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Fahrwerkteile für Personenkraftwagen gelten als sicherheitsrelevante Bauteile und sind daher dokumentationspflichtig hinsichtlich ihrer Fertigungs- und Prüfparameter. Bei Fahrwerkteilen aus Leichtmetallguss, wie Aluminium-Kokillenguss, wird dem unter anderem durch eine Prüfung in vollautomatischen Röntgenanlagen Rechnung getragen. Dabei wird jedes einzelne Bauteil in mehreren vorgegebenen Prüfpositionen durchleuchtet. Die digitalen 2D-Röntgenaufnahmen werden als Graubilder einem Vergleich mit hinterlegten Masterbildern unterzogen. Die Prüfentscheidung zur Gut-Schlecht-Sortierung kann dann automatisch oder manuell erfolgen.
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Vollautomatisierte 2D-Röntgenanlagen sind in der industriellen Fertigung seit Jahrzehnten etabliert und werden vielfältig eingesetzt. Auch der Einsatz von 3D-Röntgenanlagen und Computertomographen (CT-Anlagen) für die Prüfung technischer Bauteile findet zunehmend Verbreitung, erfordert aber ein Vielfaches an Investitionen in die Prüf- und Auswertetechnik.
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Bei den in der industriellen Fertigung weit verbreiteten 2D-Röntgenanlagen erfolgt die Röntgenbilddarstellung und Fehlerdetektion immer nur anhand zwei-dimensionaler Bilder. Insbesondere erfolgt eine Projektion der drei-dimensionalen Bauteile und deren Fehlstellen auf eine zwei-dimensionale Graustufenverteilung detektierter Röntgentransmissionssignale. Mit dieser Projektion ist stets ein Informationsverlust verbunden, der die Detektion von Fehlstellen erschweren kann, insbesondere bei komplexen drei-dimensionalen Bauteilen.
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Nicht zuletzt der Einsatz der computer-gestützten Modellierung von Bauteilen, beispielsweise basierend auf FEM (Finite Elemente Methoden), hat dazu geführt, dass Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit und Lebensdauer oftmals von komplexen dreidimensionalen Strukturen, beispielsweise Tragwerken, und Unterstrukturen, beispielsweise Verrippungen und Sicken, abhängen. Innerhalb dieser komplexen 3D-Strukturen, treten Fehlstellen als dreidimensionale Unterstrukturen auf. Deren Erkennung ist dadurch erschwert, dass sich bekannte und unbekannte Fehlerschwerpunkte aufgrund von Prozessinstabilitäten örtlich verlagern können.
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Bislang wird der zunehmenden Komplexität der Bauteil-Geometrien beim Einsatz von 2D-Röntgenanlagen durch die Aufnahme mehrerer Röntgentransmissionsbilder des Bauteils in unterschiedlichen Bauteilorientierungen Rechnung getragen. Für komplexe Gussbauteile werden in der Regel sechs bis acht Aufnahmen des Bauteils mit verschiedenen Orientierungen (Raumlagen) erstellt. Die Festlegung der Bauteilorientierungen für diese Aufnahmen ist dabei ausschlaggebend für die Aussagekräftigkeit der detektierten Röntgenbilder. Es existieren jedoch keine objektiv reproduzierbaren Lösungen für die Festlegung der Bauteilorientierungen.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten hardwareseitig und softwareseitig aufwendigen Verfahren zur Röntgenanalyse von Bauteilen mittels Bildserien zur Fehlstellenprüfung lassen sich somit nicht beziehungsweise nur schwer auf ihre Effektivität überprüfen. Darüber hinaus leidet die Vergleichbarkeit der gewonnen Daten unter der eher willkürlichen Auswahl der Bauteilorientierungen durch einzelne Anwender. Die Nachteile der bekannten Verfahren zur 2D-Serienbildfertigung kommen mit zunehmender Artenvielfalt der Bauteile, beispielsweise durch unterschiedliche komplexe Konstruktionen, zunehmende Prozessvielfalt aufgrund verschiedener Formen und/oder Fertigungsanlagen für gleiche Bauteile, sowie zunehmenden Teilemengen immer mehr zum Tragen. Gleichzeitig ist der technisch prinzipiell mögliche Einsatz von 3D-Röntgenanlagen oder Computertomographen (CT) wirtschaftlich zumeist nicht sinnvoll.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine 2D-Röntgenanlage bereitzustellen, welche eine reproduzierbare Auswahl optimaler Prüflingsorientierungen für die 2D-Röntgen-Serienbildfertigung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Prüflingsorientierung für beziehungsweise in einer 2D-Röntgenanlage, wobei es sich um eine bestimmte 2D-Röntgenanlage handelt. Diese 2D-Röntgenanlage weist eine Röntgenquelle zum Erzeugen eines divergenten Röntgenstrahls, einen Prüflingshalter zum Positionieren des Prüflings in dem divergenten Röntgenstrahl mit variabler Prüflingsorientierung, und einen 2D-Pixeldetektor zum Erfassen eines den Prüfling durchdringenden Röntgentransmissionssignals auf.
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In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein dreidimensionales Modell eines dreidimensionalen Prüflings, im Folgenden als Prüflingsmodell bezeichnet, bereitgestellt. Das Prüflingsmodell ist dabei aus einer endlichen Anzahl von Voxeln gebildet. Bevorzugt handelt es sich um ein Konstruktionsmodell eines zu prüfenden Bauteils, beispielsweise CAD Modell, das im erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft verwendet werden kann. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich um ein Modell, das im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wird, insbesondere um ein Formfüll- und Erstarrungsmodell wie im Folgenden im Detail beschrieben. Dem Fachmann sind Mittel und Maßnahmen zum Erstellen von dreidimensionalen Modellen komplexer Bauteile, wie CAD oder FEM-Modelle, bekannt. Bevorzugt ist jedes Voxel des Prüflingsmodells durch seine Raumlage eindeutig charakterisiert, wobei die Raumlage bevorzugt durch kartesische Koordinaten oder Polarkoordinaten ausgedrückt ist. Das Prüflingsmodell weist mithin ein festes Bezugssystem auf, das zu einem festen Bezugsystem des Prüflings korrespondiert. Ferner bevorzugt ist das Volumen jedes Voxels identisch.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Simulation einer Röntgenanalyse des Prüflingsmodels in der vorgenannten 2D-Röntgenanlage für eine Mehrzahl von Prüflingsorientierungen. Mit anderen Worten erfolgt die Simulation einer Röntgentransmissionsmessung unter Verwendung eines Modells der 2D-Röntgenanlage, insbesondere der Röntgenquelle (Strahlleistung, Strahlaufweitung, etc.), des Prüflingshalters (Raumlage, Freiheitsgrade, etc.) und des 2D-Röntgendetektors (Auflösung, Detektionsvermögen, etc.), für das Prüflingsmodell und für verschiedene räumliche Ausrichtungen desselben. Die Prüflingsorientierungen sind dabei bevorzugt mittels des Prüflingshalters in der 2D-Röntgenanlage tatsächlich einstellbare Prüflingsorientierungen. Die Simulation der Röntgenanalyse weist dabei die Simulation der Strahlengänge der von der Röntgenquelle emittierten Röntgenstrahlen durch die Voxel des Prüflingsmodells auf die Pixel des 2D-Röntgendetektors und/oder die von den Pixeln des 2D-Röntgendetektors erfassten Signale, insbesondere die jeweils erfassten Röntgentransmissionsintensitäten, auf.
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In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jede Prüflingsorientierung und anhand der simulierten Röntgenanalyse sowie dem Prüflingsmodell eine Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit ermittelt. Die Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit ist dabei ein quantitatives Maß für die Wahrscheinlichkeit, mittels der Röntgenanalyse (Röntgentransmission) des Prüflings in der 2D-Röntgenanlage in einer bestimmten Prüflingsorientierung eine oder mehrere Fehlstellen zu detektieren. Bei den Fehlstellen handelt es sich um an beliebigen oder an bestimmten Stellen vermutete Fehlstellen des Prüflings. Eine Fehlstelle verursacht dabei stets eine Variation der Röntgentransmissionsintensität im Vergleich zu einer nicht Fehlstellen-belasteten Position des Prüflings beziehungsweise Prüflingsmodells. Besonders bevorzugt wird für ein Voxel mit Fehlstelle eine andere Interaktion mit der transmittierten Röntgenstrahlung angenommen als für ein Voxel ohne Fehlstelle. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit mit und ohne eine zusätzliche Eingabe zu den spezifischen Koordinaten zumindest einer potentiellen Fehlstelle durchführbar.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren werden somit eine dreidimensionale Anordnung einer für die Serienfertigung des Prüflings vorgesehenen Röntgenanlage in ein Datenmodell übernommen und für eine beliebig festgelegte Durchstrahlungsposition des Prüflings in der konkreten Röntgenanlage ein Fehlerabbildungspotential (Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit) als quantifizierbarer Wert für jedes Voxel im Bauteil ermittelt. Hierfür erfolgt eine Vorwärtsprojektion jedes Röntgenstrahles auf seinem Weg von der Röntgenquelle durch das Prüflingsvolumen bis zu dem jeweiligen Detektorpixel. Mit anderen Worten kann ein konkreter Durchstrahlungspfad ermittelt werden. Entsprechend der Auflösung der Detektorfläche des Röntgendetektors, die üblicherweise im Megapixel-Bereich liegt, kann dies hochaufgelöst für das gesamte durchstrahlte Prüflingsvolumen erfolgen. Im Ergebnis liefert die Kombination aus Prüflingsmodell und Simulation der Röntgenanalyse eine pro Voxel des Prüflingsmodells kumulierte Wahrscheinlichkeit für die Fähigkeit zur Detektion eines Fehlers. Insgesamt ergibt sich somit ein Maß für Eignung der jeweiligen Prüflingsposition zum Ermitteln von Fehlstellen eines entsprechenden Prüflings in einer realen Messung in der 2D-Röntgenanlage.
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In einem letzten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird schließlich zumindest eine, Prüflingsorientierung für eine tatsächliche Messung des Prüflings in der 2D-Röntgenanlage anhand der ermittelten Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten ermittelt. Im Ergebnis der ersten drei Schritte liegen für verschiedene Prüflingspositionen verschiedene kumulierte Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten vor. Die Auswahl einer tatsächlich für die Röntgenanalyse zu nutzenden Prüflingsposition gleicht mithin einem Optimierungsproblem. Bevorzugt werden die Prüflingsposition(en) ausgewählt, für die eine maximale Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit ermittelt wurde und die somit besonders geeignet sind, um mittels 2D-Röntgenanalyse, insbesondere mit einer begrenzten Anzahl von Transmissionsröntgenaufnahmen, beispielsweise 4 bis 12 Transmissionsröntgenaufnahmen, eine reproduzierbare Fehlstellenanalyse mit hoher Erfolgsaussicht durchführen zu können. Mit anderen Worten wird bei einer 2D-Röntgenanalyse in der 2D-Röntgenanlage mit der im erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten zumindest einen Prüflingsposition eine im Prüfling tatsächlich vorhandene Fehlstelle in der 2D-Röntgenanalyse mit hoher Wahrscheinlichkeit detektiert und erkannt.
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In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit für jedes Voxel des Prüflingsmodells und für jede Prüflingsorientierung ermittelt. Mit anderen Worten erfolgt eine Zuordnung einer quantitativen Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit zu jedem Voxel des Prüflingsmodells. In Abhängigkeit der konkreten Durchführung der Simulation, wie im Folgenden anhand zweier möglicher Implementationen beschrieben, erfordert die Zuordnung einer Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit zu jedem Voxel dabei die Durchführung der Simulation der Röntgenanalyse für eine oder mehrere Prüflingspositionen. Gemäß dieser bevorzugten Durchführungsform wird ferner die Summe der Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten für alle Voxel des Prüflingsmodells bestimmt. Schließlich wird gemäß dieser bevorzugten Durchführungsform zumindest eine Prüflingsorientierung für eine Messung des realen Prüflings in der realen 2D-Röntgenanlage ermittelt, für welche die Summe der Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten maximal ist. Mit anderen Worten erfolgt gemäß dieser Durchführungsform die Bestimmung der Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit Voxel-basiert, wohingegen die Bestimmung geeigneter Bauteilorientierungen anhand der summierten Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit erfolgt.
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In einer ersten bevorzugten Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere der Simulation der 2D-Röntgenanalyse des Prüflingsmodells, erfolgt eine Simulation eines Strahlengangs von der Röntgenquelle durch ein Voxel des Prüflingsmodels zu jedem Pixel des 2D-Röntgendetektors. Mit anderen Worten wird, beispielsweise für eine punktförmige Röntgenquelle (andere Quellengeometrien können ebenfalls verwendet werden), ein Ray-Tracing von der Quelle durch zumindest ein Voxel, in der Regel jedoch durch eine Vielzahl von Voxeln des Prüflingsmodells, hin zu den Pixeln des 2D-Röntgendetektors. Somit erfolgt eine Zuordnung von einer Mehrzahl von Voxeln zu einem Pixel des Detektors entlang eines bestimmten Strahlverlaufs, der bestimmt, welcher Detektorpixel die kumulierten Eigenschaften der entlang des Strahlverlaufs angeordneten Voxel repräsentiert.
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Gemäß dieser bevorzugten Durchführungsform wird die Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit schließlich basierend auf den simulierten Strahlverläufen oder basierend auf den Voxeln ermittelt. Bei einer auf den Strahlverläufen basierenden Simulation, werden solchen Strahlverläufen hohe Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten zugeordnet, auf denen eine möglichst geringe Anzahl von Voxeln angeordnet ist. Dies ergibt sich aus dem Einfluss, den jeder Voxel auf die Röntgentransmissionsintensität nimmt. Sind viele Voxel entlang eines Strahlverlaufs angeordnet, ist die Abweichung der kumulierten Röntgentransmissionsintensität aufgrund einer entlang des Strahlverlaufs angeordneten Fehlstelle geringer als bei weniger entlang des Strahlverlaufs angeordneten Voxeln. Mit anderen Worten nimmt das Signal-Rausch/Hintergrund-Verhältnis (SNR/SBR) mit zunehmender Länge des Strahlverlaufs ab. Bevorzugt werden gemäß dieser Durchführungsform solche Bauteilorientierungen ermittelt, bei denen die Summe der Längen aller Strahlverläufe im Bauteil möglichst gering ist. Bei einem flächig ausgeformten Bauteil, wird mithin eine Bauteilorientierung ermittelt, in der eine Durchstrahlungsrichtung parallel zur Normalenrichtung des flächigen Bauteils ist.
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Bei einer auf den Voxeln basierenden Ermittlung der Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit ist eine Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit eines Voxels des Prüflingsmodels entlang eines simulierten Strahlengangs bevorzugt umgekehrt proportional zu der Anzahl aller Voxel entlang des simulierten Strahlengangs. Bevorzugt wird jedem Voxel ein fester Ausgangswert für eine Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit zugeordnet. Dieser Ausgangswert wird dann für jede Simulation einer bestimmten Prüflingsorientierung in der Röntgenstrahlung anhand der Länge des Strahlverlaufs von der Quelle zum Detektor durch das jeweilige Voxel skaliert. Dabei wird der Wert der Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit eines bestimmten Voxels durch die Skalierung umso kleiner, je mehr andere Voxel auf dem Strahlengang durch das bestimmte Voxel liegen. Eine bevorzugte Prüflingsorientierung ist dann eine solche, bei der eine Summe der Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit für alle Voxel möglichst gering ist. Somit wird schließlich bevorzugt die Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit der Prüflingsorientierung als Summe der Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten aller Voxel bestimmt und wird zumindest eine Prüflingsorientierung ermittelt, bei der diese Summe minimal wird. Vorteilhaft können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere Prüflingsorientierungen ermittelt werden, für welche die Summe der Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten ein Minimum aufweist. Dabei ist die Ermittlung der Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten und Prüflingsorientierungen völlig unabhängig von irgendwelchem a priori Wissen zu der Lage von potentiellen Fehlstellen.
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In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das bereitgestellte dreidimensionale Prüflingsmodell mittels einer Formfüll- und Erstarrungssimulation ermittelt worden oder wird das Prüflingsmodell im erfindungsgemäßen Verfahren mittels einer Formfüll- und Erstarrungssimulation ermittelt. Dem Fachmann sind Formfüll- und Erstarrungssimulationen bekannt, die regelmäßig zur Abschätzung der Lage potentieller Fehlstellen in komplex geformten Bauteilen genutzt werden. Ein Beispiel für eine dem Fachmann bekannte Formfüll- und Erstarrungssimulation ist die Software MAGMASOFT®, welche die im Folgenden beschriebenen Funktionalitäten ermöglicht und frei erhältlich ist. Gemäß dieser Durchführungsform wird in dem durch die Formfüll- und Erstarrungssimulation ermittelten Prüflingsmodell jedem Voxel eine Materialfehlerwahrscheinlichkeit zugeordnet. Die Materialfehlerwahrscheinlichkeit ist dabei eine quantitative Größe, die für jedes Voxel des Modells angibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine Fehlstelle an diesem Voxel angeordnet ist.
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Gemäß dieser bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Simulation der Röntgenanalyse des Prüflingsmodells in der 2D-Röntgenanlage für jede Prüflingsposition ein simuliertes 2D-Detektorsignal ermittelt. Dabei wird für jedes Voxel ein quantitativer Wert für die Röntgenabsorption angenommen (beispielsweise als Koeffizient in Beer's Law), der von dem Wert der Materialfehlerwahrscheinlichkeit für dieses Voxel abhängt. Insofern ist auch in dieser Simulation eine Kenntnis notwendig, welches Voxel auf welchen Pixel des Detektors projiziert wird. Mit anderen Worten ist eine Zuordnung jedes Voxels zu einem bestimmten Detektorpixelsignal notwendig, wobei diese Zuordnung sich aus der Simulation der Röntgenanalyse ergibt. Darüber hinaus ist eine Simulation des Strahlverlaufs nicht notwendig.
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Gemäß dieser bevorzugten Durchführungsform wird ferner, für jedes Voxel, anhand der Materialfehlerwahrscheinlichkeit des Voxels und eines zu dem Voxel korrespondierenden simulierten Detektorpixelsignals eine Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit ermittelt. Besonders bevorzugt erfolgt eine quantitative Korrelation zwischen Materialfehlerwahrscheinlichkeit und Detektorpixelsignal und ist eine Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit proportional zu dieser quantitativen Korrelation. Beispielsweise kann die Korrelation unter Berücksichtigung der das Voxel umgebenden Voxel und der den Detektorpixel umgebenden Detektorpixel erfolgen. Dabei kann eine positive Korrelation ermittelt werden, wenn eine Abweichung der Materialfehlerwahrscheinlichkeit eines Voxels zu den umgebenden Voxeln sich in einer Abweichung des Detektorpixelsignals der zu dem einen Voxel korrespondierenden Detektorpixelsignale zu den umgebenden Detektorpixelsignalen widerspiegelt.
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Besonders bevorzugt wird, für jedes Voxel, anhand der Materialfehlerwahrscheinlichkeit des Voxels und einer Mehrzahl zu dem Voxel korrespondierenden simulierten Detektorpixelsignale eine Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit für das Voxel ermittelt. Verschiedene Detektorpixelsignale entsprechen dabei verschiedenen simulierten Prüflingsorientierungen. Somit wird gemäß dieser Durchführungsform ein Satz von Prüflingsorientierungen ermittelt, mit der in bestimmten Voxeln des Prüflings potentiell angeordnete Fehlstellen mit besonders hoher Wahrscheinlichkeit ermittelt werden können, insbesondere ortsaufgelöst ermittelt werden können. Sind in einer ersten Prüflingsorientierung mehrere Fehlstellen entlang eines Strahlverlaufs angeordnet, wird deren kumulierter Einfluss auf das Röntgentransmissionssignal detektiert. Bei einer Drehung des Prüflings um 90 Grad wirken sich die einzelnen Fehlstellen nunmehr auf verschiedene Detektorpixel aus. Somit wäre eine Messung des Prüflings mit zumindest diesen zwei um 90 Grad zueinander gedrehten Prüflingsorientierungen vorteilhaft.
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Besonders bevorzugt ist gemäß dieser bevorzugten Durchführungsform die Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit eines Voxels des Prüflingsmodels proportional zum Verhältnis aus der Materialfehlerwahrscheinlichkeit und allen zu dem Voxel korrespondierenden Detektorpixelsignalen. Alle zu dem Voxel korrespondierenden Detektorpixelsignale bezeichnet dabei die Summe der Intensitäten dieser Signale. Eine hohe Materialfehlerwahrscheinlichkeit eines Voxels sollte, sofern sie detektiert wird (abhängig von SNR/SBR), ein zu diesem Voxel korrespondierendes Detektorpixelsignal, das im vorliegenden Verfahren ein Röntgentransmissionssignal ist, verringern. Das heißt, das beschriebene Verhältnis steigt mit der Materialfehlerwahrscheinlichkeit und der Absenkung der detektierten Signale. Wirkt sich die Materialfehlerwahrscheinlichkeit hingegen nicht auf die Detektorpixelsignale aus, sprich bleiben diese hoch, wird das beschriebene Verhältnis gering. Besonders bevorzugt gehen in dieses Verhältnis mehrere für verschiedene Prüflingsorientierungen simulierte Detektorpixelsignale ein. Somit wird anhand des beschriebenen quantitativen Verhältnisses ein Satz von Prüflingsorientierungen ermittelt, mit dem die Fehlstellen des Prüflings optimal detektiert sind.
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In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der für eine Mehrzahl von Prüflingsorientierungen simulierten 2D-Detektorsignale ferner ein dreidimensionales Signalmodel des Prüflings ermittelt. Mit anderen Worten wird mit dem Signalmodell jedem Voxel des Prüflingsmodells ein simuliertes Detektionssignal, sprich eine zu diesem Voxel gemessene Intensität, zugeordnet. Dieses zu dem Voxel korrespondierende Detektionssignal wird als Detektorvoxelsignal bezeichnet. Gemäß dieser Durchführungsform kann eine Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit für jedes Voxel quantitativ anhand der Materialfehlerwahrscheinlichkeit des Voxels des Prüflingsmodels und eines zu dem korrespondierenden Voxel des Signalmodells korrespondierenden Detektorvoxelsignals ermittelt werden. In einer besonders einfachen Durchführungsform wird die Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit für jeden als Verhältnis aus Materialfehlerwahrscheinlichkeit und Detektorvoxelsignal bezeichnet. Dieses Verhältnis wird groß, wie oben beschrieben, sofern sich eine durch die Materialfehlerwahrscheinlichkeit ausgedrückte Fehlstelle in einer Abschwächung des Detektorvoxelsignals widerspiegelt, und klein, sofern eine vorhandene Fehlstelle (hohe Materialfehlerwahrscheinlichkeit) zu keiner Absenkung des Signals führt. Besonders bevorzugt werden dabei nur Voxel berücksichtigt, denen eine Materialfehlerwahrscheinlichkeit größer als ein vorbestimmter Grenzwert zugeordnet ist. Sofern Fehlstellen ermittelt werden sollen, die eine Erhöhung der Röntgenabsorption bewirken, ist entsprechend das Inverse der vorab beschriebenen Verhältnisse zu ermitteln.
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Besonders bevorzugt wird in dieser Durchführungsform eine Mehrzahl dreidimensionaler Signalmodelle ermittelt. Dabei ist jedes Signalmodell anhand einer Mehrzahl von Prüflingsorientierungen in der Simulation der Röntgenanalyse ermittelt. Folglich ist jedes Signalmodell an sich repräsentativ für einen bestimmten Satz von Prüflingsorientierungen. Sodann werden die Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten der Voxel für jedes Signalmodell ermittelt, wie oben beschrieben durch Korrelation mit den Voxeln ebenfalls zugeordneten Materialfehlerwahrscheinlichkeiten. Durch Auswahl des Signalmodells, für das sich bei gleichbleibendem Algorithmus die höchste Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten (oder die höchste summierte Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit) ergibt, wird somit gleichzeitig ein Satz von optimalen Prüflingsorientierungen für die reale Messung in der Röntgenanlage ausgewählt. Dieser Satz von optimalen Prüflingsorientierungen ist dabei eine Mehrzahl von Prüflingsorientierungen für eine Messung des Prüflings in der 2D-Röntgenanlage, für die eine maximale Summe der Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten ermittelt wurde.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine 2D-Röntgenanlage zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, mithin eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtete 2D-Röntgenanlage. Eine erfindungsgemäße 2D-Röntgenanlage weist insbesondere eine Röntgenquelle zum Erzeugen eines divergenten Röntgenstrahls, einen Prüflingshalter zum Positionieren des Prüflings in dem divergenten Röntgenstrahl mit variabler Prüflingsorientierung, einen 2D-Röntgendetektor zum Erfassen eines den Prüfling durchdringenden Röntgentransmissionssignals; und eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtete und/oder programmierte Steuereinheit auf.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Computerprogramm beziehungsweise ein Computerprogrammprodukt, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, auszuführen.
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Die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können dabei durch elektrische oder elektronische Bauteile oder Komponenten (Hardware), durch Firmware (ASIC) implementiert sein oder durch Ausführen eines geeigneten Programms (Software) verwirklicht werden. Ebenfalls bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren durch eine Kombination von Hardware, Firmware und/oder Software verwirklicht beziehungsweise implementiert. Beispielsweise sind einzelne Komponenten zum Durchführen einzelner Verfahrensschritte als separat integrierte Schaltkreise ausgebildet oder auf einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis angeordnet. Einzelne zum Durchführen einzelner Verfahrensschritte eingerichtete Komponenten sind ferner bevorzugt auf einem flexiblen gedruckten Schaltungsträger, einem gedruckten Schaltungsträger (PCB), einem Tape Carrier Package (TCP), oder einem anderen geeigneten Substrat angeordnet.
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Die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ferner bevorzugt als ein oder mehrere Prozesse ausgebildet, die auf einem oder mehreren Prozessoren in einem oder mehreren elektronischen Rechengeräten laufen und beim Ausführen von ein oder mehreren Computerprogrammen erzeugt werden. Die Rechengeräte sind dabei bevorzugt dazu ausgebildet, mit anderen Komponenten, beispielsweise einem Projektor des HUD sowie ein oder mehreren Sensoren beziehungsweise Kameras zusammenzuarbeiten, um die hierin beschriebenen Funktionalitäten zu verwirklichen. Die Anweisungen der Computerprogramme sind dabei bevorzugt in einem Speicher abgelegt, wie beispielsweise ein RAM-Element. Die Computerprogramme können jedoch auch in einem nicht-flüchtigen Speichermedium, wie beispielsweise einer CD-ROM, einem Flash-Speicher oder dergleichen abgelegt sein.
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Dem Fachmann ist ferner ersichtlich, dass die Funktionalitäten von mehreren Computern (Datenverarbeitungsgeräten) kombiniert oder in einem einzigen Gerät kombiniert sein können oder dass die Funktionalität von einem bestimmten Datenverarbeitungsgerät auf eine Vielzahl von Geräten verteilt vorliegen kann, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, ohne vom erfindungsgemäßen Verfahren abzuweichen.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische 2D-Röntgenanlage gemäß einer Ausführungsform; und
- 2 einen schematischen Ablauf eines Verfahrens gemäß einer Durchführungsform.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer 2D-Röntgenanlage 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei der erfindungsgemäßen Röntgenanlage 10 handelt es sich bevorzugt nicht um eine 3D-Röntgenanalge oder um eine als Computertomograph (CT) nutzbare 2D-Röntgenanlage. Stattdessen handelt es sich um eine in der Industrie verbreitet zum Prüfen von Bauteilen, insbesondere Gussteilen, eingesetzte 2D-Röntgenanlage 10.
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Eine solche Röntgenanlage 10 weist in der Regel zumindest die folgenden Bauteile auf. Zunächst eine Röntgenquelle 11, die beispielsweise als Röntgenröhre 11 ausgebildet ist, und die Erzeugung eines fokussierten Röntgenstrahls 15 mit variabler Röntgenenergie ermöglicht. Bei dem Röntgenstrahl 15 handelt es sich zunächst um einen divergenten Röntgenstrahl 15, die Röntgenquelle 11 weist jedoch bevorzugt Kollimatoren oder elektrische Linsen auf, die eine Fokussierung des Röntgenstrahls 15 ermöglichen.
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Der von der Röntgenquelle 11 emittierte Röntgenstrahl 15 wird auf einen Prüfling 14 gerichtet, der von einem Prüflingshalter 13 in einer bestimmten Raumlage, also einer bestimmten Prüflingsorientierung relativ zum Röntgenstrahl, positioniert und fixiert ist. Der Röntgenstrahl 15 durchdringt den Prüfling 14 und wird dabei teilweise von dem Material des Prüflings 14 absorbiert. Ein Röntgentransmissionssignal 16 verlässt den Prüfling 14 und kann mittels eines strahlabwärts des Prüflings 14 gelegenen 2D-Röntgendetektor erfasst werden. Dabei wird insbesondere die Intensität und/oder die Energie des Röntgentransmissionssignals von dem Detektor 13 erfasst.
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Das von dem Detektor 13 erfasste Röntgentransmissionssignal enthält Informationen über die innere Struktur des Prüflings 14. Beispielsweise zeigen Fehlstellen des Prüflings 14, insbesondere Hohlräume, eine andere Röntgenabsorption auf als die restlichen Bereiche des Prüflings 14. Somit können durch Detektion eines Röntgentransmissionssignals 16 für verschiedene Orientierungen (Raumlagen) des Prüflings 14 Informationen zu Auftreten und Position von Fehlstellen in dem Prüfling 14 ermittelt werden. Dabei ist es jedoch entscheidend, den Prüfling 14 in einer oder mehreren Orientierungen zu vermessen, die überhaupt eine Detektion der Fehlstellen, insbesondere eine ortsaufgelöste Detektion der Fehlstellen ermöglichen. Derartige Orientierungen des Prüflings 14 bei einer Messung des Röntgentransmissionssignals 16 in der 2D-Röntgenanlage 10 sind vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie im Folgenden anhand 2 kurz erläutert, auffindbar.
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In einem ersten Schritt S100 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein dreidimensionales Prüflingsmodell des dreidimensionalen Prüflings 14 bereitgestellt. Dieses Prüflingsmodell ist aus einer endlichen Anzahl von Voxeln gebildet, wobei jedes Voxel bevorzugt durch seine Raumlage (Orientierung), beispielsweise durch kartesische x-, y-, z-Koordinaten eines Voxelschwerpunkts, durch ein oder zwei Basisvektoren, beispielsweise vom Voxelschwerpunkt zu mindestens einer bestimmten Ecke des Voxels, und einem Voxelvolumen eindeutig bestimmt ist.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens S200 wird anhand des Prüflingsmodells und eines Modells für die in der 1 dargestellte Röntgenanlage 10 eine Mehrzahl von Prüflingsorientierungen des Prüflings 14 simuliert. Insbesondere werden Strahlengänge der Röntgenanalyse und/oder Detektorsignale der Röntgenanalyse simuliert, wie obenstehend im Detail beschrieben.
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In einem dritten Schritt S300 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der simulierten Röntgenanalyse, also insbesondere anhand Strahlengänge der Röntgenanalyse und/oder Detektorsignale der Röntgenanalyse, und dem Prüflingsmodell eine Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit für jede Prüflingsorientierung bestimmt. Bevorzugt wird zunächst für jedes Voxel in dieser Orientierung eine Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit bestimmt und schließlich eine summierte Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit für den gesamten Prüfling 14 in dieser Orientierung bestimmt.
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In einem vierten und letzten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens S400 wird schließlich anhand der ermittelten Fehlerdetektionswahrscheinlichkeiten zumindest eine Prüflingsorientierung, bevorzugt ein Satz von Prüflingsorientierungen, beispielsweise zwischen vier und zwölf Prüflingsorientierungen, ausgewählt, in denen die reale Messung des Prüflings 14 in der realen 2D-Röntgenanlage 10, wie in 1 dargestellt, durchgeführt werden soll, um Fehlstellen im Prüfling 14 mit möglichst hoher Wahrscheinlichkeit zu detektieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- 2D-Röntgenanlage
- 11
- divergente Röntgenquelle
- 12
- Prüflingshalter
- 13
- 2D-Röntgendetektor
- 14
- Prüfling
- 15
- divergenter Röntgenstrahl
- 16
- Röntgentransmissionssignal
