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Gebiet der Erfindung und Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Röntgen-Computertomographen für die industrielle Prüfung von Objekten. Das Verfahren der Röntgen-Computertomographie ist im Stand der Technik ausführlich beschrieben und hat sich in der Praxis bewährt, sowohl bei der industriellen als auch bei der medizinischen Anwendung. Die Computertomographie im Allgemeinen gehört zu den bildgebenden Verfahren und erzeugt ein dreidimensionales Bild aus einer Vielzahl von Durchstrahlungsbildern, die durch die Abbildung eines mit Röntgenstrahlen durchstrahlten Objekts auf einem Detektor entstehen (Projektion). Die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes (Volumen) aus einer Vielzahl zweidimensionaler Durchstrahlungsbilder wird Rekonstruktion genannt.
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Industrielle Anwendungen unterscheiden sich von medizinischen Anwendungen darin, dass nicht der menschliche Körper einer Durchstrahlung ausgesetzt wird, sondern ein zu prüfendes, aus einem oder mehreren unterschiedlichen Werkstoffen bestehendes Objekt (Werkstück). Eine 360-Grad-Aufnahme des Werkstücks kann erfolgen, indem das Werkstück schrittweise oder kontinuierlich („on the fly“) gedreht wird. Bei medizinischen CT Anwendungen drehen sich typischerweise hingegen Röntgenquelle und Röntgendetektor um den zu untersuchenden menschlichen Körper. Insofern unterscheidet sich der jeweilige Aufbau von Vorrichtungen für die industrielle einerseits und für die medizinische Anwendung anderseits deutlich voneinander.
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Industrielle Computertomographen werden für die Qualitätssicherung hauptsächlich für Stichprobenprüfungen eingesetzt. In der Regel wird aus der laufenden Fertigung eine Stichprobe von Werkstücken gezogen und die Werkstücke werden außerhalb der Fertigungslinie auf Fehler geprüft. Typischerweise werden diese CT-Anlagen für die Prüfung von Werkstücken mehrerer Fertigungslinien eingesetzt und die Werkstücke können sich in ihrer Größe, Geometrie und den eingesetzten Werkstoffen unterscheiden. Für den Fall, dass ein fertigungsbedingter Fehler festgestellt wird, kann die Fertigung - z.B. mit Blick auf die Einhaltung von Toleranzen - angepasst werden oder eine ganze Charge nachträglich geprüft werden.
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Eine industrieller Computertomograph ist beispielsweise in der
DE 10 2005 012 094 A1 gezeigt. Beschrieben wird eine industrielle CT-Anlage mit einer Röntgenquelle, die eine Röhrenspannung von bis zu 225 kV für kleine Werkstücke und von bis zu 450 kV für große Bauteile aufweisen kann. Ein zu untersuchendes Objekt wird auf einem Manipulator angeordnet in einen kegelförmigen Projektionsstrahl eingebracht und mithilfe des Manipulators gedreht, verschoben oder gekippt. Auf diese Weise kann das Objekt durch eine Vielzahl aufgenommener Winkelstellungen in seiner 3D-Struktur erfasst werden. Die Projektionsstrahlen werden von einem Detektor aufgenommen (Flat-Panel-Detektor, Flächen-Detektor oder Zeilen-Detektor), der die Röntgenstrahlung über einen Röntgenkonverter zunächst in sichtbares Licht und anschließend in ein Signal umwandelt. Der Detektor gibt ein Projektionsbild zur Weiterverarbeitung aus.
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Als Detektoren werden beispielsweise CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor)-Detektoren eingesetzt oder Flat-Panel-Detektoren basierend auf Amorphous Silicon (a-Si). Die max. Auslesegeschwindigkeit für diese aufgeführten Röntgen-Detektoren liegt nach aktuellem Stand der Technik bei max. 80 Bildern pro Sekunde. Mit dem Einsatz der verhältnismäßig neuen Photon-Counting-Detektor-Technologie gibt es die Möglichkeit, Hochgeschwindigkeits-CT Anwendungen zu realisieren.
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Ein photonenzählender Röntgendetektor für den medizinischen Anwendungsbereich ist beispielsweise in der
DE 10 2020 208 000 A1 beschrieben. Demnach können solche direkt-konvertierenden Röntgendetektoren eintreffende Photonen durch ein Konvertermaterial absorbieren und in elektrische Pulse umwandeln. Diese Pulse werden von einer Elektronik ausgewertet, indem auf die einfallende Röntgenstrahlung durch Zählen der elektrischen Pulse geschlossen wird.
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Insbesondere Unternehmen aus der Automobilindustrie müssen mit ihren Produkten hohe Anforderungen an die Qualität erfüllen, ein Fertigungsfehler kann dazu führen, dass nicht nur eine Komponente, sondern das gesamte Fahrzeug ausfällt - dies trifft besonders für Komponenten zu, die als sicherheitsrelevant eingestuft wurden. Diese Anforderung gilt auch für Batterien, die in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Ein vorzeitiger Ausfall macht einen aufwendigen Tausch notwendig. Darüber hinaus können fehlerhafte Batterien auch die Sicherheit, also Leib und Leben der Verbraucher gefährden.
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Die Anforderungen, die sich insbesondere für die Prüfung von Batterien ergeben, können nur mit einer vollständigen Prüfung aller gefertigten Werkstücke erfüllt werden. Der Einsatz bekannter industrieller CT-Anlagen würde aber die Leistung einer Fertigungslinie spürbar vermindern.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Erfindung geht die Aufgabe an, einen industriellen Computertomographen und ein Verfahren zum Betreiben eines industriellen Computertomographen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen zur Verfügung zu stellen, der eine umfangreiche Prüfung von Werkstücken einer Fertigungslinie ermöglicht und die Leistung einer solchen Fertigungslinie verbessert.
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Erfinderische Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen industriellen Computertomographen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit zumindest einer Röntgeneinheit bestehend aus einer Quelle und einem Detektor, mit einer Anzahl Dreheinheiten, die jeweils zur Aufnahme eines Werkstückes vorbereitet sind, sowie mit einer Prüfstrecke, die Stationen aufweist. Dabei weist die Prüfstrecke folgende Stationen auf:
- - eine Station zum Bestücken einer der Dreheinheiten mit einem Werkstück,
- - eine Station zum Durchstrahlen eines Bereichs des Werkstücks,
- - eine Station zum Bewerten des Werkstücks und
- - eine Station zum Entladen des Werkstücks.
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Zumindest die Stationen zum Bestücken, Durchstrahlen und Bewerten können ihre Funktionen simultan, also zur gleichen Zeit nebeneinander, erfüllen, wobei zur Detektion der Durchstrahlung ein Photon-Counting-Detektor eingesetzt wird.
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Mit der Erfindung wird erkannt, dass die Technologie der Photon-Counting-Detektoren Hochgeschwindigkeitsanwendungen im industriellen Bereich ermöglicht. Mit der Technologie können über 200 Röntgenbilder je Sekunde aufgenommen werden und die Erzeugung von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen „on the fly“ wird ermöglicht, also bei kontinuierlich drehenden Dreheinheiten.
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Auf der Station zum Bewerten kann simultan zu den Röntgenaufnahmen auf der Station zum Durchstrahlen eines Bereichs des Werkstücks die CT-Rekonstruktion, die automatische Selektion der Schnittpositionen und die automatische Analyse durchgeführt werden.
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Simultan bedeutet zur gleichen Zeit; die Stationen sind also derart angeordnet, dass sie unabhängig voneinander ihre Funktionen erfüllen können. Sie sind parallel angeordnet.
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Einzelne Stationen können auch am gleichen Ort der Prüfstrecke liegen, sodass Entladen und Bestücken beispielsweise aufeinander folgend, aber simultan zum Durchstrahlen und Bewerten erfolgen. Die Station zum Durchstrahlen ermöglicht auch eine Rotation der Dreheinheiten, sodass das Volumen aufgenommener Werkstücke vollständig erfasst werden kann. Die Werkstücke können kontinuierlich in Bewegung sein, damit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen „on the fly“ erfolgen können.
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Der erfindungsgemäße industrielle Computertomograph kann in die Fertigungslinie eingebunden sein. In der Fertigungslinie, also im In-Line-Produktionsbetrieb, kann somit eine umfassende Prüfung aller Werkstücke erfolgen.
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Weitere Ausführungsformen
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In einer Ausführungsform ist die Prüfstrecke entlang einer Drehvorrichtung angeordnet, wobei durch Drehung der Drehvorrichtung die Stationen getaktet werden. Am Ende der Drehung der Drehvorrichtung liegt auch der Anfang der Drehung, sodass Entladen und Bestücken am gleichen Ort erfolgen können: Das Werkstück wird entnommen, sobald alle Stationen absolviert wurden und die Drehvorrichtung eine volle Umdrehung zurückgelegt hat. Die Anzahl Dreheinheiten befinden sich somit jeweils in einem für die Stationen definierten Kreissektor der Drehvorrichtung und werden durch Drehung der Drehvorrichtung in einen Durchstrahlungsbereich zwischen Quelle und Detektor verbracht.
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Der Begriff Drehvorrichtung umfasst jede Anordnung, bei der die Stationen im Wesentlichen entlang eines Kreises oder Kreissektors angeordnet sind. Die Drehvorrichtung kann ein Drehtisch sein.
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In einer Weiterentwicklung steuert die Drehvorrichtung Stationen in folgender Reihenfolge an:
- - die Station zum Bestücken einer der Dreheinheiten mit einem Werkstück;
- - eine Station als Pufferstation;
- - die Station zum Durchstrahlen eines Bereichs des Werkstücks mit der Röntgeneinheit bestehend aus der Quelle und dem Detektor, wobei die Station eine erste Station zum Durchstrahlen eines ersten Bereichs des Werkstücks mit einer ersten Röntgeneinheit bestehend aus einer ersten Quelle und einem ersten Detektor bildet;
- - eine zweite Station zum Durchstrahlen eines zweiten Bereichs des Werkstücks mit einer zweiten Röntgeneinheit bestehend aus einer zweiten Quelle und einem zweiten Detektor;
- - die Station zum Bewerten des Werkstücks;
- - die Station zum Entladen des Werkstücks, wobei das Werkstück sortiert wird.
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Auch in dieser Ausführung kann die Station zum Entladen und Sortieren am gleichen Ort der Prüfstrecke liegen wie die Station zum Bestücken. Entladen, Sortieren und Bestücken erfolgen somit simultan zum Bewerten und Durchstrahlen jeweils anderer Werkstücke aufwärts der Prüfstrecke. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders hohe Rate geprüfter Werkstücke je Zeiteinheit, insbesondere, wenn folgendes gilt: das Entladen, Sortieren und Bestücken eines ersten Werkstücks sowie das simultan dazu erfolgende Bewerten eines zweiten Werkstückes nehmen jeweils nicht mehr Zeit in Anspruch als das simultan erfolgende Durchstrahlen eines dritten Werkstückes. Auf der ersten Station zum Durchstrahlen des ersten Bereichs und auf der zweiten Station zum Durchstrahlen des zweiten Bereichs des Werkstücks wird jeweils die Dreheinheit für die Aufnahmen der 360 Grad-Röntgenprojektionen aktiviert. Auf allen anderen Stationen kann die Dreheinheit statisch, also fix bleiben. Die zwei Röntgeneinheiten können synchron arbeiten.
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Auf der Station zum Bewerten kann simultan zu den Röntgenaufnahmen auf der ersten Station zum Durchstrahlen des ersten Bereichs des Werkstücks und der zweiten Stationen zum Durchstrahlen des zweiten Bereichs des Werkstücks die CT-Rekonstruktion, die automatische Selektion der Schnittpositionen und die automatische Analyse durchgeführt werden.
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Auf der Station zum Sortieren wird das Werkstück entweder für die weitere Verarbeitung in der Fertigungslinie freigegeben oder das Werkstück wird aus der Fertigungslinie genommen, weil es fehlerhaft ist.
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In einer Weiterentwicklung sind die erste Station zum Durchstrahlen des ersten Bereichs des Werkstücks und die zweite Station zum Durchstrahlen des zweiten Bereichs des Werkstücks in einem abgeschirmten Röntgenbereich angeordnet. Der abgeschirmte Röntgenbereich kann auch die Station als Pufferstation und/oder die Station zum Bewerten umfassen. Die Stationen sind jeweils in einem definierten Kreissektor der Drehvorrichtung angeordnet, sodass der abgeschirmte Röntgenbereich entlang mehrerer Kreissektoren verläuft. Die äußeren Stationen schließen die erste und die zweite Station zum Durchstrahlen des Werkstückes ein.
Aufwärts und/oder abwärts der Prüfstrecke überragt der abgeschirmte Röntgenbereich die erste und die zweite Station zum Durchstrahlen entlang des Kreisbogens und eine Schließvorrichtung, auch Shutter genannt, ist nicht erforderlich. Der abgeschirmte Röntgenbereich deckt vorzugsweise einen Kreissektor ab, der größer als 180 Grad ist. Trotz nicht verschließbarer Öffnung kann aufgrund des abgeschirmten Bereichs, der den Kreissektor der Stationen umgibt, keine Strahlung austreten. Der Aufbau ist weniger aufwendig und die Stationen können in kürzerer Zeit angefahren werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Anzahl Dreheinheiten jeweils eine Aufnahme für ein Werkstück auf, wobei jede Dreheinheit das Werkstück in einer definierten Ausrichtung aufnimmt. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht ein automatisiertes Bestücken der Dreheinheit zum Beispiel mithilfe eines Industrieroboters und vereinfacht die Fertigung und Prüfung von Komponenten in großer Anzahl in einer Fertigungslinie. Die Dreheinheit kann ein Drehzylinder sein, der in bestimmten Bereichen eine Durchstrahlung zulässt und der mit der Aufnahme verbunden ist.
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Der Drehzylinder ist vorzugsweise in Leichtbauweise gestaltet. Der Drehzylinder kann Materialausnehmungen aufweisen, beispielsweise Schlitze, die das Gewicht reduzieren. Die verringerte Masse ist vorteilhaft mit Blick auf die Positioniergenauigkeit des Drehzylinders und somit für die Synchronisierung von Winkelposition und Röntgenaufnahmen.
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In einer Weiterentwicklung ist die Aufnahme dafür vorbereitet, eine Stapel-Batterie aufzunehmen. Die Stapel-Batterie ist entlang der Drehachse der Dreheinheit angeordnet, wobei zwei der vier Ecken der Stapel-Batterie zur Drehachse der Dreheinheit geneigt sind; die zwei Ecken sind also nahe der Drehachse angeordnet und die Stapel-Batterie ist dadurch geneigt. Um die definierte Lage der Stapel-Batterie sicherstellen zu können weist die Aufnahme für das Bestücken einen oberen Schlitz auf, durch den die Stapel-Batterie eingesetzt werden kann. Die Aufnahme weist zudem einen unteren Schlitz auf, durch den eine der zwei Ecken, die zur Drehachse der Dreheinheit geneigt sind, greift.
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Diese Ausführung der Erfindung stellt sicher, dass die zwei der vier Ecken, die zur Drehachse geneigt sind, eine obere und eine untere Ecke definieren, die aus der Aufnahme ragen. Diese definierte Lage wird sichergestellt, indem der untere Schlitz außermittig versetzt angeordnet ist (entlang der Längsachse des Schlitzes verschoben). Aufgrund dieses Formschlusses wird die Stapel-Batterie daran gehindert, in der Aufnahme eine undefinierte, fehlerhafte Position einzunehmen. Ein Industrieroboter kann das Werkstück bzw. die Stapel-Batterie definiert von beispielsweise einem Förderband aufnehmen und der Aufnahme derart zuführen, dass die untere, zur Drehachse der Dreheinheit gezogene Ecke durch den unteren Schlitz greift.
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Die obere Ecke wird entweder an der ersten Station zum Durchstrahlen des ersten Bereichs oder an der zweiten Station zum Durchstrahlen des zweiten Bereichs des Werkstücks durchstrahlt, die untere Ecke entsprechend an der Station zum Durchstrahlen des anderen Bereichs des Werkstücks. Die Quellen und Detektorkonfiguration der ersten und der zweiten Röntgeneinheit können somit den gleichen Aufbau haben, sie sind aber um 180 Grad gedreht angeordnet, damit die Quellen entweder den ersten, beispielswiese oberen Bereich abdecken oder den zweiten, beispielsweise unteren Bereich.
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Stapel-Batterien bestehen aus mehreren Schichten, die gestapelt aufeinander liegen. Mit der Prüfung der oberen und der unteren Ecke kann sichergestellt werden, dass mögliche Lagenverschiebungen von fehlerhaften Stapel-Batterien erkannt und diese Stapel-Batterien nicht für die weitere Fertigung verwendet werden. Dabei werden z.B. die Abstände zwischen Anoden- und /oder Kathoden-Enden vermessen und gegen ein unteres Limit bewertet.
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Stapel-Batterien bestehen aus mehreren Schichten, die exakt aufeinander liegen müssen - ist eine dieser Schichten verrutscht kann es zu Kurzschlüssen kommen und/oder die Dauerhaltbarkeit der Stapel-Batterie (z.B. unter Stresssituationen im Auto) trotz zunächst einwandfreier Funktion nicht sichergestellt werden. Eine Durchstrahlung von zwei gegenüberliegenden Ecken kann ein Bild liefern, das automatisiert ausgewertet werden kann. Anschließend können fehlerhafte Bauteile automatisiert aussortiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist jede Dreheinheit der Anzahl von Dreheinheiten beim Durchstrahlen des Werkstückes kontinuierlich drehbar und steht mit dem Detektor in Verbindung. Dabei triggert die Drehposition die Bildaufnahme im Detektor automatisch und synchronisiert damit die Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen der Projektionen im „on the fly“-Modus, das Durchstrahlen erfolgt also in Bewegung des Werkstücks, ohne dass die Dreheinheit ihre Drehgeschwindigkeit wesentlich ändert.
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Auf diese Weise können „on the fly“ bis zu 1.000 Durchstrahlungsbilder entlang der 360-Grad-Drehung festgehalten werden. Dreheinheit und Detektor können über ein Bewegungssteuerungssystem in Verbindung stehen und synchronisiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Projektion in Echtzeit mit der Aufnahme kalibriert und ermöglicht damit eine „Echtzeit“ Rekonstruktion bereits während der Projektionsaufnahmen.
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Dreheinheiten können aktiv gestaltet sein, indem Dreheinheiten Antriebs- und Kommunikationsmittel umfassen. Dreheinheiten werden über die Drehvorrichtung mit Energie versorgt, eine stromleitende Verbindung kann beispielsweise kontaktbehaftet mittels Schleifringe übertragen werden oder kontaktlos z.B. über einen Induktionspfad. Die Datenübertragung kann ebenfalls kontaktlos erfolgen, z.B. mittels WIFI oder kapazitativ über Sende- und Empfangsantennen. Auf vorteilhafte Weise kann jede Dreheinheit beschleunigt werden, also eine Drehung beginnen, bevor die Station zum Durchstrahlen erreicht wird. Die Drehung der Dreheinheiten kann überlagert zur Drehung der Drehvorrichtung erfolgen. Dadurch wird die Zykluszeit weiter verkürzt, weil ein An- und Abkoppeln nicht mehr erforderlich ist.
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Dreheinheiten können auch als passive Dreheinheit gestaltet sein. Sobald die Drehvorrichtung eine Station zum Durchstrahlen erreicht hat, wird die Dreheinheit mit einem Antriebssystem verbunden. Beispielsweise kann das Antriebssystem aus Richtung der Drehvorrichtung an eine Antriebswelle der Dreheinheit ankoppeln. Die Ankopplung kann beispielsweise mittels Hubvorrichtung erfolgen. Eine passive Dreheinheit ist vergleichsweise einfach und kostengünstig aufgebaut, erfordert eine nur geringe Zahl an Komponenten und benötigt kein Strom- oder Kommunikationsinterface.
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Die Drehebene der Dreheinheiten kann coplanar zur Drehebene der Drehvorrichtung ausgerichtet sein, d.h. die Drehachsen der Dreheinheit und der Drehvorrichtung sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Drehebenen können aber auch unter einem Winkel, beispielsweise von 90 Grad ausgerichtet sein. Die Dreheinheiten umfassen ein Ringlager und der feststehende Ring ist beispielsweise mithilfe eines Gerüsts oder Gehäuses mit der Drehvorrichtung mittels zwei oder mehr Säulen verbunden. Die zwei oder mehr Säulen sind außerhalb des Sichtbereichs angeordnet und beeinträchtigen somit nicht die Durchstrahlung. Die Aufnahme wird von der Dreheinheit getragen.
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Bei Werkstücken wie z.B. Stapelbatterien offenbaren insbesondere die Ecken, also die obere und die untere Ecke, die der oberen gegenüberliegt, Informationen über eine fehlerhafte Fertigung. Für eine wirtschaftliche Prüfung ist es daher notwendig, dass die obere und die gegenüberliegende untere Ecke derart angeordnet sind, dass der Bereich für die Durchstrahlung günstig zur Strahlenquelle liegen. Probleme können sich bei Werkstücken ergeben, die deutlich länger als breit sind: Damit sowohl die obere als auch die untere Ecke im Durchstrahlbereich einer Strahlenquelle oder einer ersten und zweiten Strahlenquelle liegen, muss das Werkstück derart geneigt in der Aufnahme angeordnet werden, dass die Ecken im Bereich der Drehachse liegen. Bei Werkstücken, die deutlich länger als breit sind, ergibt sich ein stumpfer Winkel in Bezug auf die Drehachse, der deutlich größer als 45 Grad ist.
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Dadurch entsteht ein verhältnismäßig langer Bereich, der durchstrahlt werden muss; dies wirkt sich auf die erforderliche Röntgenleistung aus und auf die Qualität der Aufnahme. Die vorgeschlagene Ausführungsform löst das Spannungsverhältnis auf zwischen einer optimalen Ausrichtung nahe eines 45 Grad Winkels und der fehlenden Möglichkeit, ein Werkstück, das deutlich länger als breit ist, entsprechend auszurichten: Die Dreheinheit weist demnach eine Drehachse auf, wobei das Werkstück entlang einer Drehebene der Drehachse verschieblich angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Werkstück, z.B. eine Stapel-Batterie, unter einem optimalen Winkel ausgerichtet werden. Die obere Ecke wird zur Drehachse gezogen, sodass ungefähr ein 45 Grad Winkel eingestellt wird. Abweichungen im Bereich von 10 Grad sind möglich und beeinträchtigen die Funktionsweise nicht wesentlich.
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Die untere Ecke wandert jedoch aus und befindet sich nicht mehr im Bereich der Drehachse der Dreheinheit. Zur Lösung kann die Durchstrahlung in zwei Phasen eingeteilt werden, eine erste Phase und eine zweite Phase, die z.B. auf einer ersten Station zur Durchstrahlung und einer zweiten Station zur Durchstrahlung durchlaufen werden. Während der ersten Phase wird die obere Ecke durchstrahlt und während der zweiten Phase die untere Ecke. Da die untere Ecke ausgewandert ist, muss die untere Ecke für die Durchstrahlung in den Bereich der Drehachse verbracht werden; das Werkstück wird dazu linear verschoben. Die Aufnahme wird entsprechend für das Halten des Werkstücks und für die Verschiebung gestaltet.
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Die Verschiebung erfolgt in der Drehebene der Drehachse, wobei die Drehebene wie folgt verstanden wird: Punkte sind in einer Ebene um einen Punkt als Drehzentrum mit einem bestimmten Radius angeordnet, wobei bei einer Drehung nur das Drehzentrum fest ist und die weiteren Punkte sich mit einem festen Radius r um die Drehachse herumbewegen. Die Drehachse steht senkrecht auf der Drehebene.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Dreheinheit die Aufnahme, die dazu eingerichtet ist, ein Werkstück zu tragen und ein getragenes Werkstück linear zu verschieben. Auf diese Weise kann entweder z.B. die obere oder die untere Ecke in den Bereich der Drehachse verbracht werden. Die Aufnahme kann einen Linearschlitten aufweisen, der mithilfe eines Linearlagers geführt ist. Der Linearschlitten kann innerhalb der Dreheinheit verschoben werden und somit das Werkstück, z.B. die Stapelbatterie an der Drehachse ausrichten.
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Der Linearschlitten kann passiv von außen oder aktiv verstellt werden. Die passive Verstellung kann an einer Station zum Verstellen, z.B. zwischen der ersten Station zum Durchstrahlen und der zweiten Station zum Durchstrahlen, vorgesehen sein. Eine dafür vorgesehene Verschiebeeinheit entkoppelt den Linearschlitten, löst die Bremse, verschiebt z.B. mittels Schiebestange, stellt die Bremse fest und koppelt aus.
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Auch ein aktiver Antrieb des Linearschlittens ist möglich. Ein z.B. elektromagnetischer Stellantrieb kann den Linearschlitten linear verschieben und in einer bestimmten Position halten. Jede Dreheinheit umfasst demnach diesen Aktor und die aktive Ausführung erfordert eine Schnittstelle zwischen der Drehvorrichtung und jeder Dreheinheit, über die Energie bereitgestellt und kommuniziert werden kann.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines industriellen Computertomographen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit zumindest einer Röntgeneinheit bestehend aus einer Quelle und einem Detektor, wobei der Detektor ein Photon-Counting-Detektor ist, mit einer Anzahl Dreheinheiten jeweils vorbereitet zur Aufnahme eines Werkstückes und mit einer Prüfstrecke, die Stationen zum Ausführen von Schritten aufweist.
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Die Schritte umfassen:
- - ein Bestücken einer der Dreheinheiten mit einem Werkstück auf einer Station zum Bestücken,
- - ein Durchstrahlen eines Bereichs des Werkstücks auf einer Station zum Durchstrahlen,
- - ein Bewerten des Werkstücks auf einer Station zum Bewerten und
- - ein Entladen des Werkstücks auf einer Station zum Entladen.
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Zumindest das Bestücken, das Durchstrahlen und das Bewerten erfolgen simultan. Simultan bedeutet zur gleichen Zeit und die Schritte können somit nur dann zur gleichen Zeit erfolgen, wenn die Schritte sich jeweils auf ein anderes Werkstück beziehen. Es können somit mindestens drei Werkstücke zur gleichen Zeit im Bereich der Stationen sein.
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Der mit dem Verfahren betriebene industrielle Computertomograph kann die gleichen Eigenschaften aufweisen, die zuvor beschrieben wurden. Insbesondere kann der industrielle Computertomograph eine Prüfstrecke aufweisen, die entlang einer Drehvorrichtung, also entlang eines Kreises angeordnet ist. Durch Drehung der Drehvorrichtung werden die Stationen angesteuert und die Schritte durchlaufen. Vorzugsweise können folgende Schritte erfolgen:
- - das Bestücken einer der Dreheinheiten mit einem Werkstück auf der Station zum Bestücken;
- - ein Bereitstellen des Werkstücks auf der Station als Pufferstation;
- - das Durchstrahlen eines ersten Bereichs des Werkstücks auf der ersten Station zum Durchstrahlen des Werkstücks;
- - ein Durchstrahlen eines zweiten Bereichs des Werkstücks auf der zweiten Station zum Durchstrahlen des Werkstücks;
- - das Bewerten des Werkstücks auf der Station zum Bewerten;
- - das Entladen des Werkstücks, wobei die Werkstücke sortiert werden, auf der Station zum Entladen.
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Die folgenden Figuren erläutern ein Anwendungsbeispiel der Erfindung:
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines industriellen Computertomographen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen;
- 2 zeigt eine Dreheinheit mit einer Stapel-Batterie des Ausführungsbeispiels aus 1;
- 3 zeigt die zweite Röntgeneinheit aus 1;
- 4 zeigt eine Stapel-Batterie;
- 5 zeigt eine Dreheinheit mit einem Ringlager und
- 6 zeigt die Stapel-Batterie aus 4 in einer Dreheinheit aus 5.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen industriellen Computertomographen 1 für Hochgeschwindigkeitsanwendungen veranschaulicht. Gezeigt ist eine Prüfstrecke 2, die entlang eines Drehtisches 3 als Drehvorrichtung angeordnet ist. Auf dem Drehtisch 3 sind sechs Dreheinheiten 4 angeordnet, die jeweils vorbereitet zur Aufnahme eines Werkstückes 5 sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Werkstück 5 eine Stapel-Batterie für Anwendungen in einem Kraftfahrzeug.
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Die Prüfstrecke 2 beginnt mit einer Station zum Bestücken 6 einer der Dreheinheiten 4 mit einer Stapel-Batterie. Das Bestücken erfolgt mithilfe eines Industrieroboters 7, der die Stapel-Batterien 5 in einer definierten Lage der Dreheinheit 4 zuführt.
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Der Drehtisch 3 dreht sich beispielsweise im Uhrzeigersinn und bringt durch Drehung die Dreheinheit 4 zur nächsten Station als Pufferstation 8. Die mit dem Werkstück 5 bestückte Dreheinheit 4 befindet sich auf der Pufferstation 8 bereits im abgeschirmten Röntgenbereich 9. Der abgeschirmte Röntgenbereich 9 deckt ein Kreissegment ab, das größer als 180-Grad ist; durch die Krümmung wird erreicht, dass keine Röntgenstrahlen durch die Öffnung 10 gelangen können, durch die bei Drehen des Drehtisches 3 Werkstücke 5 dem abgeschirmten Röntgenbereich 9 zugeführt werden. Ein Shutter ist nicht erforderlich.
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Die folgende Station ist eine erste Station zum Durchstrahlen 11 eines ersten Bereichs 12 des Werkstücks 5 mit einer ersten Röntgeneinheit 13 bestehend aus einer ersten Quelle 14 und einem ersten Detektor 15. In diesem Ausführungsbeispiel wird auf der ersten Station 11 der obere Bereich 12 der Stapel-Batterie 5 durchstrahlt.
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Der untere Bereich 16 der Stapel-Batterie 5 wird in diesem Ausführungsbeispiel auf einer zweiten Station 17 durchstrahlt. Die zweite Station zum Durchstrahlen 17des zweiten Bereichs 16 des Werkstücks 5 umfasst eine zweite Röntgeneinheit 18 bestehend aus einer zweiten Quelle 19 und einem zweiten Detektor 20. Die Reihenfolge der durchstrahlten Bereiche kann aber auch anders gewählt werden.
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Der erste Detektor 15 und der zweite Detektor 20 sind jeweils Photon-Counting-Detektoren. Die erste und die zweite Röntgeneinheit 13, 18 können den gleichen Aufbau haben, sie sind aber um 180 Grad gedreht, um entweder den oberen oder den unteren Bereich 12, 16 des Werkstücks 5 durchstrahlen zu können. Die Dreheinheiten 4 drehen sich beim Durchstrahlen kontinuierlich und stehen mit dem ersten oder zweiten Detektor 15, 20 in Verbindung, um Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen zu synchronisieren. Die Projektion wird in Echtzeit kalibriert.
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Die folgende Station ist eine Station zum Bewerten 21 des Werkstücks 5. Die Aufnahmen des Werkstücks 5 werden analysiert und automatisiert die Entscheidung getroffen, ob das Werkstück 5 den Anforderungen entspricht. Auch die Station zum Bewerten 21 befindet sich innerhalb des abgeschirmten Röntgenbereichs 9. Ein Shutter ist somit auch an dieser Stelle nicht erforderlich.
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Auf der letzten Station 22 erfolgt die Sortierung. Das Werkstück 5 wird der Dreheinheit entnommen und verbleibt in der Fertigungslinie. Es wird aus der Fertigungslinie genommen, wenn es sich um ein Werkstück 5 handelt, das den Anforderungen nicht genügt. Das Entladen erfolgt durch den Industrieroboter 7, der anschließend die Dreheinheit 4 mit einem neuen Werkstück 5 bestückt. Der Ablauf endet und beginnt also auf der gleichen Station 6, 22 und es können sich zeitgleich sechs Werkstücke 5 auf dem Drehtisch 4 befinden. Die sechs Stationen 6, 8, 11, 17, 21, 22 erfüllen ihre Aufgaben simultan.
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Die 2 zeigt eine Dreheinheit 4 der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist. Die Dreheinheit 4 weist eine Aufnahme 23 für ein Werkstück 5 auf, in diesem Fall ist das die Stapel Batterie. Die Aufnahme 23 ist derart gestaltet, dass die Stapel-Batterie 5 in einer definierten Ausrichtung aufgenommen wird und in dieser erzwungenen Lage bleibt. Gut zu erkennen ist der erste, obere Bereich 12 der Stapel-Batterie 5 sowie der zweite, unterer Bereich 16 der Stapel-Batterie 5. Die Stapel-Batterie 5 ist entlang der Drehachse 24 der Dreheinheit 4 angeordnet und zwei der vier Ecken - die obere Ecke und die untere Ecke - der Stapel-Batterie sind zur Drehachse 24 der Dreheinheit 4 geneigt. Die Dreheinheit 4 weist eine Aufnahme 23 auf mit einem oberen Schlitz 25. Durch diesen oberen Schlitz 25 wird die Stapel-Batterie 5 vom Industrieroboter 7 eingesetzt. Die Stapel-Batterie 5 verbleibt zwangsweise in einer definierten Lage, bei der der erste, obere Bereich 12, die obere Ecke, aus der Aufnahme ragt. Die Aufnahme 23 weist zudem einen unteren Schlitz 26 auf. Durch den unteren Schlitz 26 greift der zweite, untere Bereich 16, die untere Ecke, der Stapel Batterie 5. Der untere Schlitz 26 ist derart gestaltet, dass der untere Schlitz 26 außermittig, entlang der Längsachse verschobene angeordnet ist. Dadurch wird die Stapel-Batterie 5 in ihrer definierten Lage festgelegt. Durch den unteren Schlitz 26 kann zwar die untere Ecke 16 durchgreifen, aber die Stapel-Batterie 5 weder zugeführt noch entnommen werden.
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Die Dreheinheiten 4 sind mittels Säulen 28 mit dem Drehtisch 3 verbunden, im Ausführungsbeispiel sind zwei Säulen 28 gezeigt, es können aber auch mehr Säulen 28 vorgesehen sein. Die Dreheinheiten 4 sind somit nicht beweglich in Bezug auf den Drehtisch 3. Die zwei oder mehr Säulen 28 sind außerhalb des Sichtbereichs angeordnet und beeinträchtigen somit die Durchstrahlung nicht. Die Aufnahme 23 wird von der Dreheinheit 4 getragen, die mit Hilfe beispielsweise eines Ringlagers an einem Gehäuse 35 gelagert ist. Die Aufnahme 23 ist somit beweglich in Bezug auf die Dreheinheit 4.
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In 3 ist die zweite Röntgeneinheit 18 gezeigt mit der zweiten Quelle 19 und dem zweiten Detektor 20. Dazwischen befindet sich die Dreheinheit 4, die eine Stapel-Batterie 5 trägt. Der erste, obere Bereich 12 der Stapel-Batterie 5 wird durchstrahlt. Die Dreheinheit ist als aktive Dreheinheit gestaltet und umfasst eine Antriebs- und Kommunikationsmittel 27.
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Die 4 zeigt eine Stapel-Batterie 5, die deutlich länger als breit ist. Die erste Anordnung 29 der Stapel-Batterie 5 auf der linken Seite zeigt die Stapel-Batterie 5 mit einer oberen und einer unteren Ecke 12, 16, die der oberen Ecke gegenüberliegt. Beide Ecken 12, 16 sind zur Drehachse 24 gezogen. Daraus ergibt sich ein Winkel, der deutlich größer als 45 Grad ist und zu einem langen Durchstrahlungsbereich 30 führt. Die Röntgensichtachse 31 verläuft in dieser schematischen Darstellung von links nach rechts: Das gesamte Material der Stapel-Batterie 5 muss durchstrahlt werden, was eine verhältnismäßig große Leistung erfordert und die Qualität der Aufnahme beeinträchtigen kann.
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Die zweite Anordnung 32 der Stapel-Batterie 5 auf der rechten Seite zeigt eine Stapel-Batterie 5, die für eine Röntgenaufnahme optimiert geneigt ist: Die obere Ecke 12 ist derart zur Drehachse 24 gezogen, dass sich annähernd ein 45 Grad Winkel ergibt. Diese zweite Anordnung 32 ermöglicht einen kurzen Durchstrahlbereich 33, der durch Vergleich mit der ersten Anordnung 29 veranschaulicht wird. Das gleiche gilt entsprechend für die untere Ecke 16, die allerdings in Bezug auf die Drehachse 24 der oberen Ecke 12 ausgewandert ist.
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Die 5 zeigt eine Dreheinheit 4 mit einem Ringlager 34, wobei die Dreheinheit 4 über einen Außenring des Ringlagers 34 in einem Gehäuse 35 (siehe 2) geführt ist, und mit einer Aufnahme 23. Die Aufnahme 23 umfasst einen Linearschlitten 36, der an einem Linearlager 37 geführt ist. Die Aufnahme 23 trägt das Werkstück, z.B. die Stapel-Batterie 5 mit einer oberen und einer unteren Ecke 12, 16. In 5 befindet sich die obere Ecke 12 im Drehzentrum, also im Bereich der Drehachse 24 der Dreheinheit 4, wie in der zweiten Anordnung 32 der 4 gezeigt.
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Die 6 hingegen zeigt die Stapel-Batterie 5 nach ihrer Verschiebung durch z.B. einen nicht gezeigten Stellantrieb. Die obere Ecke 12 ist nun außermittig versetzt angeordnet und die untere Ecke 16 befindet sich im Bereich der Drehachse 24 der Dreheinheit 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Industrieller Computertomograph
- 2
- Prüfstrecke
- 3
- Drehvorrichtung, Drehtisch
- 4
- Dreheinheit
- 5
- Werkstück, Stapel-Batterie
- 6
- Station zum Bestücken
- 7
- Industrieroboter
- 8
- Station als Pufferstation
- 9
- Abgeschirmter Röntgenbereich
- 10
- Öffnung
- 11
- Erste Station zum Durchstrahlen
- 12
- Erster, oberer Bereich des Werkstücks, obere Ecke
- 13
- Erste Röntgeneinheit
- 14
- Erste Quelle
- 15
- Erster Detektor, erster Photon-Counting-Detektor
- 16
- Zweiter, unterer Bereich des Werkstücks, untere Ecke
- 17
- Zweite Station zum Durchstrahlen
- 18
- Zweite Röntgeneinheit
- 19
- Zweite Quelle
- 20
- Zweiter Detektor, zweiter Photon-Counting-Detektor
- 21
- Station zum Bewerten
- 22
- Station zum Entladen
- 23
- Aufnahme
- 24
- Drehachse
- 25
- Oberer Schlitz
- 26
- Unterer Schlitz
- 27
- Antriebs- und Kommunikationsmittel
- 28
- Säule
- 29
- Erste Anordnung der Stapel-Batterie
- 30
- Langer Durchstrahlungsbereich
- 31
- Röntgensichtachse
- 32
- Zweite Anordnung der Stapel-Batterie
- 33
- Kurzer Durchstrahlbereich
- 34
- Ringlager
- 35
- Gehäuse
- 36
- Linearschlitten
- 37
- Linearlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005012094 A1 [0004]
- DE 102020208000 A1 [0006]
