Ziel des Vorhabens ist die hochgenaue und vollständige Erfassung innerer und äußerer Geometrien von Mikrobauteilen mittels Mikro-Computertomographie (µCT). Industriell wichtige Mikrobauteile sind z.B. Einspritzsysteme, Festplattenkomponenten oder Instrumente für die minimal-invasive Chirurgie. Typische Bauteilgrößen liegen hier im Bereich 0,1 mm - 100mm; typische zu messende Strukturen haben Größen von 0,5 µm - 500 µm. Mit klassischen Methoden der Messtechnik ist eine schnelle und hochgenaue Erfassung der gesamten Oberfläche von Mikrobauteilen bisher kaum möglich. Innenstrukturen von Mikrobauteilen können mit keiner optischen oder taktilen Messtechnik zerstörungsfrei gemessen werden. Diese Einschränkungen sollen mittels hochgenauer µCT überwunden werden. Hierzu soll der Messprozess simuliert werden, um die Anwendung von Korrekturverfahren zur Genauigkeitssteigerung zu ermöglichen. CT-Messungen an kalibrierten Mikroprüfkörpern sollen die Korrekturverfahren verifizieren. Für die Kalibrierung der Prüfkörper sollen Multisensor-Verfahren entwickelt und getestet werden. Diese sollen es erlauben, Prüfkörper gleichzeitig hochgenau und mit großer Messpunktdichte zu kalibrieren. Es ist geplant, die an Prüfkörpern erreichten Messunsicherheiten und Auflösungen zum Projektabschluss an realen, industriellen Mikrobauteilen (z.B. Mikrozahnrädern) messtechnisch nachzuweisen.
Die industrielle Computertomographie (CT) ist ein gut bekanntes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken. In den letzten Jahren wird die CT aber zunehmend auch für dimensioneile Messungen von Werkstücken eingesetzt. Der wesentliche Vorteil der CT liegt in der Kompletterfassung mit hoher Messpunktdichte, die auch für andere Messverfahren unzugängliche, innere Geometrien einschließt. An kleinen Bauteilen können Strukturen bis herunter zu wenigen Mikrometern gemessen werden, wodurch sich das Verfahren gut für die Messung von Mikroteilen eignet. Nachteilig ist, dass viele Einflussgrößen das Messergebnis beeinflussen, was die Rückführung der Messergebnisse, die Bestimmung der Messunsicherheit und die Definition von Spezifikationen für CT-Anlagen erschwert.
Der Beitrag stellt nach einer Einführung in das Verfahren Anwendungsbeispiele der CT an Mikroteilen vor. Darüber hinaus geht der Beitrag auf Prüfkörper und -verfahren zur Einmessung und Überprüfung von CT-Anlagen ein und berichtet über aktuelle Normungsaktivitäten. Abschließend werden Möglichkeiten zur weiteren Steigerung der Auflösung aufgezeigt, um zukünftig möglicherweise auch Nanogeometrien messen zu können.
Phasenkontrastmessungen haben sich als hilfreich bei der
Kantenfindung von Strukturen mit nur geringem Absorptionskontrast erwiesen.
Solche Messungen können besonders gut mit monochromatischer Röntgenstrahlung
hoher räumlicher Kohärenz durchgeführt werden, wie sie bei der Synchrotron-
Computertomographie (SY-CT) benutzt wird. Nachteilig wirken sich allerdings die
Phasenverschiebung des Synchrotronstrahls über das Strahlprofil und damit die
Kantenverbreiterung in den zu untersuchenden Strukturen aus. Daher ist ein
dimensionelles Messen mit normalen Rekonstruktionsverfahren nicht möglich. In
der vorliegenden Arbeit werden neue Filterverfahren zur Korrektur der
Phasenverschiebung unter Beibehaltung des erhöhten Kontrastes bei der
Rekonstruktion angewandt, um ausgewählte einkomponentige Referenzobjekte
hinsichtlich der dimensionellen Messeigenschaften zu untersuchen. Als Referenz
werden rückgeführte Messungen mit taktilen Koordinatenmessmaschinen
herangezogen. Die Untersuchungen wurden im freien Strahl durch Variation des
Abstandes zwischen Objekt und Detektor am Strahlrohr der BAM am Helmholtz-
Zentrum Berlin für Materialien und Energie - Speicherring BESSY II durchgeführt.
Computertomographische Aufnahmen von Objekten mit stark
voneinander abweichenden Absorptionseigenschaften stellen sowohl für den
Anwendungsbereich der zerstörungsfreien Prüfung als auch für den der
dimensionellen Messtechnik eine besondere Herausforderung dar. Die
Aufnahmekonfiguration kann bei Objekten dieser Art häufig nicht so gewählt
werden, dass die unterschiedlichen Materialeigenschaften mit ausreichender Qualität
abgebildet werden können. Aus diesem Grund ist eine objektive Bewertung der
Oberflächenmessung mit Hilfe eines in dieser Untersuchung eingeführten
Qualitätsmaßes erforderlich. Anhand der in dieser Arbeit vorgestellten
Prüfkörperserie soll der Einfluss der Materialzusammensetzung auf das
dimensionelle Messen mit CT erfasst und charakterisiert werden. Unter
Berücksichtigung der Qualitätsbewertung der Oberflächenpunkte erfolgt die
Berechnung der Form- und Abstandsabweichungen. Ziel ist es, die Genauigkeit der
Oberflächenmessung hinsichtlich unterschiedlicher Aufnahmeparameter und
Materialzusammensetzungen darzustellen. Anhand dieser Ergebnisse ist es möglich,
den computertomographischen Aufnahme- und Auswertungsprozess quantitativ zu
bewerten und Ursachen der Abweichungen zu diskutieren.
Anhand des hier vorgestellten zylindrischen Prüfkörpers, an dem
Kugeln aus einem Material mit einem hohen Absorptionskoeffizienten und sehr
geringen Formabweichungen angebracht wurden, können die geometrischen
Eigenschaften von CT-Anlagen untersucht werden. Die Basis der Auswertung
bilden die radiometrischen Aufnahmen. Mit Hilfe eines angepassten
Ellipsenoperators werden die Mittelpunkte der in den radiometrischen Aufnahmen
überlagerungsfrei abgebildeten Kugeln ermittelt. Anhand dieser Mittelpunkte
können die geometrischen Eigenschaften des Gesamtsystems zunächst rein an den
sich daraus ergebenen Spuren diskutiert und in einem weiteren Schritt
photogrammetrisch mit Hilfe der Bündelblockausgleichung ausgewertet werden.
Die Untersuchungen zeigen, dass der Prüfkörper geeignet ist, die geometrischen
Eigenschaften von CT-Anlagen zu überwachen. In einem weiteren Schritt könnte
das vorgestellte Verfahren benutzt werden, um z.B. Abweichungen von Drehtischen
zu charakterisieren und ggf. zu korrigieren.