CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive-Bereich · Quelle: VIVAVISION Quelle:...

17. Seminar Aktuelle Fragen der Durchstrahlungsprüfung und des Strahlenschutzes

1 Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/deed.de

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive-Bereich

Armin HOFMANN 1, Raimund RÖSCH 2, Ferdinand HANSEN 2, Frank JELTSCH 2, M. KURTZ 2, Sven GONDROM-LINKE 3, Thomas GÜNTHER 3

1 Volkswagen, Wolfsburg 2 Volkswagen, Hannover

3 Volume Graphics, Heidelberg Kontakt E-Mail: [email protected]

Kurzfassung

CT ist als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive-Bereich etabliert. In diesem Vortrag werden Praxisanwendungen sowie die Herausforderungen an CT-Inline-Systemen vorgestellt.

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Computertomografie als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐Bereich

Armin Hofmann, Volkswagen AG Wolfsburg

11.05.20182

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichAgenda

• Einleitung• Anwendungsbereiche• Voraussetzungen für den Einsatz von ZfP• Historie CT im Automotivebereich• CT - Anwendungen im Geschäftsprozess• Anwendungshistorie offline, atline, inline• Anwendungsbeispiel seriennahe atline-Prüfung in der Gießerei• CT-Betriebsarten in der Serienüberwachung• Voraussetzungen für eine vollautomatische CT-Prüfung• Wirtschaftlichkeitsbetrachtung• Herausforderungen und Anforderungen an ein Inline-CT-System• CT – Herausforderungen (aktuell, zukünftig)• Zusammenfassung• Ausblick

11.05.20183



CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichEinleitung

11.05.20184

Mit zerstörungsfreien Prüfungen (ZfP) können Bauteile hinsichtlich

ihrer Qualität untersucht werden und stehen im Anschluss

unverändert für eine weitere Verwendung zur Verfügung.

Computertomografie CT

Dichtheitsprüfung LT

Durchstrahlungsprüfung RT

Eindringprüfung PT

Magnetpulverprüfung MT

Mikromagnetik 3MA

Sichtprüfung VT

Thermographie TT

Ultraschallprüfung UT

Vibrationsanalyse VA

Wirbelstromprüfung ET

Terahertzprüfung TH

11.05.20185

Zerstörungsfreie Prüfverfahren sind aus unternehmerischer Sicht

hochgradig attraktiv.

Beitrag zur Reduzierung von Qualitätskosten in den

Produktionsbereichen (Prüf-, Fehlerkosten).

Frühzeitige Einbindung in die Konstruktion von Bauteilen und die

Planung von Fertigungsprozessen notwendig, um eine

wirtschaftliche Anwendung der zerstörungsfreien Prüfkonzepte zu

gewährleisten.

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichEinleitung

11.05.20186



CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichAnwendungsbereiche

11.05.20187

Eine Vielzahl an Prüfungen gewährleisten Qualität und Sicherheit!

• Motor

• Elektronik

• Lenkung

• Sicherheitsteile

• Fahrwerk

• Getriebe

• Karosserie

CT

CT

CT

CT

CT

CT

CT

11.05.20188



11.05.20189

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichVoraussetzungen für den Einsatz von ZfP

ZfP-Verfahren weisen einen komplexen Zusammenhang zwischen der

Ursache und Wirkung auf.

Gründliche Kenntnis der physikalischen Grundlagen und der damit

verbundenen Einflüsse sind für die korrekte Anwendung von ZfP-Verfahren

zwingend erforderlich.

Risiken:

• Verfahren nicht fähig – Pseudosicherheit, Fehlerschlupf• Personal nicht fähig (Schulung, Sehfähigkeit)• Investitionsleichen• Produkthaftung

11.05.201810

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichKomplexer Zusammenhang Ursache / Wirkung

CT ist eine etablierte Methode in der Medizin zur Diagnostik

direkte Umsetzung in eine Industrieanwendung ?

Umsetzung möglich, … mit diversen Anpassungen !

11.05.201811



11.05.201812

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT‐Systeme im Volkswagenkonzern

32 CT-Systeme10 Hersteller

GE

WerthMesstechnik

YXLON

Nikon

ZEISSVOLUMEGRAPHICS RayScan

Wenzel

varian

NordsonMATRIX

NSI

11.05.201813

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT‐Systeme im Volkswagenkonzern ‐ Einsatzbereich

Labor

Gießerei

Messraum

KarosseriebauKomponenten‐

fertigung

Inline / OnlineOffline

Bauteil CT

Atline

11.05.201814

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichHistorie

20302000 20202010

Automatische 3D-Porenauswertung analog VDG P201 / VW50097 an CT-Datensätzen.

Inline- / Atline-CT

XXL-CT

Metrologie-CT

Fast-CT

Automatische 2D-Porenauswertung analog VDG P201 / VW50097 an CT-Datensätzen.

Simulation (Messstrategie, -planung, -optimierung, Schulung), Anlagenspezifisch

Perfomance-TestQ-Check

DatenmanagementBackupVerfallsdatumDatenbank…

CT 4.0

CT additive Fertigung

11.05.201815



11.05.201816

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT ‐ Anwendungen im Geschäftsprozess

Vorentwicklung Service

Reverse Engineering

Prototypen – QualifizierungKonzeptbewertung / Gebrauchssicherheit / Worst Case‐Selektion / Formulierung von Zeichnungseinträgen

Baumuster‐ / Erstmusterprüfung

Planen / Entwickeln / Anwenden / Auditierenvon serienbegleitenden zfP‐Prüfkonzepten

Absicherung von Serienanläufen

Schadenanalysenin Erprobung Serie Feld

Seriennahe Prüfverfahren

Labor ‐ Prüfverfahren

Metalle, Kunststoffe, Zsb.‐Bauteile, Elektronikbauteile

11.05.201817

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT ‐ Bauteilspektrum

kleinst:5*3*2 mm

Keramikkondensatoren

Crimp

Drahtbonden Chip

Mikroschalter

Servomotor

Fensterheberhalter

klein:12*12*12 cm

Drehmomentstütze

Schaltkulisse

Kolben

mittelKlein < mittel > groß

Zylinderkopf

Zylinderblock

Dieselpartikelfilter

groß:50*25*15 cm

Fahrertür

Heckklappe

Sitze

sehr groß:> groß

11.05.201818


Prototypen – QualifizierungKonzeptbewertung / Gebrauchssicherheit / Worst Case‐Selektion / Formulierung von Zeichnungseinträgen

11.05.201819

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT ‐ Prototypenqualifizierung

11.05.201820

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT ‐ Prototypenqualifizierung

11.05.201821


Labor ‐ Prüfverfahren

11.05.201822

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT – Laborprüfung (Prüfstandsrückläufer)– additive Fertigung

Soll-Ist-Vergleich eines additiv gefertigten Bauteils, vor und nach demKlimawechseltest.

11.05.201823


Baumuster‐ / Erstmusterprüfung

11.05.201824

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT ‐ Erstmusterprüfung

1,11

-0,90

0,79

-0,90

Schnitt

Detail

11.05.201825


Reverse Engineering

11.05.201826

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT ‐ Reverse Engineering

Punktewolke

Prototyp

CAD-Modell

Neues Produkt product

Anforderungen

erfüllt?

Start Produkt

ja

nein

rapi

d pr

oduc

tdev

elop

men

t(R

PD)

reve

rse

engi

neer

ing

Datenaufnahme

Reverse Engineering

Rapid Prototyping (RP)

CT

stl-F

ile-E

rste

llung

(Pun

kzew

olke

)m

it VG

Stud

iom

ax

11.05.201827


Schadenanalysenin Erprobung Serie Feld

11.05.201828

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT ‐ Schadenanalyse

1. Metallelektrode

2. Keramik

3. Metallkontaktierung

1

Riss

11.05.201829


Seriennahe Prüfverfahren

11.05.201830

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT – Seriennahe Atline‐Prüfung (Clinchverbindung)

refe

renc

e: A

UD

I, D

r. Si

ndel

Ergebnis:Clinch-Verbindung in

Ordnung

Que

lle: A

UD

I, D

r. Si

ndel

11.05.201831

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT – Seriennahe Atline‐Prüfung (Gießerei)

Ergebnis der Optimierung:

Ideale Speiserformund –Lage wurde ermittelt.

Die Lunker liegen nun außerhalb der Bearbeitung.

11.05.201832

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT ‐ Seriennahe Prüfung

Absicherung von Serienanläufen

11.05.201833

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT ‐ Absicherung Serienanläufe

CFK-Monocoque XL1

Quelle: VIVAVISION

Quelle: Volumegraphics

11.05.201834


Planen / Entwickeln / Anwenden / Auditierenvon serienbegleitenden zfP‐Prüfkonzepten

11.05.201835


Ultraschallprüfung (RSWA) an WES

11.05.201836


Metalle, Kunststoffe, Zsb.‐Bauteile, Elektronikbauteile

11.05.201837


Brozeschwert (3000 Jahre alt)

Verbindung Heft / Klinge

11.05.201838



11.05.201839

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichAnwendungshistorie offline, atline, inline

20302000 20202010

Gießereiatline

Komponentenfertigungatline

Zunahme der atline CT‐Systeme (Messraum,

Gießerei, Karosseriebau, Komponentenfertigung).

Umsetzung in einem Inline‐Betrieb nur partiell.

Serien‐Integrierung CT in die Prozesskette (Industrie 4.0) für komplexe Bauteile noch

nicht in Sichtweite.

Gießereioffline

Laboroffline

Karosseriebauatline

Ganz-fahrzeug CT

Quelle: Fraunhofer XXL-CTDienstleister

Messraumatline

11.05.201840



11.05.201841


Ziele:

• verkürzter Anlauf für neue Serie

• Begleitende Betreuung der Qualität bei Produktwechseln

• Schnelleres erreichen von kalkulierten Projekt-Zielwerten

• Prozessoptimierung auf statistischer Basis

• sofortiger Befund zu Einzeluntersuchungen

• automatische Defektanalyse & Wanddicken-messung

• Größere Stichprobe für Festlegung von Maßnahmen

Substitution von vier herkömmlichen Analysemethoden:

• Schneiden/Sägen taktile Messung von Wanddicken

• Endoskopieren Detektion von Kernbrüchen, Sandresten, …

• Röntgen Gefüge-Analysen Porosität

• Taktile Messung Überprüfung von Kernlagen

11.05.201842


Anlaufoptimierung mit CT-Scans

Fehlerfeststellung:

Lunker im Bereich des Butzens wurde detektiert.

Erste Phase der Optimierung:

Speiser zum Sammeln der Lunker wurde auf den Butzen gesetzt.


Ideale Speiserformund –Lage wurde ermittelt.

Die Lunker liegen nun außerhalb der Bearbeitung.

11.05.201843


Anlaufoptimierung mit CT-Scans

Fehlerfeststellung:

Lunkernesterwurden detektiert.

Erste Phase der Optimierung:

Lunker wurden durch Speiser und Anpassung der Gießparameter reduziert.


Ideale Speiserlage und Parameter wurden ermittelt.

Die Lunker werden verhindert.

11.05.201844



11.05.201845

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT – Betriebsarten

Betriebsarten (hinsichtlich Auswertung)Röntgenprüfung (2D) CT‐Prüfung (3D)

manuell vollautomatischhalbautomatisch

Auswertung durch ADR‐Software(automatic defect recognize).

Auswertung erfolgt durch den Mitarbeiter.

i.O. ?n.i.O. ?

Entscheidung / Bewertung durch Mitarbeiter nur für

n.i.O..n.i.O. ?

100%‐Auswertung / Entscheidung durch ADR‐

Software (automaticdefect recognize).

i.O. /n.i.O.

100%‐Entscheidung / Bewertung durch

Mitarbeiter

i.O. ?n.i.O. ?

11.05.201846



11.05.201847

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichVoraussetzungen für eine vollautomatische CT‐Prüfung

Voraussetzungen:• Zur Zeit erfolgt die Auswertung (Porositätsanalyse, P202 bzw.

VW50093) der CT‐Daten auf Basis von Schnittbildern (2D, ausgenommen „Dimensionelles Messen“).

• Um das Potential der CT vollständig zu nutzen ist eine 3D‐Porositätsanalyse zielführend:

• Standard für 3D‐Porositätsvorschrift (BDG P203 Entwurf)

• Bauteile mit entsprechender Vorschrift

• Verbesserung der Datenqualität (bei geringer Messzeit)• Artefaktkorrekturen• IAR (Iterative Artefakt Reduktion )• Streustrahlgitter• …

• Optimierung / Erweiterung der Auswertesoftware• „Artificial Intelligence” bzw. künstliche Intelligenz

• „Machine Learning” bzw. maschinelles Lernen • „Deep Learning” mit künstlichen neuronalen Netzen

11.05.201848

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichVoraussetzungen für eine vollautomatische CT‐Prüfung

11.05.201849



11.05.201850

Herausforderungen

• Genehmigung des Investitionsvorhaben (Wirtschaftlichkeitsbetrachtung / Amortisierung)

• Ersatz einer bestehenden Prüfmethode / Einführung einer neuen Prüfmethode

• Warum eine Umstellung auf Computertomografie, wenn eine Röntgenprüfung etabliert ist?

Quelle: VisiConsult

2D‐Prüfung2D‐Prüfung

Quelle:GE Sensing & InspectionTechnologies GmbH

3D‐Prüfung3D‐Prüfung

?

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT – Seriennahe Inline‐Prüfung (Gießerei ‐ Wirtschaftlichkeitsbetrachtung)

11.05.201851


Herausforderungen Beschaffung / Investitionsvorhaben

• Genehmigung des Investitionsvorhaben (Wirtschaftlichkeitsbetrachtung / Amortisierung)

• Ersatz einer bestehenden Prüfmethode / Einführung einer neuen Prüfmethode

• Warum eine Umstellung auf Computertomografie, wenn eine Röntgenprüfung etabliert ist?

Gießplatz 1

Gießplatz 2

Gießplatz 3

Gießplatz 4

Gießplatz 5

Gießplatz 6

Rundtisch

11.05.201852

Taktzeit für Bauteil X

Tagesproduktion

CT-Systeme 5 Stück (Messzeit ca. 2 Minuten, 1 Reservesystem)

1,5 Mio.€ * 5 einmalig 4,5 Mio.€

Auswerterechner 10 PC‘s je CT-System 0,1 Mio.€ * 5 einmalig 0,5 Mio.€

Wartungs- / Servicevertrag (ohne Ersatzteile)

0,03 Mio.€ * 5 jährlich 0,15 Mio.€

VerschleißteileDetektor, Röhre, PC‘s, usw. 0,1 Mio.€ * 5 jährlich,

ab dem 2. Jahr

0,5 Mio.€

Verkettung im Prozess

0,15 Mio.€ * 5 einmalig 0,75 Mio.€

Personalkostenbei vollautomatischer Prüfung 1 Person /

Schicht (Einrichtungs- und Störungsbeseitigung)0,05 Mio.€ * 3 jährlich 0,15 Mio.€

Bei werkerunterstützter Auswertung (Nachbewertung 1 Person / Anlage / Schicht

inklusive Einrichtungs- und Störungsbeseitigung)

0,05 Mio.€ / Jahr * 5 * 3

jährlich 1,75 Mio.€

30 Sekunden

2880 Stück


11.05.201853


Investitionskosten: 5,9 Mio € für ein Bauteil (Gießprozess)

Personalkosten: 0,15 Mio.€ / jährlich vollautomatische Prüfung

1,75 Mio.€ / jährlich werkerunterstützte Prüfung

Wartungskosten: 0,15 Mio.€ / jährlich

Verschleißteile: 0,5 Mio.€ / jährlich ab dem 2. Jahr

Benefit:• verkürzter Anlauf für neue Serie

• Begleitende Betreuung der Qualität bei Produktwechseln

• Schnelleres erreichen von kalkulierten Projekt-Zielwerten

• Prozessoptimierung

• sofortiger Befund zu Einzeluntersuchungen

• automatische Defektanalyse & Wanddickenmessung

• Schnelle Ableitung von Maßnahmen

• Reduzierung Pseudoausschuß

• Industrie 4.0 Vorbereitung

Substitution von Analysemethoden:• Schneiden/Sägen taktile Messung von

Wanddicken

• Endoskopieren Detektion von Kernbrüchen, Sandresten, …

• Röntgen Gefüge-Analysen Porosität

• Taktile Messung Überprüfung von Kernlagen

11.05.201854



11.05.201855

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichHerausforderungen und Anforderungen an ein Inline‐CT‐System

Herausforderungen und Anforderungen an ein Inline‐CT‐System

• Realisierung einer vollautomatischen Auswertung (Porenanalyse, dimensionelles Messen, Merkmalserkennung, …) durch Verbesserung der Datenqualität

• Artefaktreduktion

• Verbesserung der Auswertesoftware (Standardauswertesoftware oft nicht ausreichend (Datenqualität, Artefakte), KI erforderlich?)

• Erstellung und Etablierung einer 3D‐Vorschrift

• Etablierung neuer Aufnahmeverfahren (z.B. Roboter‐CT) in der Fahrzeugfertigung (Bauteile mit schlechtem Aspektverhältnis und schlechter Zugänglichkeit z.B. Karosserieteile, ‐komponenten)

• Breites Anwendungs‐ und Teilespektrum, eine Anlage für unterschiedliche Bauteile

• Hohe Auflösung bei großen und schlecht zu durchdringenden Bauteilen (z.B. Batteriemodule, E‐Maschinen)

• Integrierung Health Monitoring (Fernwartung, prädiktive Wartung, Performanceüberwachung, Prüfmittelüberwachung) Minimierung Ausfallzeiten (Service, Reparatur)

• Integriertes Datenmanagementsystem (Klassifizierung der Daten hinsichtlich Aufbewahrungsfristen mit eigenständigen Löschroutinen)

• Integrierte Prüfmittelüberwachung

• Verkettung im Prozess (Industrie 4.0, Standardschnittstellen z.B. OPC‐UA)

• Verbesserung der Anlagenverfügbarkeit

11.05.201856



11.05.201857

CT als Instrument zur Qualitätssicherung im Automotive‐BereichCT – Herausforderungen (aktuelle, zukünftig)

Strukturkleben

Stützkleben

Falzkleben

Clinchen

Stanznieten

Verschrauben

Widerstandspunkt-schweißen

Laser-schweißen/

-löten

Bolzen-schweißen

MIG- Löten

MAG-SchweißenBuckel-

schweißen

thermischmechanischchemisch

Fügetechnologien

11.05.201858


1. Stromanschluss2. Batterie-Management-System (BMS)3. Fahrzeugheizung4. Hochvoltkabel5. Akkupacks6. Leistungselektronik7. Rekuperation8. Motorraum

E-Mobilität

11.05.201859


E-MobilitätAutonomes fahren - Sensorik Externe Sensoren: • Radar • LIDAR (Abstandsmessung mit

Laserstrahl)

Kameras: • sichtbares Licht • Infrarotkamera • Stereokamera • GPS/IMU (inertiales Navigationssystem) • Audio • Ultraschall

Fahrerbeobachtungssensoren: • sichtbares Licht Kamera • Infrarotkamera • LIDAR

Daten Kommunikation: • Can, Ethernet, … • Car2X

11.05.201860


Additive Fertigung

• Die neue Titanbremse wiegt mit 2,9 Kilogramm zwei Kilo weniger als das aktuelle Serien-Bauteil im Chiron!

• Neuer 8-Kolben-Monoblock-Bremssattel ist weltweit der erste Bremssattel, der aus dem 3D-Drucker kommt

• Bugatti verwendet als erster Serienhersteller Titan, das extrem kompliziert und herausfordernd in der Bearbeitung ist

11.05.201861



11.05.201862

Performanceüberwachung eines CT Systems im LaboreinsatzZusammenfassung

• CT ist als Instrument der Qualitätssicherung in vielen Anwendungsbereichen

im Automotive-Bereich fest etabliert (offline / atline).

• CT-Inline-Umsetzung (vollautomatische Prüfung) scheitert zur Zeit u.a. an

der Datenqualität, Auswertesoftware und fehlenden 3D-Vorschriften.

• KI als Unterstützung noch nicht implementiert

• Umsetzung Industrie 4.0. benötigt dieses u.a. als Voraussetzung

• positive Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird dadurch beeinflusst

• Aus den neuen Antriebs- (E-Mobilität) und Mobilitätskonzepten (autonomes

Fahren, Sensorik) sowie der additiven Fertigung, lassen sich zukünftige

Heraus- und Anforderungen für zukünftige CT-Konzepte ableiten.

11.05.201863



11.05.201864

Performanceüberwachung eines CT Systems im LaboreinsatzAusblick

Realisierung einer vollautomatischen Inline-CT-Prüfung als

Implementierung der Industrie 4.0 in der Prozesskette „Gießerei“.

Zeitpunkt: 2025?Gießplatz

1

Gießplatz 2

Gießplatz 3

Gießplatz 4

Gießplatz 5

Gießplatz 6

Rundtisch

09.04.2014 Armin Hofmann (GQL-M/5), 99052465

Kontakt: [email protected]

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