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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Computertomographie (CT) auf dem Weg zur Messunsicherheitsbestimmung mittels Simulation

26.11.2021

Mit der wachsenden Bedeutung der industriellen Röntgen-Computertomographie (CT) in der Koordinatenmesstechnik nimmt auch der Bedarf an präzisen und zuverlässigen CT-Messungen zu. Obwohl bei der industriellen CT in den letzten 10 Jahren im Hardware- und auch im Softwarebereich bedeutsame Entwicklungen stattgefunden haben, erreicht die dimensionelle CT noch nicht das Niveau bzgl. Genauigkeit und Zuverlässigkeit von anderen Koordinatenmesssystemen (z. B. optisch und taktil). Der Hauptgrund ist, dass im CT-Bereich noch keine belastbare Rückführbarkeit der Messungen zur Längeneinheit Meter hergestellt werden konnte. Um diese Rückführbarkeit zu erreichen, ist die Bestimmung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit notwendig. Aktuell ist die Bestimmung der Messunsicherheit nach dem Stand der Technik sehr komplex und Resultat von aufwändiger Forschungsarbeit, bzw. mit hohem Messaufwand verbunden, weil ein kalibriertes Werkstück mindestens 20-mal gemessen werden muss.

Die Simulation des CT Messprozesses bietet in Zukunft eine Möglichkeit, die aufgabenspezifische Messunsicherheit sowohl zeitsparend als auch kosten- und ressourceneffizient numerisch zu bestimmen. Allerdings ist die Zuverlässigkeit der verschiedenen Simulationssoftwares momentan nicht verifizierbar und auch nicht quantifizierbar. Ziel des Projekts CTSimU war es daher, eine objektive und standardisierte Bewertung von Durchstrahlungssimulationssoftware durch eine Basisqualifizierung zu ermöglichen, um die grundlegenden Fähigkeiten und Funktionalitäten sowie die hinreichende physikalische Korrektheit der Simulationssoftwares bzgl. der Anwendung der CT zum dimensionellen Messen industrieller Bauteile zu überprüfen. Weiterhin stellt die Basisqualifizierung für die Anwender von Simulationssoftwares eine Norm- bzw. Richtliniensicherheit her und kann so langfristig helfen, auch die Bestimmung der Messunsicherheit mittels Simulation zu ermöglichen.

Aufgrund der Komplexität des Messprozesses sollen hierfür vorhandene Durchstrahlungssimulationssoftwares zur Simulation von dimensionellen CT-Messungen basisqualifiziert werden. Die Basisqualifizierung testet, ob die CT-Simulationssoftwares metrologisch und physikalisch korrekt sind. Zu diesem Zweck wurden im Projekt Anforderungsanalysen durchgeführt und ein Anforderungskatalog erstellt. Des Weiteren wurden repräsentative Messaufgaben für entsprechende Prüfkörper (siehe Bild 1) definiert und so ein Testframework mit dazu gehörigen Messanweisungen erstellt, um die im Projekt vorhandenen Softwares zu bewerten. Das Testframework sowie zugeordnete Referenzdaten und Anforderungskatalog können dann zur Basisqualifizierung weiterer Simulationssoftwares genutzt werden. Das Hauptergebnis des Projekts ist ein Richtlinienentwurf zu VDI/VDE 2630 Blatt 2.2 „Basisqualifizierung von Softwaresystemen für die Simulation dimensioneller Messungen mit Röntgen-Computertomografie“, welcher gleichzeitig einen Vorentwurf für eine internationale Norm darstellen kann. Besondere Schwerpunkte der PTB-Arbeiten im Projekt CTSimU waren die Erstellung von 2D und 3D Testszenarien und die messtechnische Simulation und Auswertung dazugehörender Messungen sowie die Erstellung des Richtlinienentwurfs.

Das Projekt CTSimU wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie in der Förderrichtlinie WIPANO unter dem Förderkennzeichen 03TNH026D gefördert.

Vier Prüfkörper, welche für die Basisqualifizierung von CT Simulationssoftwares verwendet werden
Abbildung 1: Verwendete Prüfkörper-Designs für die Qualifizierung von Durchstrahlungssimulationssoftwares:
(a) Lochfolie mit konischen Öffnungen; (b) sphärischer Stufenkeil; (c) Halbraumkante; (d) und (e) Vorder- und Rückansicht des Multigeometriequaders.

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