Anwendungszentrum für Holzfaserforschung HOFZET®

Die Computertomographie (CT) ist eine schnelle und zerstörungsfreie Methode zur Material- und Bauteiluntersuchung. Sie ermöglicht eine dreidimensionale Darstellung der inneren und äußeren Struktur von Objekten mit einer Detailerkennbarkeit bis hinab in den Mikrometerbereich. Die CT-Analytik ist von großem Wert für die effiziente Neu- und Weiterentwicklung von Materialien und Produktionsprozessen. Anhand von Materialproben kann innerhalb von kurzer Zeit ermittelt werden, ob beispielsweise bei der Herstellung von Organoblechen eine gute Infiltration der Verstärkungsfasern mit der Kunststoffmatrix erfolgt ist und ob der Werkstoff Poren oder andere Fehlstellen enthält. Als Konsequenz können beispielweise Verarbeitungstemperaturen und -drücke angepasst werden oder unterschiedliche Matrixpolymere in ihrer Verarbeitbarkeit verglichen werden. Der Erfolg der Verfahrensadaption kann wiederum anhand von CT-Aufnahmen überprüft werden.

Da sich die CT weitgehend unabhängig vom Material einsetzen lässt, bietet sich über diese Beispiele hinaus ein nahezu unbegrenztes Anwendungsspektrum. Mit ihr lassen sich nicht nur klassische Materialien wie Kunststoffe, Holzwerkstoffe, Baustoffe oder Metalle untersuchen, sondern insbesondere auch Hybridwerkstoffe, die zunehmend an Bedeutung gewinnen. Bei Hybridbauteilen aus Faserverbundkunststoffen und Metall lässt sich beispielsweise neben der Faser-Matrix-Anbindung im Verbundwerkstoff auch die Grenzflächenqualität zwischen Kunststoff und Metall bewerten. Darüber hinaus ist die CT auch für geologische, biologische oder archäologische Proben geeignet.

Unser Computertomograph ist durch seine Ausstattung mit einer großen Messkammer, zwei Röntgenröhren und zwei Detektoren sehr flexibel einsetzbar. Einerseits können große Objekte bis zu einem Durchmesser von 500 mm erfasst werden, andererseits sind Auflösungen bis in den unteren Mikrometerbereich möglich.

Messprinzip

Die CT bedient sich der Eigenschaft von Röntgenstrahlung, Objekte zu durchdringen und dabei material- und weglängenabhängig abgeschwächt zu werden. Aus einer Reihe von 2D-Röntgenaufnahmen des Untersuchungsobjekts aus verschiedenen Aufnahmewinkeln, i. d. R. durch schrittweise Rotation des Prüfobjekts, wird die 3D-Volumendarstellung des Objektes computergestützt rekonstruiert. Das 3D-Volumen setzt sich aus einer großen Anzahl von sogenannten Voxeln – den 3-dimensionalen Analoga zu Pixeln – mit absorptionsspezifischen Grauwerten zusammen. Die Kantenlänge der Voxel bestimmt dabei die Detailerkennbarkeit der CT-Aufnahme. Die Messdauer beträgt messaufgabenabhängig zwischen einer halben und zwei Stunden.

Geometrieerfassung

Durch eine CT-Messung kann die Geometrie von Formteilen exakt erfasst werden. Dadurch können verschiedenste dimensionelle Messungen präzise durchgeführt werden, z. B. von:

• Abständen
• Durchmessern
• Radien
• Winkeln

Auch innenliegende Strukturen wie Hohlräume sind hierbei erfassbar. Weiterführend lassen sich die Wandstärken eines Bauteils automatisiert bestimmen, farblich kodieren und mit Soll-Wandstärken abgleichen. Der Soll/Ist-Vergleich ermög-licht den umfassenden Abgleich der CT-Volumendaten des Messobjekts mit einem Referenzobjekt. Hierbei kann es sich z. B. um ein CAD-Modell oder auch eine Referenzmessung handeln. Auch kann in umgekehrter Richtung aus einer CT-Messung ein 3D-Modell exportiert werden, z. B. für ein Reverse Engineering.

Poren-, Lunker- und Einschlussanalytik

Durch die Eigenschaft der CT, die innere Struktur des Werkstoffs darzustellen, können Defekte wie Risse, Lunker oder Poren nachgewiesen und quantifiziert werden. Dies umfasst die Bestimmung von:

• Defektvolumen
• Positionen der Defekte in der Probe
• Geometrischen Eigenschaften (Durchmesser, Volumen, Spherizität) der einzelnen Defekte

Analog lassen sich diese Auswertungsmöglichkeiten auch auf Einschlüsse wie Fremdpartikel oder Füllstoffe anwenden. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Charakterisierung der Struktur von Schäumen.

Faseranalytik

In Faserverbundwerkstoffen können mittels CT die einzelnen Verstärkungsfasern aufgelöst werden. Dies eröffnet eine umfassende Charakterisierung der Werkstoffe hinsichtlich u.a.:

• Faserlänge und -durchmesser, Verhältnis Länge/Durchmesser (aspect ratio)
• Faserverteilung
• Faservolumenanteil
• Faserausrichtung

Darüber hinaus lassen sich morphologische Besonderheiten, z. B. die Oberflächenstruktur von Fasern, Faserondulationen oder die Gefäßstruktur in Holzfasern, erkennen.

In-situ-CT

Bei In-situ-CT-Untersuchungen wird nicht wie bei klassischen CT-Anwendungen nur ein stationärer Zustand eines Untersuchungsobjekts erfasst, sondern durch mehrere aufeinander folgende CT-Aufnahmen das Verhalten des Objekts dynamisch verfolgt, während es einer äußeren Belastung ausgesetzt ist. Es kann sich dabei z. B. um eine mechanische, thermische oder korrosive Belastung handeln.

Wir können Werkstoffproben einer Reihe von komplementären In-situ-CT-Untersuchungen unterziehen. Dazu gehören Zug-, Druck- und Biegeversuche, die in einem Temperaturfenster zwischen -20 und +160 °C und entweder linear oder zyklisch durchgeführt werden können.

Im Gegensatz zu häufig praktizierten Zug- oder Druckversuchen liegt bei Biegeversuchen ein komplexer Belastungsfall unter simultaner Einwirkung von Zug- und Druckkräften vor, durch den weitreichendere Informationen über die Versagensmechanismen erfasst werden können. Als einziges Institut verfügen wir über die Möglichkeit, 4-Punkt-Biegeversuche in mehreren Skalen durchzuführen. In der temperierbaren In-situ-Stage kann das Biegeversagen kleiner Proben (ca. 24 x 10 mm) in hoher Auflösung (< 10 µm) untersucht werden. Ein weiterer, in Zusammenarbeit mit dem Anwendungszentrum Computertomographie in der Messtechnik CTMT des Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS entstandener, In-situ-Biegeversuch ermöglicht die Untersuchung größerer und damit praxisnaher Proben (bis 150 mm x 25 mm) in Anlehnung an DIN EN ISO 14125.

Durch die vergleichende Untersuchung in mehreren Skalen können Einflüsse der begrenzten Probendimensionen für hochauflösende Scans sichtbar gemacht und damit in die Bewertung von Versagensvorgängen einbezogen werden. Durch den modularen Aufbau des In-situ-Biegeversuchs ist auch eine Adaption an Probengeometrien, die von DIN EN ISO 14125 abweichen, möglich. 

Ausstattung

Das System Procon X-Ray CTAlphaDuo ist durch seine Ausstattung mit einer großen Messkammer, zwei Röntgenröhren und zwei Detektoren sehr flexibel einsetzbar. Einerseits können große Objekte bis zu einem Durchmesser von 500 mm erfasst werden, andererseits sind Auflösungen bis in den unteren Mikrometerbereich möglich. 

Eckdaten:

• 240 kV-Mikrofokus- und 225 kV-High-power-Röntgenröhre
• 4MP-Detektoren
• Proben: Durchmesser max. 500 mm, Höhe max. 400 mm, Gewicht max. 25 kg
• In-situ-stage für 4-Punkt-Biegeversuche
• Z-Schacht für weitere In-situ-Aufbauten (z. B. Fluide, Druck usw.)
   

In-situ-CT-Labor:

• In-situ-CT-Zugversuch für Proben ca. 30 mm x 20 mm
• In-situ-CT-Druckversuch für Proben bis 39 mm Durchmesser, 15 mm Höhe
• In-situ-CT-3-Punkt-Biegeversuch für Proben ca. 24 mm x 10 mm
• In-situ-CT-4-Punkt-Biegeversuch für Proben ca. 24 mm x 10 mm
• Lineare oder zyklische Belastung
• Temperierung der Messkammer auf -20 bis +160 °C
• In-situ-CT-4-Punkt-Biegeversuch in Anlehnung an DIN EN ISO 14125 für Proben bis 150 mm x 25 mm

Max. Scanvolumen abhängig von Aufnahmemodus:

• 500 mm Durchmesser, 250 mm Höhe
• 250 mm Durchmesser, 400 mm Höhe
• Minimale Voxelgröße: < 1 μm