Quality Engineering 05.2023

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SPECIAL » Bildverarbeitung Bild: Fraunhofer EZRT Vergleich eines Labor-CT-Scans (links) mit einem Synchrotron-CT-Scan (rechts) eines neuartigen Werkstoffs der elementare Aufbau von einkristallinen oder pulverförmigen Materialien untersucht wird, um das Vorhandensein bestimmter chemischer Verbindungen wie zum Beispiel Fe 2 O 3 ) oder Veränderungen der Struktur beziehungsweise Phase von Materialien zu detektieren. Komplementär dazu ist die Röntgenspektroskopie, bei der das Objekt durch Beschuss mit energiereicher Röntgenstrahlung abhängig von seiner Zusammensetzung Photonen freisetzt. Somit wird ein spezifisches Spektrum erzeugt, aus dem das Vorhandensein einzelner Elemente wie beispielsweise Fe oder Cu abgelesen werden kann. Eine weitere wesentliche Technik bildet die Ptychographie, bei der statt konventioneller Bildgebung nicht die Röntgenabsorption gemessen, sondern das Objekt mit einem fokussierten Röntgenstrahl abgetastet wird und Beugungsbilder gemessen werden. Aus diesen kann numerisch die Ortsraum- Struktur rekonstruiert werden. Durch den geringen Einfluss von Ungenauigkeiten der verwendeten Optiken können somit Strukturen bis zu atomaren Größenordnungen aufgelöst werden. Als eine Strahllinie mit speziellem Fokus auf industriellen Applikationen ist die neue Beamline BM18 der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble hervorzuheben. Dort wird Phasenkontrast-CT durchgeführt, eine spezielle Form der Röntgenbildgebung, in der die Welleneigenschaften der Röntgenstrahlung und deren Wechselwirkung mit der Probe direkt genutzt werden. Genauer wird die Probe im Röntgenstrahl an einer vordefinierten Distanz zum Detektor platziert. Durch diese hohe Propagationsdistanz (bei BM18 maximal 36 m) kommen die Welleneigenschaften in Form von Überhöhungen der Objektkanten zum Vorschein, die somit typischerweise deutlich schärfer aufgenommen werden können als bei konventioneller Absorptionskontrast-CT. Zusätzlich ist an BM18 Multiresolution-CT möglich, bei der typischerweise das Gesamtobjekt initial mit einer relativ groben Auflösung gescannt wird. Nach einer Identifikation von Regionen von besonderem Interesse (Region-of-Interest, kurz RoI) folgt eine Reihe von RoI-Scans mit entsprechend höherer Auflösung. Insgesamt erhält man also eine Hierarchie von SCT-Scans desselben Objekts in unterschiedlichen Auflösungen, ohne das Objekt physisch zerschneiden zu müssen, wie es in konventioneller hochauflösender Bildgebung oftmals der Fall ist. Speziell bei industriellen Anwendungen akkumuliert sich dadurch auch eine erhebliche Datenmenge, die mit konventionellen Verfahren kaum handzuhaben ist. Das Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik (EZRT) forscht dazu an Methoden, um diese Datenmengen effizient und auf Consumer-Hardware zu speichern, verarbeiten und visualisieren. Ein aktuelles Beispiel von SCT findet sich in der Untersuchung von Batteriematerialien, wobei insbesondere die Struktur der winzigen Partikel im Anodenmaterial von Interesse ist. Beginnend mit einem Übersichts-Scan des Gesamtobjekts mit einer Voxelgröße von 42 µm werden inkrementell RoIs bestimmt. Nach Justierung der Einstellungen betreffend Detektor, Objektpositionierung etc., wird ein weiterer CT-Scan durchgeführt. Somit werden weitere RoI-Scans mit Voxelgrößen von 24,63 µm, 9,9 µm, und 2,24 µm erstellt. Diese zeigen in kleinen ausgewählten Regionen derselben Größe qualitativ, wie die steigende Auflösung dabei hilft, die unterschiedlichen Strukturen wie Separatorplatten, Kathoden- und Anoden-Partikel zu erkennen. Untersuchung von neuartigen Materialien Ein weiterer industrieller Anwendungsfall ist die Untersuchung neuartiger Werkstoffe wie Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe, wobei speziell die Verteilung feinster Partikel analysiert werden soll. Hierbei wurde ein einziger SCT-Scan auf einer hohen Auflösung aufgenommen und gegen einen Standard-Labor-CT-Scan verglichen. Dabei ist zu beachten, dass wegen unterschiedlicher Auflösungen (12,6 µm für Labor-CT, 1,205 µm für SCT) und unterschiedlicher Aufspannungen nicht die exakt selbe Schicht angezeigt werden kann. Die hohe Brillanz und Kohärenz der in Synchrotrons generierten Röntgenstrahlung zeigt hier deutlich ihren Mehrwert hinsichtlich einer nahezu artefaktfreien Bildgebung bei hoher Auflösung. Video zu BM18 Welche Anwendungsgebiete die Strahllinie BM18 jenseits von industriellen Anwendungen besitzt, erklärt das ESRF in diesem Video: http://hier.pro/ GqYZ7 40 Quality Engineering » 05 | 2023

Optische Messtechnik Mit Licht und Algorithmen zur fehlerfreien Produktion Mit optischer Messtechnik lassen sich Daten in Echtzeit sammeln und analysieren, um Prozesse simultan zu verbessern und Anomalien schneller zu erkennen. Dabei können Messmethoden und Messgeräte durch die Digitali - sierung an sich ändernde Anforderungen und Standards angepasst werden. Streifenlichtprojektion auf einem Beispielbauteil; im Hintergrund ist das errechnete 3D-Bild zu erkennen. Bild: Fraunhofer IPT Eine besonders vielseitige Art von Messgeräten für die Qualitätssicherung in der Produktion sind die der optischen Messtechnik. Der besondere Vorteil liegt dabei in der hohen Genauigkeit und Messgeschwindigkeit, der berührungslosen Messmethode und der Möglichkeit, je nach Messmethode von kleinsten Strukturen bis hin zu großflächigen Bauteilen eine Qualitätskontrolle zu gewährleisten. Dabei unterscheidet man im Allgemeinen zwischen der Grob- und der Feingestalt eines Werkstücks. Die Grobgestalt umfasst Parameter wie das Maß, die Form und Lage, während die Feingestalt die Oberfläche eines Werkstücks beschreibt und Parameter wie die Welligkeit und Rauheit umfasst. Optische Technologien werden also häufig verwendet, um die geometrischen Eigenschaften von Produkten zu messen, wie zum Beispiel Größe, Form und Position. Zusätzlich können optische Systeme für die Überwachung der Güte von Oberflächen, wie zum Beispiel eine Rauheitsbestimmung oder auch zur Defekterkennung genutzt werden. Auch möglich ist der Einsatz in der Prozessüberwachung, Bild: Fraunhofer IPT Caroline Girmen Wissenschaftliche Mitarbeiterin Fraunhofer IPT www.ipt.fraunhofer.de Quality Engineering » 05 | 2023 41