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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil. Ferner betrifft die Erfindung ein Computertomographiesystem mit mindestens einer solchen Vorrichtung.
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In der industriellen Fertigung ist das Gießen von Metallen und Legierungen als Fertigungsverfahren für Bauteile weit verbreitet. Hierbei wird eine Schmelze aus einem flüssigen Metall bzw. einer Legierung in eine Hohlform gefüllt, in der die Schmelze anschließend erstarrt.
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Ein verbreitetes Gießverfahren ist der Kokillenguss, Hierbei wird ein Gussbauteil in einer Kokille und mittels eines darin eingelegten Sandkerns geformt. Ein Gussfehler, der hierbei auftreten kann, ist der Kernbruch. Dieser entsteht während des Urformens des Gussbauteils durch Beschädigungen des in die Gusskokille eingelegten Sandkerns. Ausprägungen eines solchen Kernbruchdefekts reichen von kleinen Erhebungen an einer Bauteilwand über poröse Oberflächen bis hin zu fehlerhaften Gusswänden. Ein Kernbruchdefekt ist ein kritischer Defekt, der zum Ausschuss des Gussbauteils führen kann.
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Kernbruchdefekte können sich insbesondere auf das Fließverhalten von Medien in dem Gussbauteil auswirken und führen bei einem großflächigen Verschluss eines durchströmten Querschnitts zu einer stark eingeschränkten Funktionsfähigkeit des Gussbauteils und unter Umständen zum Versagen der Funktion einer Vorrichtung, in der das Gussbauteil verbaut ist. Beispielsweise kann ein solcher Verschluss zum Versagen der Funktion eines Verbrennungsmotors führen.
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Es ist bekannt, Bauteile mittels eines Computertomographen zu überprüfen. Ein Computertomograph und ein Verfahren sind beispielsweise aus der
WO 2009/129994 A1 bekannt.
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Aus der
JP 2005 -
56 087 A sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines Defekts im Inneren eines Abgusses bekannt. Es ist vorgesehen, dass hierzu ein gemessenes Modell jedes Abgusses durch einen Röntgen-CT-Scan einer Vielzahl von Abgüssen erstellt wird, die unter den gleichen Bedingungen hergestellt wurden. Segmentierte Bereiche werden für das erhaltene gemessene Modell jedes Abgusses bereitgestellt, und das Vorhandensein oder Fehlen eines inneren Defekts wird für jeden segmentierten Bereich bestimmt. Die Bestimmungsergebnisse jedes Abgusses werden zusammengestellt und eine Häufigkeit des Auftretens von Innenfehlern für jeden segmentierten Bereich berechnet. Jeder Bereich wird durch die Verwendung unterschiedlicher Farben nach Auftrittshäufigkeit unterschieden, die auf ein durchscheinendes dreidimensionales geometrisches Modell gelegt und angezeigt wird.
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Aus der
DE 10 2006 022 103 A1 ist ein Verfahren zum Vermessen eines Festkörpers unter Verwendung eines den Festkörper durchstrahlenden ersten Vermessungsverfahrens (Computertomographieverfahren) in Verbindung mit einem zweiten Vermessungsverfahren zur Vermessung wenigstens einer Oberfläche des Festkörpers bekannt. Zur verbesserten Ausnutzung beider Vermessungsverfahren und zur optimierten Verrechnung der Ergebnisse ist vorgesehen, dass mittels der durch das zweite Verfahren gewonnenen Messwerte Punkten der Oberfläche des Festkörpers jeweils ein lokaler Segmentierungsschwellwert für die Auswertung der durch das erste Vermessungsverfahren gewonnenen Daten zugeordnet wird. Diese Schwellwerte können jeweils als Grundlage für die Ermittlung von weiteren lokalen Segmentierungsschwellwerten in der Umgebung der Punkte herangezogen werden.
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Aus der
DE 39 33 012 A1 ist ein eindringfreies Verfahren zum Prüfen von Hohlkörpern auf Fremdmaterialeinschlüsse mittels Positronenemissionstomographie bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es ist einer der Grundgedanken der Erfindung, einen durch einen Kernbruchdefekt bewirkten Verschlussgrad mit Bezug auf eine Hauptströmungsrichtung durch einen Hohlraum in dem zu überprüfenden Gussbauteil oder einen zu überprüfenden Abschnitt in dem Gussbauteil zu bestimmen. Dies erfolgt ausgehend von computertomographisch erfassten und erzeugten Volumendaten des Gussbauteils, welche insbesondere Volumendaten des Hohlraums umfassen. In den Volumendaten sind Bereiche, die dem Gussbauteil, einem Kernbruchdefekt innerhalb des Hohlraums des Gussbauteils und dem Hohlraum zugeordnet sind, insbesondere bereits identifiziert und markiert, das heißt für jedes Voxel in den Volumendaten ist bekannt, ob das Voxel das Gussbauteil, den Kernbruchdefekt oder den Hohlraum abbildet. Eine Unterscheidung dieser Bereiche kann beispielsweise mittels Verfahren des Maschinenlernens bzw. der Künstlichen Intelligenz erfolgen. Für jeden in den Volumendaten aufgefundenen Kernbruchdefekt wird eine Hauptströmungsrichtung im Bereich dieses aufgefundenen Kernbruchdefektes unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie bestimmt. Dies kann beispielsweise durch sequentielles Verdünnen („Thinning“) einer Durchströmungsgeometrie des Gussbauteils im Bereich dieses Kernbruchdefektes erfolgen. Übrig bleibt hierbei eine Linie, die eine Hauptströmungsrichtung markiert. Dies kann auch unter Berücksichtigung von Computer Aided Design-(CAD)-Daten des Gussbauteils erfolgen, in denen eine Hauptströmungsrichtung für den betrachteten Hohlraum innerhalb des Gussbauteils festgelegt ist. Für eine senkrecht auf dieser Hauptströmungsrichtung stehende Hauptebene wird mindestens ein Verschlussgrad bestimmt, wobei hierzu alle den aufgefundenen Kernbruchdefekt beinhaltenen Analyseebenen berücksichtigt werden. Die Analyseebenen sind mittels Voxel aus den Volumendaten gebildet und verlaufen jeweils orthogonal zur Hauptströmungsrichtung. Eine Position der Hauptebene kann beispielsweise ausgehend von einem Schwerpunkt des aufgefundenen Kernbruchdefekts festgelegt werden oder festgelegt sein. Der bestimmte mindestens eine Verschlussgrad wird mit mindestens einem Ausschusskriterium verglichen. Ein aus dem Vergleich abgeleitetes Vergleichsergebnis wird dazu verwendet, eine Ausschussentscheidung für das betrachtete Gussbauteil zu erzeugen. Die erzeugte Ausschussentscheidung (z.B. „Ausschuss JA“ / „Ausschuss NEIN“) wird ausgegeben, beispielsweise als analoges oder digitales Ausschussentscheidungssignal, beispielsweise in Form eines digitalen Datenpakets. Die Ausschussentscheidung bzw. das Ausschussentscheidungssignal kann anschließend beispielsweise zum Steuern eines nachfolgenden Fertigungsprozesses verwendet werden.
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Insbesondere wird ein Verfahren zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil zur Verfügung gestellt, wobei computertomographisch erfasste und erzeugte Volumendaten zumindest des Hohlraums in dem Gussbauteil empfangen werden, wobei für einen in den empfangenen Volumendaten aufgefundenen Kernbruchdefekt zum Bewerten des Kernbruchdefekts die folgenden Maßnahmen durchgeführt werden:
- - Bestimmen einer Hauptströmungsrichtung in dem Hohlraum des Gussbauteils im Bereich des aufgefundenen Kernbruchdefektes,
- - Bestimmen mindestens eines Verschlussgrades in einer auf der Hauptströmungsrichtung senkrecht stehenden Hauptebene unter Berücksichtigung einer Bauteilgeometrie des Gussbauteils, wobei hierzu alle den aufgefundenen Kernbruchdefekt beinhaltenden Analyseebenen berücksichtigt werden, wobei die Analyseebenen mittels Voxel gebildet sind und jeweils orthogonal zur Hauptströmungsrichtung verlaufen,
- - Vergleichen des bestimmten mindestens einen Verschlussgrades mit mindestens einem ersten Ausschusskriterium und
- - Erzeugen und Ausgeben einer Ausschussentscheidung auf Grundlage eines V erg leichsergebni sses.
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Ferner wird insbesondere eine Vorrichtung zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil geschaffen, umfassend eine Eingangseinrichtung, eine Recheneinrichtung und eine Ausgangseinrichtung, wobei die Eingangseinrichtung dazu eingerichtet ist, computertomographisch erfasste und erzeugte Volumendaten zumindest des Hohlraums des Gussbauteils zu empfangen, wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, für einen in den empfangenen Volumendaten aufgefundenen Kernbruchdefekt zum Bewerten des Kernbruchdefekts die folgenden Maßnahmen durchzuführen:
- - Bestimmen einer Hauptströmungsrichtung in dem Hohlraum des Gussbauteils im Bereich des aufgefundenen Kernbruchdefektes,
- - Bestimmen mindestens eines Verschlussgrades in einer auf der Hauptströmungsrichtung senkrecht stehenden Hauptebene unter Berücksichtigung einer Bauteilgeometrie des Gussbauteils, wobei hierzu alle den aufgefundenen Kernbruchdefekt beinhaltenden Analyseebenen berücksichtigt werden, wobei die Analyseebenen mittels Voxel gebildet sind und jeweils orthogonal zur Hauptströmungsrichtung verlaufen,
- - Vergleichen des bestimmten mindestens einen Verschlussgrades mit mindestens einem ersten Ausschusskriterium und
- - Erzeugen einer Ausschussentscheidung auf Grundlage eines Vergleichsergebnisses, und
wobei die Ausgabeeinrichtung dazu eingerichtet ist, die erzeugte Ausschussentscheidung auszugeben.
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Ein Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung ist, dass das Bewerten von Kernbruchdefekten in Hohlräumen in Gussbauteilen vollautomatisiert durchgeführt werden kann. Hierbei ist ein Ausschusskriterium für alle überprüften (gleichartigen) Gussbauteile und alle Kernbruchdefekte das gleiche, das heißt es kann eine objektive Prüfung erfolgen. Hierdurch kann das Überprüfen beschleunigt werden. Darüber hinaus kann eine Qualität beim Überprüfen erhöht werden. Insbesondere kann durch Betrachtung des Verschlussgrades direkt ein auftretender Verschluss in einem Hohlraum des Gussbauteils, wie dieser für ein durchströmendes Medium relevant ist, bewertet werden.
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Das Gussbauteil ist insbesondere ein Gussbauteil, das zumindest in einem zu überprüfenden Bereich oder Abschnitt von einem Medium durchströmt werden kann, das heißt das insbesondere mindestens einen Hohlraum aufweist, durch den ein Medium strömen kann. Dies kann beispielsweise ein Rohrabschnitt oder ein Hohlzylinder etc. sein.
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Ein Verschlussgrad bezeichnet insbesondere ein Verhältnis zwischen Bereichen der Analyseebene bzw. Zielebene, die den Kernbruchdefekt beinhalten, zu einer Gesamtfläche, wobei die Gesamtfläche aus Bereichen, die den Kernbruchdefekt beinhalten und Bereichen des Hohlraums gebildet wird bzw. gebildet ist. Hierbei wird die Bauteilgeometrie des im Gussbauteil betrachteten Hohlraums berücksichtigt, das heißt es wird insbesondere nur ein Bereich bzw. eine Fläche betrachtet, die innerhalb eines für die Bewertung relevanten Teils des Hohlraums innerhalb des Gussbauteils liegt. Beinhaltet eine Analyseebene beispielsweise einen Anteil von 0,4 des Kernbruchdefektes und einen Anteil von 0,6 des Hohlraumes, so ist der Verschlussgrad 0,4 / (0,4+0,6) = 0,4 = 40 %.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Verfahren ein Erfassen und Erzeugen der Volumendaten mittels eines Computertomographiesystems umfasst. Das Computertomographiesystem ist beispielsweise ein Inline-Computertomographiesystem, das bei der Inline-Kontrolle in einer Fertigungslinie eingesetzt wird.
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Teile der Vorrichtung, insbesondere die Recheneinrichtung, können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Verfahren als computerimplementiertes Verfahren ausgeführt wird.
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Es wird insbesondere auch ein Computerprogramm geschaffen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, die Verfahrensschritte des offenbarten Verfahrens gemäß einer beliebigen der beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
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Darüber hinaus wird insbesondere auch ein Datenträgersignal geschaffen, das das vorgenannte Computerprogramm überträgt.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine erste Ausschusskriterium ein Überschreiten eines vorgegebenen ersten Grenzwertes für den mindestens einen Verschlussgrad in der Hauptebene umfasst. Der vorgegebene erste Grenzwert wird beispielsweise in Form eines Parameterwertes vorgegeben bzw. empfangen. Als erster Grenzwert kann beispielsweise ein Wert von 50 % vorgegeben werden, das heißt ein Verschlussgrad darf nur maximal 50 % betragen. Gehören mehr als 50 % der Bereiche in einer betrachteten Ebene zu dem Kernbruchdefekt, so ist der Grenzwert überschritten und das Gussbauteil wird als Ausschuss bewertet.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest für jede orthogonal zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Analyseebene, die den aufgefundenen Kernbruchdefekt beinhaltet, ein Verschlussgrad bestimmt wird, wobei jeder bestimmte Verschlussgrad der Analyseebenen mit dem mindestens einen ersten Ausschusskriterium verglichen wird, und wobei die Ausschussentscheidung unter Berücksichtigung jeder dieser Analyseebenen erzeugt wird. Es kann hierbei beispielsweise vorgesehen sein, dass alle orthogonal zur Hauptströmungsrichtung verlaufenen Analyseebenen, die den Kernbruchdefekt beinhalten, sowie jeweils eine Analyseebene vor und hinter dem Kernbruchdefekt, die den Kernbruchdefekt nicht beinhalten, berücksichtigt werden. Für jede dieser Analyseebenen wird ein Verschlussgrad bestimmt und mit dem mindestens einen ersten Ausschusskriterium verglichen. Beinhaltet das mindestens eine erste Ausschusskriterium beispielsweise, dass keiner der Verschlussgrade den ersten Grenzwert (z.B. 50 %) überschreiten darf, so muss der bestimmte Verschlussgrad jeder dieser Analyseebenen diesen Grenzwert einhalten, damit das Gussbauteil nicht als Ausschuss bewertet wird.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ferner mindestens ein Nebenverschlussgrad in mindestens einer auf der Hauptebene senkrecht stehenden Nebenebene unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie des Gussbauteils bestimmt wird, wobei hierzu zumindest für jede parallel zur mindestens einen Nebenebene liegende Analyseebene, die den aufgefundenen Kernbruchdefekt beinhaltet, ein Nebenverschlussgrad bestimmt wird, wobei die für die Analyseebenen jeweils bestimmten Nebenverschlussgrade mit mindestens einem zweiten Ausschusskriterium verglichen werden, und wobei die Ausschussentscheidung unter Berücksichtigung von Vergleichsergebnissen zu jeder dieser Analyseebenen erzeugt wird. Hierdurch kann der Kernbruchdefekt auch in Abhängigkeit eines nicht in der Hauptebene liegenden Nebenverschlusses bewertet werden. Insbesondere kann hierdurch eine Ausschussentscheidung auch ausgehend von einer für die Nebenebenen vorgenommenen Bewertung beeinflusst werden. Insbesondere ist vorgesehen, zwei aufeinander senkrecht stehende Nebenebenen zu verwenden. Zusammen mit der Hauptebene können dann alle drei räumlichen Dimensionen betrachtet und berücksichtigt werden. Die Hauptebene und zwei Nebenebenen können beispielsweise auf Koordinatenachsen eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems senkrecht stehende Ebenen sein.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine zweite Ausschusskriterium ein Überschreiten eines vorgegebenen zweiten Grenzwertes durch den für die Analyseebenen jeweils bestimmten Nebenverschlussgrad umfasst, wobei das mindestens eine zweite Ausschusskriterium ferner ein Überschreiten eines vorgegebenen dritten Grenzwertes durch den jeweils bestimmten Nebenverschlussgrad einer vorgegebenen Mindestanzahl von Analyseebenen parallel zur mindestens einen Nebenebene umfasst. Der zweite Grenzwert und/oder der dritte Grenzwert können beispielsweise in Form von Parameterwerten vorgegeben bzw. empfangen werden. Um ein Gussbauteil nicht als Ausschuss zu bewerten, dürfen die jeweils bestimmten Verschlussgrade in den mit den Nebenebenen korrespondierenden Analyseebenen, die den Kernbruchdefekt beinhalten, insbesondere jede für sich genommen den zweiten Grenzwert (z.B. 60 %) nicht überschreiten und zusätzlich darf auch der bestimmte Verschlussgrad einer vorgegebenen Mindestanzahl (z.B. die Hälfte dieser Analyseebenen) einen dritten Grenzwert (z.B. 50 %) nicht überschreiten. Das heißt, insbesondere müssen beide Bedingungen erfüllt sein, damit das Gussbauteil nicht als Ausschuss bewertet wird.
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In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen des mindestens einen Verschlussgrades eine Quellebene und eine Zielebene festgelegt werden, welche mit Bezug auf die Hauptströmungsrichtung vor und hinter dem aufgefundenen Kernbruchdefekt angeordnet sind und jeweils orthogonal zur Hauptströmungsrichtung verlaufen, und wobei für jeden Analysepunkt der Quellebene ein Vektor parallel zur Hauptströmungsrichtung zu einem Analysepunkt der Zielebene definiert wird, wobei jedem dieser Analysepunkte der Zielebene ein binärer Wert in Abhängigkeit davon zugeordnet wird, ob der jeweilige Vektor zumindest einen Bereich des aufgefundenen Kernbruchdefekts durchdringt oder nicht, und wobei der mindestens eine Verschlussgrad in Abhängigkeit eines Anteilverhältnisses zwischen den jeweils zugeordneten binären Werten bestimmt wird. Hierdurch kann ein Verschluss durch den Kernbruchdefekt bestimmt werden, wie er sich für ein durchströmendes Medium in dem Gussbauteil durch den Kernbruchdefekt ergibt. Der von den Vektoren zwischen der Quellebene und der Zielebene durchdrungene Bereich umfasst insbesondere zumindest alle orthogonal zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Analyseebenen, die den aufgefundenen Kernbruchdefekt beinhalten. Insbesondere kann hierbei direkt eine Information über eine dreidimensionale Struktur des Kernbruchdefekts genutzt werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass einander benachbarte aufgefundene Kernbruchdefekte, die zueinander in der Hauptströmungsrichtung einen Abstand aufweisen, der kleiner als ein vorgegebener Mindestabstand ist, beim Bewerten zu einem Kernbruchdefekt zusammengefasst werden. Hierdurch können einzelne Kernbruchdefekte von Gruppen benachbarter Kernbruchdefekte unterschieden werden. Insbesondere können durch das Zusammenfassen benachbarter Kernbruchdefekte Beeinflussungseffekte zwischen diesen eng benachbarten Kernbruchdefekten berücksichtigt werden. Der Mindestabstand kann beispielsweise empirisch bestimmt werden, indem untersucht wird, wann ein Abstand so klein ist, dass eine strömungsmechanisch relevante Beeinflussung durch benachbarte Kernbruchdefekte erfolgt. Der Abstand, ab dem eine solche Beeinflussung relevant wird, legt dann den Mindestabstand fest.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ausschussentscheidung zusätzlich unter Berücksichtigung einer Form des Kernbruchdefektes erzeugt wird. Hierdurch kann auch eine Form des Kernbruchdefekts in die Ausschussentscheidung einfließen. Dies ist von Vorteil insbesondere dann, wenn der bestimmte mindestens eine Verschlussgrad allein nicht zu einem Ausschuss des Gussbauteils führen würde, die Form dennoch strömungsmechanisch ungünstig ist. Eine Anzahl von Bewertungskriterien, die beim Bewerten berücksichtigt werden, kann hierdurch erweitert werden. Beispielsweise kann berücksichtigt werden, inwiefern sich eine konkrete räumliche Verteilung des Kernbruchdefektes innerhalb der Bauteilgeometrie strömungsmechanisch auswirkt. So ist ein strömungsmechanischer Effekt beispielsweise bei gleichem Verschlussgrad davon abhängig, an welchen Positionen im Querschnitt des Hohlraums innerhalb des Gussbauteils sich der Kernbruchdefekt bzw. einzelne Teile hiervon befinden. Neben einem rein verhältnisorientierten Verschlussgrad kann daher insbesondere auch eine Verteilung des Kernbruchdefektes bzw. zugehöriger Analysepunkte berücksichtigt werden, beispielsweise indem ein Schwerpunkt bzw. ein Mittelwert des Kernbruchdefektes und/oder eine Streuung bzw. eine Standardabweichung berücksichtigt werden. Hierbei können beispielsweise weitere Ausschusskriterien festgelegt werden, die den Schwerpunkt bzw. Mittelwert und/oder die Streuung bzw. die Standardabweichung betreffen. Ferner können beispielsweise Bereiche innerhalb der Bauteilgeometrie über eine Gewichtung unterschiedlich stark bewertet werden.
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Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile der Vorrichtung sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.
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Weiter wird insbesondere auch ein Computertomographiesystem geschaffen, umfassend mindestens eine Vorrichtung nach einer der beschriebenen Ausführungsformen. Das Computertomographiesystem ist insbesondere ein industrielles Computertomographiesystem.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil;
- 2a, 2b schematische Darstellungen zur Verdeutlichung einer Ausführungsform des Verfahrens zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil;
- 3a-3e schematische Darstellungen zur Verdeutlichung einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil;
- 4a-4c schematische Darstellungen zur Verdeutlichung einer Berücksichtigung einer Form des Kernbruchdefektes;
- 5 schematisches Ablaufdiagramm von Ausführungsformen des Verfahrens zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Eingangseinrichtung 2, eine Recheneinrichtung 3, eine Speichereinrichtung 4 und eine Ausgangseinrichtung 5. Die Eingangseinrichtung 2 und die Ausgangseinrichtung 5 sind beispielsweise als Schnittstellen ausgebildet. Die Recheneinrichtung 3 kann auf in der Speichereinrichtung 4 hinterlegte Daten zugreifen und Rechenoperationen darauf ausführen. Insbesondere führt die Vorrichtung 1 das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil aus.
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Eine Anwendungssituation ist beispielsweise die folgende: An einer Fertigungslinie werden hergestellte Gussbauteile mittels eines Computertomographiesystems 50 computertomographisch erfasst und aus erfassten Durchstrahlungsbildern werden Volumendaten 10 erzeugt. Die Vorrichtung 1 kann auch Teil des Computertomographiesystems 50 sein.
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Die computertomographisch erfassten und erzeugten Volumendaten 10 des Gussbauteils werden der Eingangseinrichtung 2 zugeführt, diese empfängt die Volumendaten 10 und führt sie der Recheneinrichtung 3 zu, welche die Volumendaten 10 zur Bearbeitung in der Speichereinrichtung 4 hinterlegt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass in den Volumendaten 10 bereits Bereiche bzw. Voxel des Gussbauteils, eines ggf. aufgefundenen Kernbruchdefektes und von Hohlräumen identifiziert wurden, sodass deren jeweilige Positionen in den Volumendaten 10 bekannt sind. Die Identifikation wird beispielsweise mittels an sich bekannter Verfahren mittels des Computertomographiesystems 50 durchgeführt. Hierbei können beispielsweise Verfahren des Maschinenlernens bzw. der Künstlichen Intelligenz zum Einsatz kommen.
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Die Recheneinrichtung 3 führt für jeden in den Volumendaten 10 des Gussbauteils aufgefundenen Kernbruchdefekt die im Folgenden näher beschriebenen Maßnahmen durch, um den Kernbruchdefekt zu bewerten.
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Ausgehend von einer Bauteilgeometrie des Gussbauteils bestimmt die Recheneinrichtung 3 eine Hauptströmungsrichtung in dem Hohlraum des Gussbauteils im Bereich des aufgefundenen Kernbruchdefektes. Dies kann beispielsweise durch sequentielles Verdünnen („Thinning“) des Gussbauteils bzw. des betrachteten Hohlraums im Bereich des aufgefundenen Kernbruchdefektes erfolgen.
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Die Recheneinrichtung 3 bestimmt dann mindestens einen Verschlussgrad in einer auf der Hauptströmungsrichtung senkrecht stehenden Hauptebene unter Berücksichtigung einer Bauteilgeometrie des Gussbauteils. Das heißt der Verschlussgrad wird für einen innerhalb des Hohlraums des Gussbauteils liegenden Bereich bestimmt. Hierbei werden alle den aufgefundenen Kernbruchdefekt beinhaltenden Analyseebenen berücksichtigt, wobei die Analyseebenen mittels Voxel aus den Volumendaten 10 gebildet sind und jeweils orthogonal zur bestimmten Hauptströmungsrichtung verlaufen.
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Die Recheneinrichtung 3 vergleicht den bestimmten mindestens einen Verschlussgrad mit mindestens einem ersten Ausschusskriterium 20. Das mindestens eine erste Ausschusskriterium 20 wird als Parameter vorgegeben und wird beispielsweise ebenfalls von der Eingangseinrichtung 2 empfangen und der Recheneinrichtung 3 zugeführt. Das mindestens eine erste Ausschusskriterium 20 umfasst insbesondere ein Überschreiten eines vorgegebenen ersten Grenzwertes für den mindestens einen Verschlussgrad in der Hauptebene.
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Die Recheneinrichtung 3 erzeugt auf Grundlage eines Vergleichsergebnisses eine Ausschussentscheidung 30, die von der Ausgangseinrichtung 5 ausgegeben wird, beispielsweise in Form eines Ausschussentscheidungssignals. Die Ausschussentscheidung 30 kann anschließend beispielsweise einer Fertigungssteuerung 51 zugeführt werden, die mittels einer entsprechenden Selektionsvorrichtung (nicht gezeigt) das jeweils bewertete Gussbauteil aussondert oder zur weiteren Verarbeitung in die Fertigungslinie zurückführt.
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In den 2a und 2b sind schematische Darstellungen zur Verdeutlichung einer Ausführungsform des Verfahrens zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes 41 in einem Hohlraum 40 in einem Gussbauteil 400 gezeigt. Der Hohlraum 40 hat hierbei die Form eines Hohlzylinders bzw. eines Rohres und wird in einem beispielhaften Anwendungsszenario von einem Medium entlang einer Hauptströmungsrichtung 42 durchströmt. Die Hauptströmungsrichtung 42 wird durch Verdünnen („Thinning“) der Bauteilgeometrie im Bereich des Hohlraumes 40 bestimmt. Dies kann alternativ oder zusätzlich auch auf Grundlage von CAD-Daten des Hohlraums 40 erfolgen, deren Positionskoordinaten mit denen der Volumendaten 10 abgeglichen wurden, und in denen die Hauptströmungsrichtung 42 festgelegt ist.
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Die in den 2a und 2b gezeigte Form des Hohlraums 40 ist lediglich beispielhaft gewählt. Insbesondere können das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren und die Vorrichtung auch in gekrümmten Hohlräumen verwendet werden, in denen ein durchströmendes Medium eine Richtungsänderung erfährt.
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Mittels der festgelegten Hauptströmungsrichtung 42 wird durch den Kernbruchdefekt 41 eine Hauptebene 43 gelegt. Die Hauptebene 43 steht senkrecht auf der Hauptströmungsrichtung 42 und verläuft beispielsweise durch einen Schwerpunkt bzw. Mittelpunkt des Kernbruchdefektes 41. Die Hauptebene 43 kann in einem kartesischen Koordinatensystem beispielsweise auf einer x-Koordinate senkrecht stehen, sodass die Hauptebene 43 mit einer zugehörigen x-Ebene korrespondiert.
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Es ist in der gezeigten Ausführungsform vorgesehen, dass für jede Analyseebene 44-x (2b), die den aufgefundenen Kernbruchdefekt 41 beinhaltet, ein Verschlussgrad bestimmt wird. Die Analyseebenen 44-x werden mittels Voxel der Volumendaten gebildet und verlaufen jeweils orthogonal zur Hauptströmungsrichtung 42. Zum Bestimmen des Verschlussgrades wird für eine durch die Bauteilgeometrie des Gussbauteils 400 bzw. des Hohlraums 40 begrenzte Fläche ein Verhältnis zwischen einer Anzahl von Analysepunkten, die den Kernbruchdefekt 41 abbilden, und einer Gesamtanzahl von Analysepunkten, die entweder den Kernbruchdefekt 41 oder den Hohlraum 40, abbilden, bestimmt.
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Jeder bestimmte Verschlussgrad der Analyseebenen 44-x wird mit mindestens einem ersten Ausschusskriterium verglichen. Die Ausschussentscheidung wird anschließend unter Berücksichtigung des bestimmten Verschlussgrades für jede dieser mit der Hauptebene 43 korrespondierenden Analyseebenen 44-x erzeugt. Die in der 2b beispielhaft gezeigten Analyseebenen 44-x weisen von links nach rechts beispielsweise die folgenden Verschlussgrade auf: 10 %, 40 %, 35 % und 10 %.
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Ferner ist in der gezeigten Ausführungsform vorgesehen, dass mindestens ein Nebenverschlussgrad in zwei auf der Hauptebene 43 senkrecht stehenden Nebenebenen 45, 46 (2a) unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie des Gussbauteils 400 bzw. des Hohlraums 40 bestimmt wird. Die Nebenebenen 45, 46 korrespondieren in einem kartesischen Koordinatensystem mit einer y-Koordinate und einer z-Koordinate, sodass die Nebenebenen 45, 46 mit einer zugehörigen y-Ebene bzw. einer zugehörigen z-Ebene korrespondieren.
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Hierzu wird zumindest für jede jeweils parallel zu den beiden Nebenebenen 45, 46 liegende Analyseebene 47-x, 48-x (2b), die den aufgefundenen Kernbruchdefekt 41 beinhaltet, ein Nebenverschlussgrad bestimmt. Die für die Analyseebenen 47-x, 48-x jeweils bestimmten Nebenverschlussgrade werden mit mindestens einem zweiten Ausschusskriterium verglichen. Die Ausschussentscheidung wird unter Berücksichtigung von Vergleichsergebnissen zu jeder dieser Analyseebenen 47-x, 48-x erzeugt.
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Das zu bewertende Gussbauteil 400 wird nun insbesondere nach den folgenden Ausschusskriterien bewertet:
- - ein erstes Ausschusskriterium umfasst ein Überschreiten eines vorgegebenen ersten Grenzwertes für die jeweiligen Verschlussgrade der Analyseebenen 44-x, welche mit der Hauptebene 43 korrespondieren,
UND
- - ein zweites Ausschusskriterium umfasst ein Überschreiten eines vorgegebenen zweiten Grenzwertes durch den für die Analyseebenen 47-x, 48-x parallel zu den Nebenebenen 45, 46 jeweils bestimmten Nebenverschlussgrad UND ein Überschreiten eines vorgegebenen dritten Grenzwertes durch den jeweils bestimmten Nebenverschlussgrad einer vorgegebenen Mindestzahl von Analyseebenen 47-x, 48-x parallel zu den Nebenebenen 45, 46.
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Anders ausgedrückt wird das zu bewertende Gussbauteil 400 als Ausschuss bewertet, wenn ein bestimmter Verschlussgrad mindestens einer Analyseebene 44-x den ersten Grenzwert überschreitet UND/ODER wenn ein bestimmter Verschlussgrad mindestens einer der Analyseebenen 47-x, 48-x parallel zu einer der beiden Nebenebenen 45, 46 den zweiten Grenzwert überschreitet ODER wenn ein bestimmter Verschlussgrad einer vorgegebenen Mindestanzahl an Analyseebenen 47-x, 48-x parallel zu den beiden Nebenebenen einen dritten Grenzwert überschreitet.
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Hierbei sind die einzelnen Parameter beispielsweise wie folgt gewählt:
| - erster Grenzwert: | 50 % |
| - zweiter Grenzwert: | 60 % |
| - dritter Grenzwert: | 50 % |
| - Mindestanzahl: | 50 % aller den Kernbruchdefekt beinhaltenden Analyseebenen oder alternativ eine absolute Mindestanzahl an Analyseebenen (z.B. 3 oder 5 etc.) |
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Anders ausgedrückt darf kein Verschlussgrad der Analyseebenen 44-x (parallel zur Hauptebene 43) größer als 50 % (erster Grenzwert) sein UND kein Nebenverschlussgrad der Analyseebenen 47-x, 48-x parallel zu den Nebenebenen 45, 46 darf größer als 60 % (zweiter Grenzwert) sein UND ein Nebenverschlussgrad von weniger als der Hälfte (bzw. nur <3 oder <5) aller Analyseebenen 47-x, 48-x parallel zu den Nebenebenen 45, 46 darf einen Verschlussgrad von größer 50 % (dritter Grenzwert) aufweisen, damit das Gussbauteil 400 nicht als Ausschuss bewertet wird.
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Die beschriebene Ausführungsform ermöglicht insbesondere eine Bewertung auf Grundlage aller drei räumlichen Dimensionen des Kernbruchdefektes 41. Durch eine Berücksichtigung sämtlicher Analyseebenen 44-x, 47-x, 48-x in allen drei Dimensionen kann eine Bewertung insbesondere unter Berücksichtigung des gesamten Kernbruchdefektes 41 erfolgen.
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In den 3a bis 3e sind schematische Darstellungen zur Verdeutlichung einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes 41 in einem Hohlraum 40 in Gussbauteilen gezeigt. Der Ablauf des Verfahrens ist grundsätzlich der gleiche wie bei der in den 2a und 2b gezeigten Ausführungsform.
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Jedoch ist in der gezeigten alternativen Ausführungsform vorgesehen, dass zum Bestimmen des mindestens einen Verschlussgrades eine Quellebene 60 und eine Zielebene 61 festgelegt werden (3a), welche mit Bezug auf die Hauptströmungsrichtung 42 vor und hinter dem aufgefundenen Kernbruchdefekt 41 angeordnet sind und jeweils orthogonal zur Hauptströmungsrichtung 42 verlaufen.
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Ausgehend von jedem Analysepunkt der Quellebene 60 wird ein Vektor 62 (der Übersichtlichkeit halber sind beispielhaft nur zwei der Vektoren 62 mit einem Bezugszeichen versehen) parallel zur Hauptströmungsrichtung 42 zu einem Analysepunkt der Zielebene 61 geführt. Jedem dieser Analysepunkte der Analyseebene 61 wird ein binärer Wert in Abhängigkeit davon zugeordnet, ob der jeweilige Vektor 62 zumindest einen Bereich des aufgefundenen Kernbruchdefekts 41 durchdringt oder nicht. Im gezeigten Beispiel wird den Analysepunkten der Analyseebene 61 beispielsweise der Wert „0“ zugeordnet, wenn der jeweilige Vektor 62 auf einen Bereich des Kernbruchdefektes 41 trifft und somit nicht bis zur Analyseebene 61 vordringen kann, anderenfalls wird dem Analysepunkt der Wert „1“ zugeordnet.
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Dies ist schematisch in den 3b bis 3d gezeigt. Die 3b zeigt eine schematische Darstellung des Kernbruchdefekts 41 innerhalb des Hohlraums 40 sowie die Bauteilgeometrie (d.h. einen Querschnitt durch den Hohlzylinder), wobei schematisch auch eine jeweilige Position von Analysepunkten (bzw. zugehöriger Voxel in den Volumendaten 10) mittels quadratischer Kästchen markiert ist. Die 3c zeigt eine schematische Darstellung einer Analysepunkt-genauen (bzw. voxelgenauen) Abbildung des Kernbruchdefekts 41. 3d zeigt die Verteilung der binären Werte, die ausgehend hiervon den Analysepunkten der Zielebene 61 (3a) mit Hilfe der in Richtung der Zielebene 61 verlaufenden Vektoren 62 zugeordnet werden.
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Der Verschlussgrad wird in Abhängigkeit eines Anteilverhältnisses zwischen den jeweils zugeordneten binären Werten bestimmt. In dem gezeigten Beispiel (3d) ergibt sich ein Verhältnis von 20 × „0“ zu 17 × „1“, was einem Verschlussgrad von gerundet 20/(20+17) ≈ 54 % entspricht.
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Es kann vorgesehen sein, dass einander benachbarte aufgefundene Kernbruchdefekte 41, die zueinander in der Hauptströmungsrichtung 42 einen Abstand 49 aufweisen, der kleiner als ein vorgegebener Mindestabstand x_min ist, beim Bewerten zu einem Kernbruchdefekt 41 zusammengefasst werden. Dies ist schematisch in der 3e gezeigt, in der eine Gruppe aus zwei Kernbruchdefekten 41 dargestellt ist. Hierdurch kann eine strömungsmechanische Beeinflussung zwischen Kernbruchdefekten 41 berücksichtigt werden. In der beispielshaft gezeigten Gruppe aus Kernbruchdefekten 41 sind die beiden Kernbruchdefekte 41 derart angeordnet und weisen eine derartige Form auf, dass alle der Vektoren 62, die von Analysepunkten der Quellebene 60 in Richtung der Zielebene 61 ausgehen, einen der beiden Kernbruchdefekte 41 durchdringen. Allen Analysepunkten der Zielebene 61 wird daher der binäre Wert „0“ zugeordnet. Obwohl es sich um zwei voneinander getrennte Kernbruchdefekte 41 handelt, werden diese zusammengefasst, da ein Abstand 49 kleiner als ein Mindestabstand x_min ist. Für die beispielhafte Gruppe bzw. den zusammengefassten Kernbruchdefekt ergibt sich dann ein Verschlussgrad von 100 %.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Ausschussentscheidung zusätzlich unter Berücksichtigung einer Form des Kernbruchdefektes 41 erzeugt wird. Dies ist schematisch in den 4a bis 4c verdeutlicht. In allen drei Fällen ist der bestimmte Verschlussgrad der gleiche, nämlich etwa 57 %. Jedoch ist eine Form der Kernbruchdefekte 41 unterschiedlich, was sich für die gezeigte Analyseebene bzw. Zielebene in einer unterschiedlichen Anordnung der Bereiche ausdrückt, die den Kernbruchdefekt 41 abbilden. Insbesondere sind die strömungsmechanischen Eigenschaften durch die Kernbruchdefekte 41, die in den 4a und 4c gezeigt sind, stärker beeinträchtigt als durch den in der 4b gezeigten Kernbruchdefekt 41. Über eine Berücksichtigung der Form bzw. einer Verteilung des Kernbruchdefektes 41 in der Analyseebene bzw. Zielebene kann dies beim Erzeugen der Ausschussentscheidung berücksichtigt werden.
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In 5 ist ein schematisches Ablaufdiagramm von Ausführungsformen des Verfahrens zum automatisierten Bewerten eines Kernbruchdefektes in einem Hohlraum in einem Gussbauteil gezeigt.
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In einem ersten Verfahrensschritt 100 werden computertomographisch erfasste und erzeugte Volumendaten von einem zu überprüfenden Gussbauteil empfangen. Dies erfolgt insbesondere mittels einer Eingangseinrichtung. Es kann im Rahmen des Verfahrensschrittes 100 oder eines voranstehenden Verfahrensschrittes auch vorgesehen sein, die Volumendaten des Gussbauteils mittels eines Computertomographiesystems zu erfassen und zu erzeugen.
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Für einen in den empfangenen Volumendaten des Gussbauteils aufgefundenen Kernbruchdefekt werden zum Bewerten die Verfahrensschritte 101 bis 103 ausgeführt, insbesondere mittels einer Recheneinrichtung.
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In einem Verfahrensschritt 101 wird eine Hauptströmungsrichtung in dem Hohlraum des Gussbauteils im Bereich des aufgefundenen Kernbruchdefektes bestimmt. Dies kann auf Grundlage der empfangenen Volumendaten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können auch CAD-Daten des Gussbauteils hierfür verwendet werden.
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In einem Verfahrensschritt 102 wird mindestens ein Verschlussgrad in einer auf der Hauptströmungsrichtung senkrecht stehenden Hauptebene unter Berücksichtigung einer Bauteilgeometrie des Gussbauteils bestimmt, wobei hierzu alle den aufgefundenen Kernbruchdefekt beinhaltenden Analyseebenen berücksichtigt werden, wobei die Analyseebenen mittels Voxel gebildet sind und jeweils orthogonal zur Hauptströmungsrichtung verlaufen.
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In einem Verfahrensschritt 103 wird der bestimmte mindestens eine Verschlussgrad mit mindestens einem ersten Ausschusskriterium verglichen.
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In einem Verfahrensschritt 104 wird eine Ausschussentscheidung auf Grundlage eines in Verfahrensschritt 103 bereitgestellten Vergleichsergebnisses erzeugt.
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In einem Verfahrensschritt 105 wird die erzeugte Ausschussentscheidung ausgegeben, insbesondere mittels einer Ausgabeeinrichtung, beispielsweise als Ausschussentscheidungssignal. Dieses kann anschließend beispielsweise einer Fertigungssteuerung zugeführt werden.
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In dem Verfahrensschritt 102 kann in einer Ausführungsform des Verfahrens in einem Verfahrensschritt 200 vorgesehen sein, dass zumindest für jede parallel zur Hauptebene liegende Analyseebene, die den aufgefundenen Kernbruchdefekt beinhaltet, ein Verschlussgrad bestimmt wird, wobei jeder bestimmte Verschlussgrad der Analyseebenen mit dem mindestens einen ersten Ausschusskriterium verglichen wird, und wobei die Ausschussentscheidung unter Berücksichtigung jeder dieser Analyseebenen erzeugt wird.
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In einem Verfahrensschritt 201 ist dann vorgesehen, dass ferner mindestens ein Nebenverschlussgrad in mindestens einer auf der Hauptebene senkrecht stehenden Nebenebene unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie des Gussbauteils bestimmt wird, wobei hierzu zumindest für jede parallel zur mindestens einen Nebenebene liegende Analyseebene, die den aufgefundenen Kernbruchdefekt beinhaltet, ein Nebenverschlussgrad bestimmt wird. Die für die Analyseebenen jeweils bestimmten Nebenverschlussgrade werden in Verfahrensschritt 103 mit mindestens einem zweiten Ausschusskriterium verglichen. Die Ausschussentscheidung wird in Verfahrensschritt 104 unter Berücksichtigung der Vergleichsergebnisse zu jeder dieser Analyseebenen erzeugt.
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Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass das mindestens eine zweite Ausschusskriterium ein Überschreiten eines vorgegebenen zweiten Grenzwertes für den für die Analyseebenen jeweils bestimmten Nebenverschlussgrad umfasst, wobei das mindestens eine zweite Ausschusskriterium ferner ein Überschreiten eines vorgegebenen dritten Grenzwertes durch den jeweils bestimmten Nebenverschlussgrad einer vorgegebenen Mindestanzahl von Analyseebenen parallel zur mindestens einen Nebenebene umfasst.
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In dem Verfahrensschritt 102 kann in einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens in einem Verfahrensschritt 300 vorgesehen sein, dass zum Bestimmen des mindestens einen Verschlussgrades eine Quellebene und eine Zielebene festgelegt werden, welche mit Bezug auf die Hauptströmungsrichtung vor und hinter dem aufgefundenen Kernbruchdefekt angeordnet sind und jeweils orthogonal zur Hauptströmungsrichtung verlaufen, und wobei für jeden Analysepunkt der Quellebene ein Vektor parallel zur Hauptströmungsrichtung zu einem Analysepunkt der Zielebene definiert wird, wobei jedem dieser Analysepunkte der Zielebene ein binärer Wert in Abhängigkeit davon zugeordnet wird, ob der jeweilige Vektor zumindest einen Bereich des aufgefundenen Kernbruchdefekts durchdringt oder nicht. In Abhängigkeit eines Anteilverhältnisses zwischen den jeweils zugeordneten binären Werten wird ein Verschlussgrad bestimmt.
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Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine vollautomatisierte Bewertung von Kernbruchdefekten in Hohlräumen in Gussbauteilen. Insbesondere kann das Bewerten nach den für jeden Kernbruchdefekt immer gleichen Ausschusskriterien vorgenommen werden, sodass eine objektive Bewertung zur Verfügung gestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Eingangseinrichtung
- 3
- Recheneinrichtung
- 4
- Speichereinrichtung
- 5
- Ausgangseinrichtung
- 10
- Volumendaten
- 20
- Ausschusskriterium
- 30
- Ausschussentscheidung
- 40
- Hohlraum
- 41
- Kernbruchdefekt
- 42
- Hauptströmungsrichtung
- 43
- Hauptebene (x-Ebene)
- 44-x
- Analyseebene
- 45
- Nebenebene (y-Ebene)
- 46
- Nebenebene (z-Ebene)
- 47-x
- Analyseebene
- 48-x
- Analyseebene
- 49
- Abstand
- 50
- Computertomographiesystem
- 51
- Fertigungssteuerung
- 60
- Quellebene
- 61
- Zielebene
- 62
- Vektor
- 100-105
- Verfahrensschritte
- 200-201
- Verfahrensschritte
- 300
- Verfahrensschritt
- 400
- Gussbauteil
- x_min
- Mindestabstand
