Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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3D mikro Computertomographie, metallische Schäume, zellulare Werkstoffe, Porengrößenbestimmung, mittlere Dichte
Für zellulare Materialien werden verschiedene Verfahren zur Charakterisierung des inneren Aufbaus durch 3D-Bildverarbeitung nach tomographischen Aufnahmen vorgestellt. Dazu zählen: Darstellung der 3D-Dichte, Porengröße und Porengrößenverteilung, Separierung von Knoten und Wänden oder Stegen, Räumliche Verschiebung der Struktur nach Belastung.
Für die Charakterisierung von zellularen Materialien (Schäumen) ist die Kenntnis der inneren Struktur wichtig. Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Struktur der Materialien ab [1]. Da poröse Materialien oft in Aufschäumprozessen (und nicht als Feinguß) hergestellt werden, muß auch die gleichbleibende Qualität über größere Bereiche sichergestellt werden. Dies erfordert z.B. eine Darstellung der räumlichen Dichteverteilung in einem Übersichtsbild. Sind die Poren in den porösen Materialien geschlossen, so läßt sich eine Verteilung bestimmen und das Vorkommen übergroßer Poren markieren. Bei offenporigen Materialien läßt sich die Durchgängigkeit kontrollieren. Bei derartigen Materialien kann man zwischen dünnwandigen Bereichen (von Wänden oder Stegen) und festeren Bereichen von Knoten, in denen mehrere Wände zusammenlaufen, unterscheiden. Durch automatisierten Vergleich räumlicher Bereiche der Probe vor und nach einer Lastbeanspruchung kann ein Abbild der Verschiebung und der Schädigungszone erzeugt werden. Dies erlaubt eine Korrelation mit den oben genannten anderen Parametern.
3D Mikro-Tomographen der BAM
In den letzten Jahren hat das Interesse an tomographischen Untersuchungen neuer Materialien wie faserverstärkte Keramik, Metallkeramik und metallischen zellularen Werkstoffen stark zugenommen. Für diese Anwendungen ist eine vollständige dreidimensionale Untersuchung mit hoher Ortsauflösung notwendig. Dazu werden in der Regel Tomographen mit einer Mikrofokusröhre in Vergrößerungstechnik verwendet.
Bei der BAM werden dafür verschiedene Tomographen verwendet [2,3]. Proben von 200mm Durchmesser (mit einer minimalen Ortsauflösung von 0,1mm) bis zu kleinen Objekten von 1mm Durchmesser (mit einer minimalen Ortsauflösung von 1,5mm) können untersucht werden (Abb. 1).
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Abb 1: 3D Tomograph für Objekte bis 200mm (links) und bis 20mm (rechts) Durchmesserj.
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Abb 2: zylindrische Zug-Torsionsprobe, 12cm hoch.
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Für den Einsatz von metallischen Schäumen z. B. als Crashabsorber in einer Serienfertigung , sind die materialcharacteristischen Parameter notwendig. Zur Zeit ist die Produktion von Schäumen aber immer noch nicht in der Lage eine gleichbleibende Qualität unabhängig von der Form des Objektes zu liefern. Deswegen müssen die verwendeten Testkörper vorher zerstörungsfrei charakterisiert werden. Abbildung 2 zeigt eine Probe die für einen Zug-Torsionsversuch vorgesehen war. Im Bild des senkrechten Schnittes erkennt man oben rechts eine Pore die die gesamte Schaumwandung ausfüllt. Hier ist die Porengröße offensichtlich nicht an die Wandungsstärke angepasst, die gemessenen Torsionsparameter würden zu falschen (oder sehr weit streuenden) Daten führen.
Die Anforderungen an metallische Schäume werden meistens mit der mittleren Dichte beschrieben. Im inneren der Probe kann diese mittlere Dichte auf verschiedenen Faktoren beruhen und darüber hinaus ortsabhängig sein. Schäume mit kleinen Poren und dünnen Wänden oder Schäume mit großen Poren und dicken Wänden können die selbe mittlere Dichte haben. Auch sind vereinzelte große Poren mit normaler Radiographie durch die chaotische Struktur des Schaums nicht zu finden.
Für die Dichtebeschreibung wurde hier ein Verfahren nach Kottar et al [4] angewendet. Zunächst wird die Größe der Region festgelegt über die ohne Gewichtung gemittelt wird. Diese sollte in der Kantenlänge dem maximal zulässigen Porendurchmesser entsprechen und mindestens dem dreifachen des durchschnittlichen Porendurchmessers entsprechen. Der Mittelungsbereich wird dann punktweise über die Bilddaten geschoben. Das entstandene Bild gibt die Dichteverteilung ohne die Schaumstruktur wieder. Bei der Bildung der Mittelwerte werden gleichzeitig die Punkte mit "weiß" markiert die eine zu geringe Dichte oder entsprechend Teil einer zu großen Pore sind. Um aus diesen Volumendaten ein aussagekräftiges 2D Bild für die gesamte Probe zu bekommen wird der Bilddatensatz dann mit einem "ray tracer" Algorithmus mit "mean" Operation durchleuchtet. Abbildung 3 zeigt zwei Resultate für Zylinder mit einem Durchmesser von 4cm. Die linke zeigt mehrere sehr große Poren in der Mitte sowie eine Materialansammlung im unteren Bereich, wohingegen in der rechten die Dichte zwar leicht höher aber gleichmäßiger ist und nur sehr wenige zu große Poren gefunden wurden.
Abb 3: Zweidimensionale Wiedergabe der Dichteverteilung mit markierten Fehlstellen.
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Mit der CT läßt sich auch der Versagensmechanismus in Schaumproben darstellen, indem die zerstörende Prüfung in meheren Schritten und dazwischen jeweils eine tomographische Aufnahme durchgeführt wird. Abbildung 4 zeigt eine Probe mit einer Ausgangshöhe von 30mm die gestaucht wurde. Aus einem 3D Vergleich der Proben errechnet der Computer eine Verschiebung der Voxel und ermöglicht so eine Anbindung der inneren Verformung an externe Parameter [5].
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original
| 2% komprimiert
| 5% komprimiert
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Abb 5: Senkrechter CT- Schnitt durch einen Probekörper nach angehaltener Stauchung.
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Abbildung 5 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Schaumprobekörper mit geschlossenen Poren. Über den gesamten Probekörper ist die Stauchung gleichmäßig. Im Schnitt sind die verformten Wände mit Pfeilen gekennzeichnet.
Für die Porengrößenbestimmung werden zunächst alle freien Bereiche außerhalb der Probe sowie alle Bereiche innerhalb der Probe, die eine Verbindung nach außen haben, markiert. Das Programm sucht dann nach noch nicht markierten Voxeln die in dem vorgegebenen Grauwertbereich der Poren liegen. Ist eins gefunden, so werden alle zusammenhängenden Nachbarvoxel gesucht, wobei der Suchbereich von einer Startgröße aus solange erweitert wird, bis keine zusätzlichen Voxel mehr gefunden werden. Jede gefundene Pore wird mit einer anderen Farbe gefüllt, um Verbindungen zwischen benachbarten Zellen feststellen zu können. Die Anzahl der Voxel in jeder Zelle wird bestimmt , der Schwerpunkt und ferner der Radius einer Kugel gleichen Volumens werden berechnet. Entsprechend kann eine Verteilung der Größen der gefundenen Poren ausgegeben werden.
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Abb 6: a) Beispiel einer Porenbestimmung b)Größenverteilung davon.
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Neben der allgemeinen Dichte ist für die Charakterisierung von metallischen Schäumen die Verteilung von Wänden und Knoten wichtig. Als Knoten werden Bereiche bezeichnet an denen mehr als zwei Wände zusammen treffen. Zur Differenzierung wird der Datensatz zunächst binarisiert und anschließend solange 3D erodiert bis alle Wände verschwunden sind. Die Anzahl der erforderlichen Schritte kann aus der gemessenen Wanddicke bestimmt werden. Anschließend wird eine gleiche Anzahl Schritte 3d dilatiert. Eine Verundung mit dem Binärbild ergibt dann die Knotenbereiche, verneinend Verundet erhält man die Wände.
Abb 7: Bestimmung von Knoten und wänden in einem Metallschaum.
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Hochauflösende 3D Computertomographie ermöglicht die Strukturaufklärung von zellularen metallischen Werkstücken. Sie liefert die Verformung innerhalb der Probe, die Bestimmung einer verteilten, mittleren Dichte, die Bereiche mit zu hoher oder zu geringer Dichte, ermöglicht eine Bestimmung der Porengröße und der Porengrößenverteilung, sowie eine Bestimmung der Dichte ausgewählter Strukturelemente.
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
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