CT eröffnet Qualitätskontrolle vielfältige Möglichkeiten

Der Markt für Computertomografie entwickelt sich zur Zeit dynamisch. Was sind aus Ihrer Sicht die Gründe dafür?

Prof. Heiko Wenzel-Schinzer: Die Computertomografie ist in der Koordinatenmesstechnik angekommen. Die Zahl der Unternehmen, die CT nachfragen, ist extrem angestiegen. Es gibt keine längere Projektliste als die für CT. Aber: Die Zahl der Kunden, die sich dann auch für ein Gerät entscheiden, ist zwar deutlich gewachsen. Doch sie ist immer noch überschaubar. In den vergangenen Jahren haben daher vor allem Dienstleister stark investiert. Denn dort können die Anwender die Technologie erst mal ausprobieren.

Matthias Fleßner: Wir sehen drei Stufen, welche von Nutzern oft in dieser Reihenfolge durchschritten werden. Da ist zunächst der Anwender, der nur ein paar Teile messen muss. Dieser geht dann zu einem Dienstleister, um zu sehen, ob die Technik funktioniert. Auf der zweiten Stufe findet man Unternehmen, die so viele Teile zu messen haben, dass sich ein eigenes Gerät lohnt. Und dann gibt es – vor allem größere – Firmen, die schon mit Hilfe automatisierter CT-Systeme fertigungsnah eine sehr große Anzahl von Messungen durchführen. Besonders die Anzahl der Nutzer in dieser dritten Stufe wächst kontinuierlich.

Dr. Jens Hansen: Der Markt ist gewachsen, weil die Technik sich etabliert hat. Aber ich würde in dieses Bild noch eine Stufe null einbauen. Es gibt wahnsinnig viele Anwender, die noch gar nicht wissen, was die Computertomografie kann und welche Anwendungen mit ihr bedient werden können. Und diese Gruppe ist aus meiner Sicht die größte.

Was ist denn der Auslöser, in CT zu investieren?

Dr. Olaf Günnewig: Ich sehe den Trigger ganz deutlich bei den modernen Werkstoffen. Und bei den modernen Produktionsverfahren wie zum Beispiel der additiven Fertigung. Die CT ist momentan der Goldstandard für die Prüfung in der additiven Fertigung. Wichtig ist dabei, die CT nicht als alleiniges Verfahren zu sehen – sondern in Kombination mit anderen Verfahren wie zum Beispiel dem Ultraschallverfahren oder der Koordinatenmesstechnik.

Dr. Ingomar Schmidt: Bei uns ist der Einstieg die Koordinatenmesstechnik – also dimensionell an den Bauteilen zu messen, zum Beispiel im Kunststoff-Spritzguss. Und dann entdecken die Kunden, dass sie mit CT ja auch in die Teile hineinschauen können.

Hansen: Häufig muss sich die CT noch beweisen gegenüber der etablierten Messtechnik. Wir müssen die Kunden oft überzeugen, dass CT die gleiche Messtechnik erlaubt wie etwa ein Koordinatenmessgerät.

Wenzel-Schinzer: Eigentlich mag ich diese Diskussion nicht. Wir versuchen nachzuweisen, dass die eine Technik so gut ist wie die andere. Aber das müssen wir nicht. Die CT kann viel mehr. Und wir müssen uns auf das Mehr konzentrieren.

Was ist denn das „Mehr“? Wann ergibt der Einsatz von CT Sinn?

Fleßner: Es ist natürlich sehr stark vom Einzelfall abhängig, ob die Nutzung der CT Sinn ergibt. Wenn die Bauteile innenliegende Strukturen haben, kommt man an dem Einsatz von CT nicht vorbei. Auch bei sehr komplexen Teilen wird CT interessant. Oder wenn man gleichzeitig noch eine Materialanalyse durchführen möchte, um Defekte zu erkennen.

Günnewig: Die CT lässt sich mittlerweile auch inline einsetzen, was vor einigen Jahren noch undenkbar war. Man kann jetzt eine CT-Anlage zum Beispiel mit einem Industrieroboter kombinieren und dann prüft man automatisch jeden Zylinderkopf, der aus der Produktion kommt. Man erkennt somit neben der Geometrie auch innenliegende Fehler. Das hat gewaltige Vorteile. Das reduziert etwa die Gefahr, dass ein Motor im Betrieb auseinander reißt, weil ein großer Lunker nicht erkannt wurde. Mit CT kann man außerdem Werkstoffstrukturen sehen. Daran hat auch die Industrie ein starkes Interesse, weil der Anteil der modernen Werkstoffe steigt. Ich rede hier zum Beispiel von Verbundwerkstoffen oder hybriden Materialien.

Fleßner: Mit der CT kann man ja auch an Messaufgaben komplett anderes herangehen als mit anderen Sensoren. Es lässt sich viel mehr aus den Messdaten herausholen als bei taktiler Messtechnik. Üblicherweise entwickelt der Konstrukteur das Teil nach seiner Funktion und muss sich dann entsprechende Toleranzen überlegen. Bei der CT ist das virtuelle Teil mit seiner gesamten Geometrie verfügbar. Dadurch lässt sich simulieren, ob es einer bestimmten Belastung auch wirklich standhält. So erhält man – mit einer deutlich geringeren Anzahl von geometrischen Messgrößen – eine Tolerierung, die viel näher an der wirklichen Funktion des Bauteils ist. Das führt auch zu weniger Ausschuss. Denn bei der konventionellen Methode müssen die Toleranzen sehr eng gewählt werden, um auf der sicheren Seite zu sein. Dank CT ist ein Toleranzmanagement möglich, das nicht nur den Qualitätsprüfer und den Fertiger, sondern auch den Konstrukteur miteinbezieht.

Wenzel-Schinzer: Dadurch müssen wir bei der Aufklärung schon beim Konstrukteur anfangen. Dieser muss verstehen, welche Möglichkeiten die CT eröffnet. Es gehört aber schon viel Verständnis zur CT. Die Technologie ist daher zum großen Teil noch ein akademisches Thema.

Schmidt: Wir sind aber schon auf einem guten Weg. Die Kunden verstehen die Technik, auch ohne promoviert zu sein. Die Bedienkonzepte sind ausgreift, die meisten Schritte laufen automatisch ab – beispielsweise das Auswählen der geeigneten Messparameter und die Datenauswertung.

Günnewig: Die CT ist hinsichtlich der Einflussgrößen auf das Messergebnis komplexer als die Koordinatenmesstechnik. Es gibt viele Dinge, die man beachten muss – zum Beispiel die Messmittelfähigkeit. Daher wäre es schön, wenn im Schulungsbereich diesbezüglich noch mehr passieren würde. Dort wird die CT noch stiefmütterlich behandelt.

Hansen: Ich vergleiche das oft mit Digitalkameras. Es gibt Leute, die mit ihrem iPhone nur mal schnell ein Foto machen möchten. Und es gibt die Highend-User, die eine hoch leistungsfähige Kamera besitzen und alle Funktionen nutzen möchten, die diese bietet. Und anschließend wird das Bild noch bearbeitet.

Es muss also unterschiedliche Level in der Bedienphilosophie geben?

Günnewig: Wir haben in unserer Software drei verschiedene Level. Eines für den Super-User oder Administrator, der kann schon sehr viele Eingriffe selbst machen. Das zweite Level ist für den fachlich versierten Prüfer. Das dritte adressiert den Facharbeiter, der zum Beispiel in der Gießerei steht und der Anlage auf ganz einfache Weise sagen kann: Jetzt kommt Zylinderkopf 1, jetzt kommt Zylinderkopf 2 und so weiter.

Schmidt: Ich sehe da aber keinen Unterschied zur konventionellen Koordinatenmesstechnik. Dort ist es gang und gäbe, dass die Geräte auf verschiedenen Leveln bedienbar sind. Vielleicht muss man im Markt aber noch stärker kommunizieren, dass dies auch mit CT möglich ist.

Fleßner: Es ist auf jeden Fall die Aufgabe der Software, den Bediener zu unterstützen. Das gilt sowohl für die Geräte-Software als auch für die Software zur Auswertung. Ein wichtiges Thema unserer Forschungsarbeiten ist es zum Beispiel, dem Computer beizubringen, dass er automatisch erkennt, welchen Messdaten man vertrauen kann. Es geht auch darum, wie sich erkennen lässt, ob das Messgerät selbst ein Problem hat. In beiden Fällen soll der Bediener rechtzeitig gewarnt werden.

Wenzel-Schinzer: Natürlich ist die CT auf einem guten Weg. Aber das heißt nicht, dass wir am Ende sind. Bei der Bedienoberfläche möchte der Anwender quasi einen Kaffeevollautomaten, der ihm sagt, was das Problem ist – also dass er zum Beispiel neues Wasser braucht. Wenn das bei der CT möglich ist, dann haben wir viel erreicht.

Wie sieht es denn mit den Kosten für die CT aus?
Wird die Technologie in absehbarer Zeit preiswerter?

Günnewig: Das lässt sich gut mit der IT vergleichen. Ein aktueller Laptop kostet immer noch ungefähr das gleiche wie vor zehn Jahren, aber er ist leistungsfähiger als früher. So ähnlich ist das bei der CT auch. Die Preise für den Computertomografen sind in den vergangenen zehn bis 15 Jahren im Mittel nicht deutlich voneinander abgewichen. Aber die Leistungsfähigkeit der Anlagen ist um Zehnerpotenzen gestiegen.

Hat die höhere Leistungsfähigkeit auch Auswirkung auf die Kosten?

Fleßner: Es lassen sich in der gleichen Zeit deutlich mehr Teile messen. So werden die Kosten pro gemessenem Teil bei gleicher Messaufgabe geringer. Hier kann auch die Auswertesoftware helfen. Erste Ergebnisse einer Defekterkennung auf Basis von Machine Learning zeigen, dass sich die Aufnahmezeit gegenüber einer konventionellen Defekterkennung um bis zum Faktor 30 verkürzen lässt – bei gleicher Genauigkeit der Messergebnisse. Das heißt, man kann theoretisch 30 mal so viele Teile in der gleichen Zeit messen. Das führt natürlich auch zu einer Kostenersparnis.

Schmidt: Das ist richtig. Aber ich sehe die Kostenreduzierung trotzdem als einen Punkt, den wir künftig angehen müssen. Und zwar nicht nur bei den Gerätekomponenten, sondern auch beim Service – etwa was die Wartung der Geräte betrifft. Das ist ein nicht unerheblicher Kostenanteil.

Günnewig: Die Anlagen arbeiten jetzt aber sehr robust. Das war zu Beginn der CT noch nicht so, weil jede Anlage quasi ein Prototyp war. Doch das hat sich komplett gewandelt.

Wenzel-Schinzer: Die Aussage ist aber im Grunde richtig. Ein CT-Service kostet im Verhältnis mehr als die Wartung eines Koordinatenmessgeräts. Das liegt vor allem an den Vorproduzenten. Ich rede da zum Beispiel von wartungsfreien Röhren. Aber es kommt auch immer darauf an, wie das CT-Gerät eingesetzt wird. Wie häufig es genutzt wird, welche Teile hineingelegt werden und so weiter. Bei der Wartung eines Koordinatenmessgeräts hängt dagegen nicht so viel von der Nutzung ab.

Schmidt: Wir werden unsere Tomoscope-XS-Geräte-Reihe noch mal um ein neues Mitglied erweitern. Dort sind wir beim Wartungsaufwand im normalen Koordinatenmessgerät-Bereich. Beim Gerät selbst wollen wir unter die 100.000 Euro kommen.

Aber grundsätzlich gibt es noch Hürden für den Einsatz von CT.

Fleßner: Im Vergleich zu anderen Sensoren ist es relativ schwierig für Anwender, ein Gefühl dafür zu bekommen, ob die Technologie für ihren Fall funktioniert. Daher ist die Hürde, in ein CT zu investieren, auch höher. Die Erfahrung zeigt aber auch: Wenn die Kunden einmal ein CT haben, dann bleiben sie dabei und bauen den Einsatz auch aus.

Hansen: Wenn der Laborleiter eines Unternehmens Interesse an einem neuen Koordinatenmessgerät hat, ruft er bei uns an. Der Vertrieb macht ein Angebot
und in zwei Wochen ist die Sache gelaufen. Das ist bei einem CT noch nie vorgekommen. Dort müssen zunächst viele Fragen beantwortet werden wie zum Beispiel: „Für welche Bauteile kann man es verwenden?“ Selbst Kunden, die schon CTs im Einsatz haben, müssen wir immer wieder neu abholen. Die möchten zum Beispiel wissen, was sich in den vergangenen vier oder fünf Jahren getan hat, seitdem sie das letzte Gerät gekauft haben.

Was hat sich denn in den vergangenen vier oder
fünf Jahren getan?

Günnewig: Im Bereich der Software hat sich viel getan. Es wird nun auf Grafikkarten rekonstruiert und visualisiert. Die Kombination aus günstig gewordener Hardware – im Verhältnis zur Leistung – und der Software, die es zum größten Teil schon viele Jahre gibt, die jetzt aber erst von der leistungsfähigen Hardware profitiert, hat zu deutlich höheren Geschwindigkeiten geführt.

Schmidt: Inline ist sicher auch ein Stichwort. CT kann jetzt in den Fertigungstakt integriert werden – mit Messzeiten von wenigen Sekunden. Das liegt auch daran, dass jetzt mehr Rechenleistung verfügbar ist. Und das liegt an den Geräten, mit denen nun kurze Belichtungszeiten oder Messungen in der Bewegung möglich sind.

Hansen: Automatisierung ist ein weiteres Stichwort. Sowohl das Be- und Entladen als auch die Serienmessung am Stück können automatisiert werden.

Wie sieht es mit der Rückführbarkeit der Messergebnisse aus? Wie ist dort der aktuelle Status?

Schmidt: Die entsprechende VDI-Richtlinie – also VDI 2617 Blatt 13, auch erschienen als VDI 2630 Blatt 1.3 – ist weltweit anerkannt und gibt die Möglichkeit einer Vorselektierung. So lässt sich feststellen, welche Spezifikationen die Geräte für die in dieser Richtlinie definierten Kenngrößen haben. Dann können Geräte aussortiert werden, die diese relativ einfachen Messaufgaben nicht genau genug lösen können. Daneben wird gerade an einer ISO-Norm gearbeitet. Bei dieser geht es eher um sehr komplexe Fälle mit viel Materialeinfluss.

Hansen: Die VDI-Richtlinie macht die Geräte miteinander vergleichbar. Doch sie kommt aus der Welt der Koordinatenmessgeräte. Und diese beiden Welten passen eigentlich gar nicht zusammen. Dieses Problem versucht man mit der ISO-Norm greifbar zu machen. Aber das ist schwierig.

Wenzel-Schinzer: Es wird versucht, zwei Dinge zusammenzuführen, die nicht zusammengehören. Es geht darum nachzuweisen, dass die CT-Geräte mit den gleichen Verfahren genauso gut funktionieren wie Koordinatenmessgeräte. Aber das entspricht nicht der realen Welt.

Schmidt: Wenn es um die dimensionelle Messtechnik geht, sind wir bezüglich Rückführung bereits nah an der Koordinatenmesstechnik. Doch bei innenliegenden Merkmalen, ist die Rückführung deutlich schwieriger.

Lassen Sie uns noch einen Blick in die Zukunft werfen. Was können wir für die kommenden vier bis fünf Jahre in Sachen CT erwarten?

Hansen: Auf jeden Fall wird sich die Technik in Bezug auf eine einfachere Handhabe weiterentwickeln. In Zukunft wird es Systeme geben, mit denen sich ein Scan per Knopfdruck erstellen lässt.

Günnewig: Man kann mit der Software, die jetzt verfügbar ist, schon sehr viel mehr machen als noch vor ein paar Jahren. Aber die Frage ist, ob man alle Funktionen wirklich braucht. Das sollte auch mal kritisch diskutiert werden. Da geht es um die Frage, ob sich die Bedienung so weit vereinfachen lässt, dass man kein Manual für die Software mehr benötigt.

Wenzel-Schinzer: CT-Geräte werden in den kommenden Jahren noch viel besser werden, weil sich auch die Grundkomponenten verbessern. Das heißt, die CT kommt durch mehr Materie und wird deutlich schneller. Und die Auflösung wird besser. Wir werden noch viele technologische Sprünge erleben.

Fleßner: Bei der Auswertung ist der Trend erkennbar, die gesamten Messdaten zu nutzen. Die CT ist dann die Schnittstelle zwischen der realen und der virtuellen Welt. Das ist der Digital Twin, von dem immer gesprochen wird. Mit dem Digital Twin eines Bauteils lassen sich bestimmte Eigenschaften simulieren. Genau diese Schnittstelle zur Simulation wird immer wichtiger.

Vielen Dank an alle für die spannende Diskussion.