DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Anwendungen der 3D-Computertomographie in Entwicklung und Forschung

Christoph Sauerwein, Martin Simon, Hans Wälischmiller GmbH, Markdorf;
Irmgard Pfeifer-Schäller, Stefan Tomaschko, Friedrich Klein, Arbeitsgemeinschaft Metallguss, Aalen
Kontakt: M. Simon, C. Sauerwein

ABSTRACT (KURZFASSUNG)

Moderne Kegelstrahl-Tomographie eröffnet Möglichkeiten, die deutlich über die der herkömmlichen ZfP- Verfahren hinausgehen. Während die klassischen Methoden überwiegend auf das Auffinden von Fehlstellen ausgerichtet sind, erlaubt die 3D- Röntgentomographie die Analyse der Fehleranordnung im gesamten Prüfvolumen und gibt damit Hinweise auf Fehlerursachen.

Darüber hinaus lassen sich die Geometrieinformationen aus dem Inneren des Bauteils für die Vermessung, für Soll-Ist-Vergleiche und Reverse Engineering nutzen.

Anhand von Anwendungsbeispielen wird im Vortrag gezeigt, wie sich diese Werkzeuge bei der Entwicklung von neuen Materialien und Bauteilen, sowie zur Prozess-Optimierung für viele verschiedene Branchen einsetzen lassen.

Die hohe Ortsauflösung im gesamten Volumen und die hohe Empfindlichkeit für Dichteunterschiede bereitet den Zugang zu einer Reihe von interessanten Forschungsanwendungen aus Archäologie und Paläontologie.

Beispiele aus der Forschung und zu Untersuchungen an historischen Fundstücken sowie zum Einsatz der 3D-CT im Zusammenhang mit der Restauration von Kunstwerken, bis zur Replikation frühhistorischer Kunstobjekte werden im Vortrag vorgestellt.

1 EINFÜHRUNG

Neue Werkstoffe und die Verbesserung herkömmlicher Materialien spielen in vielen Bereichen der Industrie eine wichtige Rolle für die Entwicklung von innovativen Produkten. Entwicklungszeiten müssen so kurz wie möglich sein. Daraus ergibt sich eine wachsende Nachfrage nach neuen Untersuchungsmethoden, die schnelle und zerstörungsfreie Charakterisierung von Werkstoffen ermöglichen. Die Komplexität von industriellen Produkten wächst ständig. Gleichzeitig werden die Sicherheitsanforderungen immer strenger. Für die schnelle Produktentwicklung wird ein Prüfsystem benötigt, das Materialeigenschaften in jedem Schnitt von Komponenten mit komplexen Innenstrukturen charakterisieren kann. Diese Anforderung kann mit herkömmlichen NDT-Methoden wie Ultraschall oder Wirbelstromprüfung häufig nicht erfüllt werden.

Dieser Vortrag stellt eine kombinierte Prüfanlage für 3D Tomographie- und Radioskopie vor, mit der es möglich ist, eine Vielzahl verschiedener Untersuchungen durchzuführen. Es werden Beispiele aus einem weiten Bereich neuer Materialien beschrieben, mit denen die Leistungsfähigkeit der 3D Tomographie im Hinblick auf Qualitätssicherung und schnelle Produktentwicklung dargestellt wird.

Der zweite Teil dieses Vortrags behandelt eine Reihe von Beispielen aus der Anwendung im Bereich der geschichtlich-kulturellen Forschung. Unter anderem gibt dieser Vortrag Details zu einer Fülle von Anwendungen im Bereich der Archäologie, Paläontologie, Restaurierung von Kunstwerken und Untersuchung historischer Funde.

2 KEGELSTRAHL RÖNTGENTOMOGRAPHIE-SYSTEM RAYSCAN

Die Röntgen-Tomographie Systeme, die derzeit in der Industrie verwendet werden, liefern in den meisten Fällen zweidimensionale Schnittbilder unter Verwendung einer linearen Detektoranordnung. Um ein dreidimensionales Bild mit solch einem 2D- Tomographen zu erhalten, müssen nacheinander eine Vielzahl von Aufnahmen durchgeführt werden. Mehrere hundert Schichten müssen montiert werden, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten.

Das beschriebene Verfahren ist sehr zeitaufwendig. Im Gegensatz dazu ermöglicht unser Tomographie-System RayScan die Rekonstruktion von dreidimensionalen Strukturen mit einer einzigen Umdrehung des Objekts. Dazu wird das zu untersuchende Objekt im Kegelstrahl einer Röntgenquelle platziert, und die Strahlung, die das Objekt durchdringt wird mit einem großen Flächendetektor gemessen (Abb. 1). Um das Objekt von allen Seiten zu bestrahlen, wird das Objekt Strahlkegel rotiert. Während der Drehung werden mehrere hundert Projektionen aufgenommen, aus denen dann die 3D-Struktur des Objekts rekonstruiert wird.

Abb1 : Prinzip der Kegelstrahl-Tomographie.

Außer der wesentlich schnelleren Aufnahmezeit für ein Volumen bietet die Kegelstrahl-Tomographie den Vorteil, dass die sehr hohe Orts-Auflösung in allen Raumrichtungen gleichermaßen erreicht wird. Deshalb ist die 3D-Tomographie für Objekte mit komplexen inneren Strukturen die einzig angemessene Inspektionsmethode. Weitere Informationen zum RayScan 200 Tomographie-System wurden bereits auf der DGZfP Jahrestagung 2001 vorgestellt [1].

3 KEGELSTRAHLTOMOGRAPHIE FÜR QUALITÄTSKONTROLLE VON NEUEN WERKSTOFFEN

Die 3D-Tomographie wurde schon häufig für Leichtmetall-Gussteile eingesetzt. Dabei richtete sich die Qualitätskontrolle auf zwei wesentliche Aspekte: Nachweis von Fehlstellen und dimensionale Messungen, wozu die Maßkontrolle und die Bestim-mung der Abweichung von realer Geometrie zu nomineller Geometrie gehörten. Mehr dazu ist in [1] und [2] beschrieben.

In diesem Vortrag wird die Anwendung von RayScan 200 für Qualitätskontrolle von neu entwickelten Werkstoffen vorgestellt. Mit Hilfe der 3D-Tomographie wird der dreidimensionale Aufbau von Materialien analysiert und charakterisiert. Wird dieses Verfahren bei der Entwicklung neuer Werkstoffe begleitend eingesetzt, können neue Erkenntnisse gewonnen und zugleich die Entwicklung beschleunigt werden. In den folgenden Abschnitten gehen wir kurz auf Anwendungen für Aluminiumschäume, Keramik und kohlenfaserverstärkten Verbundwerkstoffen ein.

3.1 ALUMINIUMSCHAUM
Metallschäume sind für die Automobilindustrie und andere Industriezweige von besonderem Interesse, wenn spezielle Charakteristika des Materials, wie das Verhältnis von hoher Festigkeit zu Gewicht, von Vorteil ist. Im Vergleich zum Ausgangsmaterial hat Aluminiumschaum eine Dichte, die typischerweise bei 17 % liegt. Abgesehen von der Gewichtsersparnis weist der Schaum eine hohe Steifigkeit auf, was für Anwendungen in sehr leichten Konstruktionen von großem Vorteil ist. Aufgrund seiner hohen Festigkeit kann er für Teile verwendet werden, die Stoßenergie aufnehmen müssen. Hier steht er im Wettbewerb mit Kunststoffen, kann aber besser wieder aufgearbeitet werden und weist eine wesentlich bessere Wärme- und Feuerbeständigkeit als die meisten Kunststoffe auf.

Abb 2: 3D Kegelstrahltomographie einer Aluminiumschaumprobe. Abb 3: Virtuelle 2D Schnitte durch die 3D-Daten einer Aluminiumschaumprobe.

Daher hat dieses Material ein großes Anwendungspotential, wenn es mit einer definierten Schaumqualität erzeugt werden kann, die durch Poren mit reproduzierbarer Größe und isotropem Verhalten erreicht werden kann. Da RayScan 200 isotrope 3D-Daten erzeugt, liefert es die ideale Methode zur Inspektion der inneren Struktur des Schaums, und zwar für die räumliche Lage von Dichtevariationen und Größenmessungen der Schaumblasen. Als Beispiel einer 3D-Analyse des Schaums wird eine Visualisierung eines Aluminiumschaums in Abb. 2 gezeigt. Nach Aufnahme der Daten können virtuelle 2D-Schnitte in jeder Lage und Ausrichtung des Volumens vorgenommen werden. Beispiele von senkrecht zueinander stehenden virtuellen 2D-Schnitten zueinander sind in Abb.3 dargestellt.

3.2 KERAMIK
Bei der Entwicklung neuer Keramikmaterialien ist eine systematische Untersuchung des Materials während verschiedener Entwicklungsstadien von Bedeutung; dies ebenfalls unter Berücksichtigung verschiedener Produktionsmethoden. 3D Tomographie mit hoher Ortsauflösung wird für die Erkennung von Poren und der 3D-Ortsbestimmung der Poren verwendet. Ein Beispiel einer 3D-Visualisierung ist in Abb.4 dargestellt.

Abb 4: Virtuelle 3D-Schnitte durch die 3D-Daten eines kleinen Keramikteils.

Das Keramikobjekt in Abb. 4 hat einen Außendurchmesser von lediglich 2 mm. Deshalb wurde es mit 3D Micro-Tomographie geprüft. Die 3D-Position der Poren, mit einer Größe von nur wenigen Mikrometern ist sichtbar. Virtuelle 2D-Schnitte durch diese Daten machen Poren, kleine Risse und Bereiche mit Dichtevariationen sichtbar(Abb. 5).

Abb 5: Virtuelle 2D-Schnitte durch die 3D-Daten aus Abb. 4.

3.3 KOHLENSTOFFFASERVERBUNDMATERIALIEN
Kohlenstofffaser-Verbundmaterialien werden in einer Vielfalt von Materialkombinationen und für viele Anwendungen eingesetzt. Unter Verwendung hochauflösender 3D-Tomographie kann die Gesamtstruktur sichtbar gemacht werden, außerdem die Dichtevariationen im Matrix-Material oder in der Faserverstärkung. Mit anderen ZfP-Methoden ist es eher schwierig oder gar unmöglich, Delaminationen oder Klebstoffmangel in den Verbindungen festzustellen. Mit 3D-CT kann beides bestimmt, visualisiert und analysiert werden. Als Beispiel haben wir Klebver-bindungen von Kohlenfaserverstärkten Verbundmaterialien untersucht, die als Strukturelemente verwendet werden. Sowohl in den 3D-Daten als auch in den virtuellen 2D-Schnitten ist der Unterschied zwischen perfekten Klebeverbindungen und signifikantem Klebstoffmangel deutlich sichtbar. (Abb. 6). Außerdem sind auch Delaminationen deutlich erkennbar.

Abb 6: 3D-Daten und virtueller 2D-Schnitt durch die Klebebene.

4 ANWENDUNG VON 3-D-TOMOGRAPHIE FÜR FORSCHUNG UND KULTUR

Aufgrund der Hochleistungs-Analyse Methoden, die mit 3D - CT realisierbar sind, und der äußerst guten Bildqualität, die mit RayScan 200 erreicht wurde, haben uns Wissenschaftler aus den verschiedensten Forschungsgebieten angesprochen. In diesem Kapitel werden wir kurz einige dieser Anwendungen beschreiben, die aus der Sicht herkömmlicher ZfP etwas exotisch erscheinen mögen.

4.1 KONSERVIERUNG VON KUNSTWERKEN AUS HOLZ
RayScan wurde dazu verwendet, die Dichte von verschiedenen Holzproben im Rahmen einer systematischen Studie verschiedener Konservierungsmaterialien und ver-schiedener Injektionsmethoden mit Kunstharzsubstanzen darzustellen. Abb. 7 zeigt einen Stapel von Holzklötzen mit unterschiedlichen Harzinjektionen, die auf den Drehtisch von RayScan 200 montiert wurden.

Abb 7: Holzproben vor dem RayScan 200-Detektor

Das Ziel dieser systematischen Tests war die Definition einer optimalen Kombination von Kunstharz und der Injektionsmethode für die Anwendung an Holz-Kunstwerken mit vergleichbarer Holzqualität. Nachdem die beste Kombination gefunden war, wurde sie für die Konservierung realer Kunstwerke eingesetzt, die bereits schwer durch Ausflugslöcher von Insekten beschädigt waren (Abb. 8).

Abb 8: Holzkunstwerk von ca. 1520 mit deutlicher Schädigung.

Der Erfolg der Anwendung wird durch den Vergleich von CT-Bildern demonstriert, die vor und nach der Anwendung von Kunstharz aufgenommen wurden (Abb. 9). Die höhere Dichte aufgrund der Konservierungssubstanz ist im rechten Teil des Bildes deutlich sichtbar. Weitere Information zu dieser Arbeit gibt die ursprüngliche Veröffentlichung [3].

Abb 9: 2D-CT Bilder des Holzobjektes aus Abb. 8 oben, vor (links) und nach Konservierung (rechts).

4.2 PALÄONTOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN VON KNOCHEN
Für Zwecke paläontologischer Studien ist es interessant, die Innenstruktur der Knochen von Funden unterschiedlichen Alters zu vergleichen und im Zusammen-hang mit der Evolution zu analysieren. Wissenschaftler versuchen mit diesem Vergleich Korrelation zwischen dem Alter des Funds, dem evolutionären Zustand und der Dichte der inneren Struktur der Knochen festzustellen. Für diese Art der Anwendung kann RayScan 200 mit hoher Ortsauflösung hervorragend eingesetzt werden. Ein Beispiel eines sehr kleinen Knochens und seines 3D-CT Bildes ist in Abb. 10 zu sehen. Für weitere Information zu diesem Anwendungskomplex wird auf [4] verwiesen.

Abb 10: Foto (links) 3D-CT Bild (Mitte), und 2D-Schnitt der 3D-CT Daten (rechts) eines kleinen Knochens.

4.3 REPRODUKTION EINES PRÄHISTORISCHEN KUNSTWERKS
Ein 32000 Jahre altes Kunstwerk, das ein Mensch-Tier-Mischwesen darstellt, wurde untersucht. Es gilt als die älteste bekannte Tier-Mensch Darstellung. Ursprünglich wurde es aus dem Zahn eines jungen Mammut (Elfenbein) geschnitzt. Man schreibt es einer Epoche zu, die Aurignacien genannt wird. (Der Name dieser Epoche ist von dem Ort Aurignac in den französichen Pyrenäen abgeleitet, dem Fundort einer Vielzahl von frühhistorischen Kunstwerken.)

Das Kunstwerk wurde im Jahr 1931 in Süddeutschland gefunden, war jedoch in einige hundert Stücke zerbrochen. In sorgfältiger Arbeit wurde es rekonstruiert und im Ulmer Museum aufbewahrt [5].

Abb 11: Foto (links) und 2D-Schnitte der 3D-CT Daten (Mitte und rechts) des 32 000 Jahre alten Löwenmenschen.

Nun wollte das Museum die Qualität der Rekonstruktionsarbeit mit Hilfe der 3D-Tomographie überprüfen. Die CT-Bilder zeigten die ursprünglichen Komponenten, sowie einen Stab aus Plexiglas, der zur Stabilisierung des Objekts eingesetzt war. Ebenfalls konnte ein zusätzliches Verbindungsmaterial sichtbar gemacht werden. Die wichtigste Erkenntnis war jedoch die Untersuchung des Nervenkanals des ursprünglichen Zahnmaterials. Es konnte gezeigt werden, dass der Kanal ohne Abwei-chungen geradlinig durch das Objekt verläuft, was den Beweis erbrachte, dass die Rekonstruktion perfekt ausgeführt war, und die äußere Form der vor 32 000 Jahren hergestellten entsprach (Abb. 11).

Der zweite Grund für die Untersuchung mit Computertomographie war die Herstellung einer Kopie durch eine berührungslose Methode. Herkömmliche Methoden der Kopie von Kunstwerken sollte vermieden werden, weil das Risiko von Oberflächenbeschädigung des Löwenmanns bestand. Deshalb wurden die 3D-CT-Daten in STL-Daten konvertiert. Mittels Stereo-Lithographie- Verfahrens wurden ein 3D-Modell und schließlich Kopien dieses prähistorischen Kunstwerks hergestellt.

5 ZUSAMMENFASSUNG

Das Kegelstrahl-Tomographie System RayScan 200 hat sich als vielseitig einsetzbares Werkzeug zur Qualitätskontrolle erwiesen, was angesichts der schnellen Entwicklung neuer Produkte mit neuen Werkstoffen eine wichtige Bereicherung ist. Das System ermöglicht sowohl schnelle tomographische Volumenaufnahmen, als auch hohe Ortsauflösung in allen drei Raumrichtungen. Mit einem einzigen ZfP-Werkzeug und nur einer Messung können Defekte in komplexen Objekten im Hinblick auf ihre 3D-Form, Ausrichtung und Position festgestellt und analysiert werden. Es können Dimensionsmessungen der inneren und äußeren Struktur vorgenommen werden, um die Geometrie der Teile zu überprüfen. Deshalb bietet das System neue Möglichkeiten, in kurzer Zeit Produkte und Werkstoffe zu optimieren, und Produktionsverfahren zu überwachen.

Aufgrund der einzigartigen Leistungsfähigkeit von RayScan konnte es für eine Vielfalt interessanter Forschungsarbeiten eingesetzt werden, die weit über die Möglichkeiten herkömmlicher ZfP-Verfahren hinausgehen.

Literaturhinweise

  1. Martin Simon, Christoph Sauerwein, Ion Tiseanu, Sandrine Burdairon, Flexible 3D-Computertomographie mit RayScan 200, DGZfP- Jahrestagung, Berlin, 2001
  2. Martin Simon and Christoph Sauerwein , Cone Beam Tomography for Quality Control and Rapid Product Development, Insight, Vol. 42, No.10 , pp. 651- 655, 2000.
  3. E. Krieger, Die Überprüfung des Eindringverhaltens ausgewählter Kunstharze bei insektengeschädigtem Holz mit Hilfe der Computertomografie, Diplomarbeit, FH Köln, 2001
  4. Senckenberg Museum, Frankfurt
  5. Eiszeitkunst im Süddeutsch-Schweizerischen Jura. Anfänge der Kunst (Alb und Donau, Kunst und Kultur, Band 28) Konrad Theiss Verlag, Stuttgart, ISBN 3 8062 1674 6

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