Computertomografie

Die zwei Hauptanwendungsfelder der 3D Röntgen-Computertomografie (CT) sind Materialcharakterisierung und Geometriebestimmung. Mittels CT können Bauteile sowohl dreidimensional und zerstörungsfrei vermessen werden als auch die inneren Strukturen und Eigenschaften untersucht werden.
 

Prinzip der 3D-Röntgencomputertomografie

Im Prinzip besteht ein 3D-Röntgencomputertomograf (CT) aus drei Komponenten, der Strahlenquelle (Röntgenröhre), einem Drehtisch auf dem die zu prüfende Probe befestigt ist und einem digitalen Detektor. Dargestellt ist der prinzipielle Aufbau in Abbildung 1. Die Strahlenquelle erzeugt einen kegelförmigen Röntgenstrahl, welcher das Prüfobjekt am Probentisch durchstrahlt. Beim Durchstrahlen eines Objektes wird die Röntgenstrahlung unterschiedlich abgeschwächt. Die Stärke der Abschwächung wird unter anderem durch die Probendicke (Durchstrahlungslänge), die Dichte der Bauteile und der Ordnungszahlen der zu durchstrahlenden Materialien bestimmt. Der digitale Detektor wandelt schlussendlich die Strahlungsintensität in ein digitales Projektionsbild um. Pro CT-Messung wird eine volle Umdrehung des Messobjektes im Strahlenkegel durchgeführt, wobei (in Abhängigkeit der Projektionsanzahl) in kleiner 1° Winkelschritten die Rotation angehalten und ein neues Projektionsbild aufgenommen wird. In Abhängigkeit des zu prüfenden Bauteils und der geforderter Qualität des 3D-Datensatze werden 1000 – 2000 Projektionsbilder aufgenommen um daraus einen 3D-Datensatz zu erstellen. 
  
 
Um einen 3D-Datensatz (Voxel-Datensatz) entsprechend auswerten zu können, ist spezielle Software nötig. Ähnlich wie bei einer materialografischen Probenpräparation teilt die Software das 3D-Volumen in Schichten. Diese virtuellen Schnitte können in drei orthogonalen Ebenen durchgeführt werden. (Axiale-, Frontale und Sagittale Ebene). Diese drei Schnittebenen orientieren sich anhand des globalen Koordinatensystems des 3D-Datensatzes. Axial bedeutet einen Schnitt in horizontaler Richtung (X-Y), Frontal in X-Z und Sagittal in Y-Z Richtung. Weiters kann mit Hilfe der Software und unterschiedlichen 3D-Renderparameter ein 3D-Bild der gemessenen Probe erzeugt werden. Die unterschiedlichen Grauwerte in den Schnittbildern korrespondieren mit der Materialdichte, wobei Regionen mit höherer Dichte hell dargestellt und Bereiche mit geringerer Dichte dunkel dargestellt werden. Um mit CT eine möglichst hohe örtliche Auflösung zu erreichen, muss das Messobjekt so nahe wie möglich an der Röntgenröhre platziert werden. Eine weitere Forderung ist, dass das Messobjekt in horizontaler Richtung vollständig auf dem Detektor abgebildet werden muss. Dies bedeutet, dass der maximale Probendurchmesser die Voxelgröße einer CT-Messung bestimmt (örtliche Auflösung = max. Durchmesser / 2300 beim CT-Gerät GE phoenix|x-ray nanotom und max. Durchmesser / 1000 beim RayScan 250E). In der zweiten Abbildung ist die maximale Auflösung in Abhängigkeit des Objektdurchmessers aufgetragen.
  
 

Hauptvorteile

  • Werkstücke und Bauteile können mit einer Genauigkeit bis zu 500 Nanometer auf eventuelle Fehler untersucht werden.
  • Bauteile können auch im Inneren exakt untersucht und vermessen werden, ohne sie dafür zu zerschneiden oder zu beschädigen.
  • Es können Bauteile aus den unterschiedlichsten Materialien und Materialkombinationen wie Stahl, Aluminium, Magnesium und Kunststoffe untersucht werden.
  • CT bietet die Möglichkeit, Bauteile vergleichsweise rasch zu digitalisieren und einen Soll-/Ist-Vergleich mit CAD-Daten für Reverse Engineering oder Rapid Prototyping durchzuführen.
  • Das gesamte Bauteil wird innerhalb relativ kurzer Zeit (ca. 30 Min.) komplett vermessen, unabhängig von seiner Geometrie. Auch die Innengeometrie wird mit CT erfasst, was sonst mit keinem Messverfahren möglich ist.
  • Da CT ein berührungsloses Verfahren ist, können auch weiche und verformbare Bauteile tomografiert werden.
 

Hauptanwendungsfelder

  • Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und Gefügeuntersuchungen
  • Messung von Porositäten sowie Faserlängen und Faserorientierungsverteilungen
  • Zerstörungsfreie 3D-Vermessung, insbesondere von Innenflächen (z. B. Messung von einzelnen Messmerkmalen, Wandstärkenmessung, automatisierte Auswertung von Parametersätzen mit Prüfprotokoll, ...)
  • Soll-/Ist-Vergleich von CAD-Daten mit CT Messdaten und Duplizierung von Prüfobjekten mittels Rapid-Prototyping-Verfahren
  • Generierung von Messdaten für die Simulation von Bauteilen
  • In-situ-Untersuchungen von Prozessen