Röntgen-Charakterisierung

Der Blick ins Innere

CT-Verfahren in der Industrie nutzen
Bei Faserverbundwerkstoffen interessieren beispielsweise lokale Faserorientierungen.
Zur Control konnten Interessenten live verfolgen, wie mit Computertomographie-Geräten und entsprechender Software verschiedene Werkstoffe analysiert werden. Die Auswertung ermöglicht Rückschlüsse auf die Werkstoffeigenschaften und kann zur Materialoptimierung dienen.

Eigenschaften und Leistungsfähigkeit geschäumter Materialen und von Verbundwerkstoffe hänge maßgeblich vom Aufbau des Innenlebens ab. Das lässt sich mit der CT-Technologie „ausleuchten“. Faserverbundwerkstoffe, vielfältig eingesetzt auch in sicherheitskritischen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt finden nun auch in der Automobilindustrie zunehmend Verbreitung. Für die simulationsgestützte Auslegung von Bauteilen werden präzise Angaben über die Mikrostruktur benötigt. Besonders die lokale Faserverteilung und -orientierung haben entscheidenden Einfluss auf die Materialeigenschaften. Vorzugsrichtung und Stärke ihrer Ausprägung sowie lokale Orientierungstensoren können aus 3-D-Bilddaten gewonnen werden.

Polymerschäume verfügen aufgrund ihrer geometrischen Feinstruktur über besondere Eigenschaften. Auf Basis der 3-D-Volumenbilder können besonders die Porosität und Homogenität sowohl lokal als auch für die gesamte abgebildete Probe analysiert werden. Mithilfe der Röntgen-Computertomographie (CT) lassen sich im Materialinneren verborgene Strukturen beliebig komplexer Objekte aus fast allen Werkstoffen mit hoher Genauigkeit erfassen und charakterisieren. Die CT ist daher eine geeignete Methode zur Charakterisierung moderner Hightech-Materialien in den unterschiedlichen Materialstadien wie Materialentwicklung (Charakteristik), -verarbeitung (Qualitätssicherung) und Betrieb (Zuverlässigkeit) zu entwickeln.

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Werkzeug ist ein tragbares CT-Gerät, mit dem Proben bis 40 × 40 × 40 Millimeter tomographiert werden können. Mit den Gerätemaßen von 350 × 300 × 230 Millimeter ist dessen Platzbedarf recht bescheiden. Das Gerät ermöglicht laut Anbieter den Verzicht auf ein spezielles Labor oder besonders geschultes Personal, wodurch sich die Investitionskosten deutlich verringern. Der Anschluss über die USB-Schnittstelle an ein Notebook gewährleiste den einfachen Aufbau und einfache Handhabung. Es wird keine weitere externe Hardware benötigt. Dank dem Gewicht von unter 20 Kilogramm werde echte Mobilität erreicht.

Da die mit Computertomographie gewonnenen Volumenbilder die volle Information über die räumliche Mikrostruktur enthalten, können sie mit der Software MAVI (Modular Algorithms for Volume Images) analysiert, modelliert und visualisiert werden. Das System ist speziell für die Analyse der komplexen Mikrostruktur von Werkstoffen konzipiert, kann aber auch dreidimensionale Bilder anderer Strukturen wie Knochen oder Schnee erfassen und verarbeiten. Die Software misst Volumen, Oberfläche, Krümmungsintegrale und die Eulerzahl für die vollständige Struktur oder für einzelne Objekte, findet Anisotropien und bevorzugte Richtungen und bestimmt deren Stärke.

Die Faserrichtungsanalyse in Teilvolumina erlaubt beispielsweise die Berechnung des makroskopischen, anisotropen, viskoelastischen Verhaltens des Verbundmaterials direkt aus der Faser-Matrix-Mikrostruktur. Der damit hergestellte Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften wird zur Materialoptimierung eingesetzt.

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