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Micro gears are applied in an increasing quantity in many applications. Therefore, precise measurements are of growing importance to ensure their quality. This contribution describes the measurement of gears of a micro planetary gear set with a tactile probe, a tactile-optical probe, an optical sensor, and computed tomography (CT). For the tactile measurements, a high precision piezoresistive microprobe was used. A so-called fiber probe was applied for tactile-optical measurements. This probe applies image processing to determine the position of the tactile probing element. For all tactile and tactile-optical measurements, single point probing was used. The optical measurements were carried out with an imaging sensor based on focus variation. Due to limited accessibility, on some gears not all regions could be measured by the optical sensor and the tactile-optical probe. In contrast to this, with CT the whole part could be measured with high point density. We used a micro-CT system and carried out measurements with Synchrotron-CT. All the sensors used deliver measurement data in Cartesian coordinates. It is a challenge to transfer these data into coordinates in which gear parameters are defined. For this, special attention must be paid to the determination of the gear axis and to the orientation of the teeth. The applied procedures are detailed for different micro gears. The comparison between data of different measurements was carried out successfully. The deviations between the CT data and the tactile or tactile-optical data lie in the range of only a few micrometers.
Industrial computed tomography (CT) today is an important method to analyze defects and to measure the geometry of technical products. The measurement capability of industrial CT often depends on the knowledge of the measurement errors being present. Only with this knowledge, effective corrections are possible by manufacturers, or adapted measurement procedures become possible for the customers. Thus, there is the strong need to have adequate reference standards both for the assessment of general dependencies and for the measurement of task-specific effects. Especially the latter are difficult to assess. This paper shows the application of a versatile dismountable workpiece-near reference body for the use with CT. The reference standard was made from a miniaturized cast aluminium (one-)cylinder head. It can be dismounted into four segments, each featuring reference geometries which enable a registration of CT measured and other reference datasets (e.g. from tactile CMM). The reference standard embodies complex freeform surfaces which are a challenging measurement task for CT and other sensors. Here the application of the reference standard is the study of the influence of material mixes. This is realized by adding pieces of other materials which disturb the mono-material measurement.
Results of the application of the reference standard are presented using data from industrial micro-CT systems and CMM reference data. A special emphasis is given on the workflow of the data processing and the data analysis.
Die Computertomographie (CT) hat sich als dimensionelle Messmethode in der industriellen Produktion etabliert. Durch Messungen an speziellen Prüfkörpern ist es möglich, quantitative Informationen über die metrologischen Eigenschaften dimensioneller Messungen zu erhalten. In dieser Arbeit wird einen Aluminium-Guss-Prüfkörper (120 mm x 90 mm x 60 mm) benutzt, mit dem – in der vorliegender Form – auch der Einfluss von Materialien unterschiedlicher Schwächung auf dimensionelle CT-Messungen untersucht werden kann. Der Prüfkörper ist in vier Segmente zerteilt, so dass auch innenliegende, raue Gussfreiformflächen der taktilen Koordinatenmessung zugänglich sind. Durch adaptierte Rubinkugeln als Referenzstrukturen können die CT-Messdaten in taktile Referenz-Koordinatensysteme überführt werden. Um den Einfluss von Materialien unterschiedlicher Schwächung auf das dimensionelle Messen mit CT zu untersuchen, wurden stärker schwächende ZTA-Störkugeln (Zirconia Toughened Alumina) mit zur Ausrichtung geeigneter Symmetriebrechung in der Nähe von ausgewählten taktilen Messstellen angebracht.
Zur Bewertung der Messabweichungen dienen taktile Referenzmessungen an den ZTA-Kugeln sowie taktile Messungen an den Freiformflächen des Gussteils, wobei durch ein iteratives Antastverfahren eine verbesserte Erfassung der Geometrie auch bei starken lokalen Oberflächenkrümmungen sichergestellt wird.
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.
Data processing is an essential part of the evaluation of measurement results, e.g. in X-ray computed tomography
(CT). Some of these calculations are denoted as 'filtering'. Filtering is always a trade-off between an enhancement
of data quality and a loss of information. The standard reconstruction technique for CT data is t he filtered
back-projection. Additionally to the high-pass filter inherent to this technique, a suppression of high-frequency
noise is in most cases also necessary. Many different possible filter algorithms are found in the literature. Although
their effect on the signal-to-noise ratio and the spatial resolution is well-studied, it is not obvious how the
different filters affect the determination of the object's surface in the reconstructed data and, thus, the results of
dimensional CT measurements. We compare the results of industrial dimensional CT measurements obtained at
the same data set of a calibrated reference standard – a calotte cube – when using different filters and discuss the
implications. Filters under investigation are mainly median filters on projections and as well filters during filtered
backprojection and filters on the reconstructed volume.
Methode und Prüfkörper zum Nachweis von Gussdefekten in Aluminiumbauteilen mit Computertomographie
(2009)
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.
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.
The effects of refraction (phase-contrast) are normally considered as disturbances in high-resolution μCT-measurements. We show that in the case of small objects with low absorption a single-distance phase-retrieval algorithm not only reduces the edge enhancement, but also raises the signal-to-noise ratio sufficiently to allow dimensional measurements. This is exemplified at an optical element for optical fibre connectors.
The combination of tomographic, microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on material and component properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. This logic thread holds equally for industrial and academic research, and valorizes expensive experiments such as those carried out at synchrotron sources, which cannot be daily repeated. We shall show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing. We will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces.
Bikontinuierliche poröse Keramiken für Filteranwendungen weisen eine komplizierte Mikrostruktur auf, in der Poren und Festkörperphase 'vermischt' sind. Mechanische, thermische sowie Filtereigenschaften können nur präzise bestimmt werden, wenn die Morphologie beider Phasen quantitativ angegeben werden kann. Hier werden unter Anwendung von 3D Computertomographie (CT) und verschiedenen Techniken, die auf der Röntgenrefraktion basieren, die Porosität und die Porenorientierung in keramischen Cordierit-Dieselpartikelfiltern bewertet. Dabei werden zur Auswertung der Tomogramme die Fouriertransformierten sowie eine neu entwickelte richtungssensitive Bildanalyse (DIVA, directional interface variance analysis) angewandt. Sowohl die genannten Messtechniken als auch der statistische Ansatz gestatten die Extraktion optional ortsaufgelöster oder gemittelter Werte. Es ergeben sich sehr gute Übereinstimmungen der experimentell ermittelten Porositätswerte mit Ergebnissen aus Quecksilberintrusionsversuchen als auch der ermittelten Porenorientierung im Vergleich zu publizierten Angaben zur kristallographischen Textur. Dies legt den Schluss nahe, dass die Kenntnis der Grenzflächen (zwischen Poren und Materie) genügt, die morphologischen Eigenschaften solcher Materialien hinreichend zu beschreiben.
This poster presentation gives an overview of the great potential of X-ray micro computed tomography (CT) to cast light on the evolution of the microstructure in construction materials. Prevention of damage is of major economic and social importance in the development of suitable construction materials such as concrete and asphalt. Therefore a non-destructive testing method such as CT is an appropriate tool for visualization of the inner structure. Its combination with other test methods allows understanding the damage processes such as crack propagation or corrosion. We show examples of internal structure analyses on a wide range of materials: Automatic 3D crack detection and the visualization of corrosion products inside of steel reinforced concrete, pore and shape analysis of lightweight aggregates and the visualization of deformation of high-pressure loaded aerated concrete specimens, distribution of aggregates inside concrete, and determination of the surface of porous asphalt core samples. Segmented structures serve, e.g., as input data for simulation of transport phenomena or virtual load tests.
Die Computertomographie (CT) ist in der Medizin als Standardtechnik etabliert, in der zerstörungsfreien Prüfung wird sie zunehmend angewendet, in einzelnen Fällen sogar als Referenzverfahren eingesetzt. Gegenwärtig ist eine starke Zunahme von Anwendungen der CT in der Materialcharakterisierung zu verzeichnen. Zudem werden weitere moderne 3D-Techniken für werkstoffwissenschaftliche Fragestellungen genutzt, um die Mikrostruktur - auch in situ (z.B. Druck, Temperatur) - aufzuklären. Hier werden neben der konventionellen Absorptions-CT auch die Potenziale der Refraktions-CT zur Beantwortung prozesstechnischer sowie werkstofflicher Fragestellungen aufgezeigt, die ein „ganzheitliches Bild“ des jeweiligen Werkstoffs zum Ziel haben.
Numerical measurement uncertainty determination for dimensional measurements of microparts with CT
(2016)
Up to now, the only standardized method to determine the measurement uncertainty for computed tomography (CT) is to use calibrated workpieces as specified in the Guideline VDI/VDE 2630 Part 2.1. This paper discusses a promising numerical method for uncertainty determination with help of a virtual metrological CT (VMCT). It gives an explanation of the adjustments, the input parameters and the execution of the simulation. Furthermore, it discusses the first results of uncertainty determination compared to the method of using calibrated workpieces with the aid of two example cases.