Computertomographie in der Verzahnungsmesstechnik

Dieser Artikel beleuchtet die Anwendung der Computertomographie (CT) in der Verzahnungsmesstechnik und legt dabei besonderes Augenmerk auf den direkten Vergleich der Verzahnungsparameter mit taktilen Verzahnungsmessgeräten. Ziel ist es, die beeindruckenden Möglichkeiten der CT-Technologie im Bereich der Verzahnungsmesstechnik zu demonstrieren und aufzuzeigen, welche großen Vorteile exaCT Computertomographen in der Verzahnungsmesstechnik bieten.

Die industrielle Computertomographie hat bereits seit einigen Jahren ihren festen Platz in der dimensionellen Messtechnik. Insbesondere bei der Bestimmung von komplexen Geometrien, die anderweitig optischen oder tastenden Verfahren nicht zugänglich sind, ist diese oft die einzige Möglichkeit, die geometrische Toleranz von Bauteilen zu prüfen. Ein großer Vorteil der Technik ist es, neben der geometrischen Prüfung gleichzeitig das Material des Bauteils auf Fehler zu prüfen, um diesbezügliche Bauteilversagen ebenfalls zu vermeiden.

‍

Analyse der Messfähigkeit der CT-Technologie an Verzahnungen
Die mögliche Anwendung der Computertomographie in der Verzahnungsmesstechnik ist hingegen noch relativ unbekannt. Der Grund hierfür lag an der bisher nicht vorhandenen Möglichkeit die CT-Messdaten nach bestehenden Normen der Verzahnungsmesstechnik auswerten zu können. Daraus folgte die mangelnde Rückführung. Der nicht vorhandene Fähigkeitsnachweis verhinderte bis jetzt den Einsatz in der Qualitätssicherung. Aus diesem Grund hat sich WENZEL, als langjähriger Hersteller von hochgenauen Verzahnungsmessmaschinen und schnellen Computertomographie-Messgeräten, jüngst darauf fokussiert, die Techniken miteinander zu kombinieren.

Durch den direkten Vergleich zwischen den Verzahnungsparametern, ermittelt durch taktile Messungen und durch CT-Scans, ist es nun erstmals möglich, eine Analyse der Messfähigkeit der CT-Technologie an Verzahnungen durchzuführen. Dieser Beitrag soll Qualitätsbeauftragte in der Verzahnungsmesstechnik über den aktuellen Stand der Technik informieren und damit dazu beitragen, die Rolle der CT als Messtechnik von Verzahnungen zu stärken.

‍

Vorteile und Schwierigkeiten von Verzahnungen aus Kunststoff
Aufgrund von Energieeinsparungsaspekten, verlagert sich der industrielle Fokus bei den Materialien für Maschinenkomponenten heutzutage zunehmend weg von schwereren Metalllegierungen, hin zu leichten Kunststoffen. Dies erfordert jedoch neben der Überprüfung der geometrischen Produktspezifikation auch einen zusätzlichen Prüfaufwand der potenziellen Haltbarkeit der nichtmetallischen Komponenten. Es ist allgemein bekannt, dass die Haltbarkeit von Maschinen-komponenten, die aus Kunststoffen bestehen, stärker unter Materialmängeln leidet als ihre Gegenstücke aus härteren Metalllegierungen. Das dies nicht immer mit einer Kostensteigerung verbunden sein muss, ermöglichen die industriellen Computertomographen von WENZEL.

Die industrielle Computertomographie mit Röntgenstrahlen eignet sich ideal für zerstörungsfreie Prüfungen von Kunststoffen. Um die CT-Technologie als zuverlässige Methode zur Verzahnungsmessung zu etablieren, werden unterschiedliche Messungen von Getriebeparameter miteinander verglichen. Bewertet werden die CT-Scans anhand von taktilen Referenzmessungen. Die vorgestellte Methode zur rückverfolgbaren Maßmessung von Verzahnungen mit CT orientiert sich an den bewährten Richtlinien ISO 10360 im Allgemeinen und VDI/VDE 2612/13 speziell für Messungen an Gewinden und Verzahnungen.

‍

Durchgeführte Untersuchungen
Als Testobjekt wurde eine durchmessende Geradverzahnung mit einem Normal Modul von 1,2 mm aus Kunststoff gewählt.

Die Größe eines Messobjekts ist für die Computertomographie ein sehr wichtiger Parameter. Die exaCT Computertomographie-Serie von WENZEL ist abgestimmt, um sehr kleine oder wahlweise auch große Bauteile präzise zu messen. Ein entscheidender Vorteil zur Kosteneinsparung ist es, dass der verwendete exaCT L 225 mit seiner herausragenden Leistung von max. 225 kV darüber hinaus auch die Möglichkeit bietet, mehrere Objekte gleichzeitig zu messen

‍

Dies ist möglich, wenn die Größe des Messobjekts in einem bestimmten Verhältnis zu dessen Merkmalsgrößen stehen, bzw. umgekehrt. Im Falle von Verzahnungen, ist es der Durchmesser des Zahnrads und das Modul. Das gewählte Zahnrad mit einem Durchmesser von ca. 45 mm und einem Modul von 1,2 mm erfüllt diese Bedingungen, und kann deswegen in Zukunft für weitere Tests bei Vielteile-Palettenmessungen verwendet werden.

Das als Referenz verwendete Verzahnungsmessgerät GT 450 von WENZEL ist eine hochpräzise Verzahnungsmessmaschine. Ihre Vorteile liegen in der genauen und schnellen Vermessung von Verzahnungen in Getrieben. Eine weitere Besonderheit der GT 450 ist die verwendetet Software WM | Gear. Die Software ermöglicht sowohl die Steuerung der Maschine als auch die Auswertung der Antastpunkte. WM | Gear übernimmt das Einfädeln des mechanischen Tastelements in die Verzahnung, die Aufnahme der Antastpunkte und die normgerechte Auswertung der taktilen Punktwolke.

Es können jegliche Verzahnungen, Gerad-, Schräg-, sowie Schneckenverzahnungen, in ihren Innen-, oder Außenvarianten analysiert werden.  Die Software verfügt über die exklusive WENZEL-Schnittstelle namens "virtuelles Koordinatenmessgerät". Diese ermöglicht es, die Messungen nicht mehr über die CNC-Steuerung einer WENZEL-Koordinatenmessmaschine durchzuführen, sondern sie stattdessen 1:1 virtuell im Speicher eines Computers anhand der CT-Daten eines WENZEL-Computertomographen zu realisieren.

‍

Die Abbildungen zeigen die Ergebnisse der Messberichte für die Kunststoff-Geradverzahnung. Die blauen Linien repräsentieren die Messpunkte, während die schwarzen Geraden die theoretische Kontur darstellen. Ein schwarzes Quadrat auf dem Karo des Berichtspapiers entspricht in dieser Einstellung einer Abweichung von 0,25 µm. Die Messergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung.

Insgesamt wurde für alle Verzahnungsparameter eine maximale Abweichung von weniger als 5 Mikrometern festgestellt. Die durchschnittlichen Abweichungen liegen dabei sogar unter drei Mikrometern. Obwohl es sich hierbei um erste Ergebnisse handelt, ist die erzielte Genauigkeit hervorragend. Die Ergebnisse belegen die Eignung der WENZEL exaCT-Serie als Messgerät vor Kunststoffverzahnungen.

Übliche geforderte Qualitätsklassen für Kunststoffräder von 5 -10 können mit dem CT-Verfahren verlässlich geprüft werden. Dies begründet sich vor allem darin, dass beim CT-Verfahren, im Unterschied zum taktilen Bereich, die Tastergröße praktisch beliebig klein sein kann.

Fazit: WENZEL exaCT Computertomographen, ermöglichen die schnelle und hochgenaue Vermessung von Zahnrädern und anderen Komponenten aus Kunststoff. Im Vergleich zu traditionellen Methoden bieten die Geräte eine deutliche Zeitersparnis und einige Highlights: Inspektion von Innen- und Außenverzahnungen, Prüfung von Materialdichte und -struktur, sowie Erstellung von 3D-Modellen für weitere Analysen. Die CT-Technologie von WENZEL ermöglicht es Unternehmen in der Verzahnungsbranche, frühzeitig Produktfehler zu erkennen, die Produktqualität zu steigern und den Fertigungsprozess effizienter zu gestalten.

‍

Autor: Dr. Uwe Hilpert, Produktmanager CT

‍

‍