Materialmix

Mutimaterialmodus-Algorithmus für CT-Analysesoftware

Im CT-Modell stellen sich manche Materialgrenzen bisher nicht immer eindeutig dar. Die aktuelle Version 3.3 der CT-Analysesoftware VGstudio Max wartet mit einem neuen Algorithmus auf, der für Klarheit im Werkstoffmix sorgt.

Bild 1 | In der CT-Darstellung von Multimaterialobjekten treffen aufgrund der unterschiedlichen Dichtewerte der Werkstoffe unterschiedliche Grauwerte aufeinander. Der neue Multimaterialmodus in VGstudio Max 3.3 sorgt hier für Klarheit. (Bild: Volume Graphics GmbH)

Qualitätsuntersuchungen mit Hilfe der Computertomographie (CT) beschränken sich nicht auf Einzelteile aus einem Werkstoff. Häufig besteht der Wunsch, komplette Baugruppen nach dem Zusammenfügen oder auch Fertigprodukte zu durchleuchten. Die Einzelteile werden häufig bis auf wenige µm genau gefertigt und dicht an dicht auf engem Raum gepackt. Typische Beispiele solcher Multimaterialobjekte sind elektrische Stecksysteme bestehend aus Kunststoffgehäusen und Kontaktstiften aus Metall. Die Zahl der Kontakte kann stark schwanken, bis zu 30 sind keine Seltenheit. Im Fertigzustand können Federn, Niete oder Schrauben als weitere Einzelteile hinzukommen. Noch komplexer sind Produkte mit mechanischem und elektronischem Innenleben, z.B. Handys, Fernbedienungen oder Laufwerke. Im Anschluss an die automatische Assemblierung funktioniert u.U. das Zusammenspiel der Komponenten nicht auf Anhieb. Zu stramme Befestigungselemente können z.B. einen Verzug bewirken, so dass bewegliche Teile klemmen oder Kontaktflächen sich nicht mehr berühren. Ein CT-Scan ist die komfortabelste Herangehensweise, nach Fehlern dieser Art zu suchen.

Bild 2 | Der Stecker aus Bild 1 wurde mit Hilfe des Mulitmaterialmodus in ein Netzmodell konvertiert. Das Modell eignet sich für die Weiterverarbeitung in Simulationssystemen. (Bild: Volume Graphics GmbH)

Überlappungen wo keine sind

Messungen an Multimaterialobjekten haben zuweilen jedoch ihre Tücken. Bislang musste der Qualitätstechniker die einzelnen Komponenten für sich segmentieren. Dabei konnte es vorkommen, dass die Oberflächenbestimmung bei zwei sich berührenden Materialien nicht nur eine, sondern zwei Begrenzungsflächen findet. Das CT-Modell zeigt dann Überlappungen oder Fugen, wo in Wirklichkeit keine sind. „Zwei verschiedene, aneinander grenzende Materialien stellen die Oberflächenfindung vor ganz andere Herausforderungen als ein Objekt, das nur von Luft umgeben ist“, erklärt Gerd Schwaderer, Product Manager Metrology & CAD bei Volume Graphics. „Die unterschiedlichen Materialien können sich gegenseitig beeinflussen, z.B. bei der typischen Kombination Kunststoff-Metall mit sehr unterschiedlichen Werten für die Dichte. Die gemeinsame Berührungsfläche wird dann nicht mehr als solche sichtbar.“ Der Qualitätstechniker muss in derartigen Fällen bisweilen manuell korrigieren. Er kann auch ein CAD-Modell als Startkontur zur Hilfe nehmen, um die Berechnung zu beschleunigen. Auf welches Hilfsmittel er auch zurückgreift, die Bestimmung der Oberfläche nimmt zusätzliche Zeit in Anspruch. Oft verzichtet er daher ganz auf den Mehraufwand und beurteilt den Zustand seiner Baugruppen nur qualitativ. Wo nachzubessern ist, bleibt dann aber unsicher.

Bild 3 | Das Beispiel zeigt die Abstandmessung zweier eingebetteter Metallbohrungsbuchsen in einem Kunststoffstecker aus Bild 1. (Bild: Volume Graphics GmbH)

Modus multimaterialer Objekte

Mit dem Release 3.3 von VGstudio Max kehrt nun Eindeutigkeit ein. Die lokal adaptive Oberflächenbestimmung der Software bietet einen neuen Modus für multimateriale Objekte. „Wir haben lange geforscht und entwickelt. Jetzt liegt uns ein Algorithmus vor, der die Oberflächenbestimmung innerhalb von Multimaterialobjekten zum Kinderspiel macht. Er kann zwischen angrenzenden Werkstoffen unterscheiden und findet zuverlässig ihre gemeinsame Berührungsfläche“, fährt Gerd Schwaderer fort. Prinzipiell besteht kein Limit für die Zahl der verschiedenen Einzelteile in einem Scan. Doch je mehr unterschiedliche Materialien und damit Grauwerte vorhanden bzw. je feiner die Unterschiede sind, desto komplexer wird es, die Einzelteile zu segmentieren. In der Praxis hält sich die Komplexität aber in Grenzen, da die meisten Multimatierialobjekte aus maximal vier bis fünf verschiedenen Werkstoffen bestehen. Für die Messtechnik bedeutet der neue Modus: Wenn der Verlauf einer Berührungsfläche auf Anhieb eindeutig ist, lässt sich der Abstand zu einer Bezugslinie oder -fläche ohne weitere Maßnahmen exakt messen. Das gilt sowohl für Messungen innerhalb eines Materials wie auch zwischen zwei unterschiedlichen Materialien. Die häufig engen Form- und Lagetoleranzen einer Baugruppe sind schnell und zuverlässig überprüfbar. Es entsteht kein zusätzlicher Zeitaufwand.

Umwandlung von Voxeldaten

Eine weitere Anwendung empfiehlt sich bei der Umwandlung von Voxeldaten in Volumennetze für den Export in fremde Simulationssysteme. Diese Funktion ist ebenfalls neu in VGstudio Max 3.3. Bei der Konvertierung der Voxeldaten werden Tetraeder als Elemente erzeugt. Wie in der Messtechnik trat bisher das Problem auf, dass zwischen Tetraedern aneinander grenzender Werkstoffe Lücken oder Überschneidungen entstehen. Für Simulationen wären solche Modelle nicht brauchbar. Erfolgt die Konvertierung auf Basis der Oberflächenbestimmung im Multimaterialmodus, entstehen exakte Netzmodelle, die keiner Nacharbeit mehr bedürfen.