daher Teile eher großflächig aus, wenn beispielsweise Poren, also Lufteinschlüsse im Metall, auf den Röntgenbildern sichtbar sind. Durch den VoluMax, der Volumenmodelle in 3D generiert, lässt sich dagegen die Position dieser Lufteinschlüsse genau erkennen. Dies ermöglicht bereits beim Rohteil eine fundierte Entscheidung zu treffen, welche Bauteile weiterbearbeitet und welche wieder eingeschmolzen werden. Durch das 3D-Volumenmodell ist sichtbar, welche der Poren durch die weitere Bearbeitung offengelegt würden, was zu einer Einschränkung der Funktionsfähigkeit führt. Deshalb sinkt durch den Einsatz der CT die Rate an sogenannten Pseudoteilen, die fälschlicherweise aussortiert und wieder eingeschmolzen werden. Aber auch der Anteil an Schlupfteilen, das 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 werden, reduziert sich, da ein breiteres Fehlerspektrum detektiert wird. Neben den zeitlichen und monetären Einsparungen generiert der CT-Einsatz in Kombination mit der QM-Software PiWeb noch einen weiteren Vorteil: Die Gussfertigungsprozesse werden optimiert. Da die Lage der Fehler genau erkennbar ist, ist es möglich früher zu entscheiden, welche der Gussformen sich eventuell vorzeitig abgenutzt hat und aussortiert werden muss.

3D-Modelle übereinandergelegt

Um eine CT-Prüfung auch in rauen Fertigungsumgebungen zu ermöglichen, verfügt das System über ein ausgeklügeltes Belüftungskonzept, damit im Inneren des CT, die für die Präzision vorgegebene Maximaltemperatur von 35°C sichergestellt ist. Die für die Qualität der Daten essentiell notwendige Temperaturkonstanz ist selbst dann gegeben, wenn die Zylinderköpfe direkt nach dem Gießen mit ca. 80°C geprüft werden. Um im Fertigungstakt prüfen zu können, verfügt der VoluMax über eine leistungsstarke Röntgenröhre und einen Detektor, der schnell Daten auslesen kann. Trotzdem gilt, so der Physiker Sievers, dass „in einem Bruchteil der sonst üblichen Messzeit natürlich nicht die gleiche Bildqualität erreicht werden kann“. Innerhalb einer Minute werden mehrere hundert Bilder vom Zylinderkopf aufgenommen, aus denen die Software während der nächsten Scans ein 3D-Volumenmodell errechnet. Aufgrund der hohen Taktgeschwindigkeit bei der Bildaufnahme ist die Detailgenauigkeit etwas eingeschränkt. Daher lassen sich in der Linie Abweichungen, die deutlich kleiner als 1mm sind, bisher noch nicht erkennen. Für die Prüfung der vier relevanten Prüfmerkmale am Zylinderkopf (Restsand, Poren, Kernbrüche und Konturabweichungen) reicht die Genauigkeit jedoch aus. Damit das Gesamtsystem automatisch zwischen sogenannten guten und schlechten Teilen unterscheiden kann, wurden anfangs 50 reale Zylinderköpfe, die über unterschiedliche Prüfverfahren als gut befunden wurden, mit dem CT gescannt. Anschließend wurden die 50 Volumenmodelle übereinandergelegt. So entstand ein ideales 3D-Modell von einem Zylinderkopf, das keine systemischen Fehler enthält und somit als Masterpiece für den Abgleich aller weiteren 3D-Volumenmodelle eingesetzt wird. Die Fehlerdetektion selbst ist kein starres System. Die Software lernt permanent und selbständig hinzu. Mit anderen Worten: Der VoluMax ´trainiert´ das Erkennen von Anomalien in einem Bilddatensatz. Somit kann, trotz der schnellen Scans und der damit verbundenen eingeschränkten Bildqualität, die Rate an Pseudo- und Schlupfteilen weiter gesenkt werden.

Messungen im Fertigungstakt

Damit ein CT-Gerät in der Fertigungslinie die hohe Taktgeschwindigkeit der Produktion halten kann, braucht es auch automatisierte Lösungen für das Beladen des Gerätes. Bei BMW bestückt ein Roboter im Minutentakt selbständig den VoluMax mit den noch heißen Zylinderköpfen. Dabei erkennt das Gerät, wenn ein neuer Zylinderkopf auf dem Drehteller platziert wurde und startet den Scan. Gesteuert wird die Kommunikation zwischen Roboter und Gerät über die SPS. Darüber erhält der Roboter auch den Befehl, die gescannten ca. 15 bis 20kg schweren und bis 700mm großen Zylinderköpfe bis zur Entscheidung über die Qualität auf einem Pufferplatz zu platzieren. Bei BMW sind mehrere Auswertungsrechner im Einsatz, welche die Volumenmodelle errechnen und diese mit dem Idealbild abgleichen. So wird nicht nur die Taktzeit eingehalten, das System garantiert zudem, dass eine gewisse Redundanz und Ausfallsicherheit gewährleistet wird. Wird ein Fehler detektiert, befördert der Roboter das Teil auf das als NIO gekennzeichnete Förderband. Die guten Teile platziert der Roboter dagegen auf das IO-Band. Damit der gesamte Prozess fehlerfrei läuft und die Scans mit den entsprechenden Bauteilen gematcht werden können, tragen die Zylinderköpfe individuelle Lasergravuren. Angesichts der wirtschaftlichen Vorteile, die der Einsatz von CT-Messungen in der Linie für Unternehmen bietet, ist sich Sievers sicher, dass immer mehr Firmen diese Technologie für sich entdecken werden.

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