Computertomografie für Makro- und Mikrostrukturen Beispiele aus Technik, Wissenschaft, Medizin, Archäologie und Kultur

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1 DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Festvortrag DACH-Jahrestagung in St.Gallen 2008 ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung April 2008 Computertomografie für Makro- und Mikrostrukturen Beispiele aus Technik, Wissenschaft, Medizin, Archäologie und Kultur Xaver Edelmann, Empa, St.Gallen Mitautoren: Alexander Flisch, Empa, Dübendorf Ralf Schindel, inspire irpd, St.Gallen Dank an Co-Autoren und Beitragende Co-Autoren: Alexander Flisch, Empa, Dübendorf Ralf Schindel, inspire irpd, ETHZ/FHS, St.Gallen Alexander Flisch Ralf Schindel Stefan Buob, inspire irpd, ETHZ/FHS, St.Gallen Beitragende: Jürgen Hofmann, Thomas Lüthi, Alice Miceli, Urs Sennhauser, Raphael Thierry, Peter Wyss, Empa, Dübendorf Philipp Thurner, ehemals Empa, Dübendorf Stefan Buob Jürgen Hofmann Alice Miceli Thomas Lüthi Urs Sennhauser Raphael Thierry Peter Wyss 1

2 Inhalt - Kloster St.Gallen, Stiftsbibliothek, Erd- und Himmelsglobus - Stand der CT-Technik - CT an der Empa - Beispiele aus: Kultur Technik Medizintechnik Materialwissenschaft Archäologie 2

3 Klosterkirche St. Gallen UNESCO Weltkulturgut Stiftsbibliothek Erd- und Himmelsglobus 3

4 Zerstörungsfreie Untersuchung und Zerlegung des Erd- und Himmelsglobus Ma terials Sci ence & Technolog y Konstruktionszeichnung als Grundlage für Replik des Erd- und Himmelsglobus Ma terials Sci ence & Technolog y 4

5 Geschichte der industriellen Computertomografie 1895 entdeckt Wilhelm Conrad Röntgen zufällig die Röntgenstrahlen (Nobelpreis 1901) Johann Radon, Österreich, mathematische ti h Grundlagen für CT. Das erste für industrielle Anwendungen entwickelte Röntgengerät wird 1928 hergestellt. G.N. Houndsfield entwickelt in den frühen 70er Jahren den ersten Röntgen-CT (Nobelpreis für Medizin 1979). Schnelle Verbreitung der Röntgen-CT in der medizinischen Diagnostik Industrielle CT vor allem in den USA verbreitet, dann in Europa. Entwicklung der Detektortechnik Flächenstrahl-Tomografie (2D-CT) Kegelstrahl-Tomografie (3D-CT) Quelle Objekt Quelle Objekt Kollimator Manipulator Zeilendetektor Manipulator Flächendetektor + hohe Bildqualität (Kollimatoren) + hohe Durchstrahlungsleistung - langsam (schichtweises Scannen) + schnell (Volumenscan) - Probleme mit Streustrahlung - geringe Durchstrahlungsleistung 5

6 Strahlenquelle und Ortsauflösung Auflösung 1mm 0.1mm 0.01mm 0.001mm Linearbeschleuniger Industrie-Röntgenröhren Mikrofokus-Röhren Synchrotronstrahl-Quellen Nano -Anlagen 1mm 1cm 10cm 1m Objektabmessung 3D-Anwendungen Erstmusterprüfung (Soll/Ist-Vergleich) 3D-Wandstärkenanalyse mm 6.0 Reverse Engineering i Volumetrische Defektanalysen Modellierung für Simulationen Strukturanalysen 6

7 Volumendigitalisierung Physisches Teil Digitale Repräsentation? Tomografische Datenakquisition Anwendung: Heute vor allem Aluminium- und Präzisionsgussteile für die Automobil- und Luftfahrtindustrie Vorteile: Nachteile: - für Teile mit fast beliebig komplexer Geometrie - innere Strukturen möglich - zerstörungsfrei - volumetrische Defektanalyse - vollautomatische Datenerfassung - hohe Investitionskosten - hohe Unterhaltskosten (Röntgenröhre) - langsam (Zeilendetektorsysteme, 2D-CT) - kleine Teile (Flächendetektorsysteme, 3D-CT) 7

8 Computertomografie an der EMPA seit 1991 Industrie-CT 450 kv, Zeilendetektor Synchrotron-CT, Flächendetektor Mikro-CT 225 kv, Flächendetektor 3D-CT 450 kv, Flächendetektor Projekt DETECT Ma terials Sci ence & Technolog y Projekt DETECT Entwicklung neuer Hardware-Komponenten und SoftwareAlgorithmen für schnelle und genaue 3D-CT Datenerfassung komplexer und grosser Bauteile: 10 mall so schnell h ll wie i mit it 2D 2D-CT CT b beii vergleichbarer l i hb G Genauigkeit i k it Hans Wälischmiller GmbH, Meersburg, Germany University of Bologna, Italy Materials Science & Technology Entwicklung neuer Software-Algorithmen für die automatische Weiterverarbeitung der CT-Bilddaten sowie zur schnellen Flächenrückführung. Entwicklung von Methoden zur Integration der neuen Technologien in die Prozesskette der schnellen Prototypenentwicklung, RPD. Ma terials Sci ence & Technolog y 8

9 Industrielle Anwendungen Dimensionales Messen Masskontrolle Formerfassung Reverse Engineering Erstmusterprüfung Soll /Ist-Vergleich 3D- Wandstärkenanalyse Zerstörungsfreie Prüfung Wichtigste Branchen Automobilindustrie Luft- und Raumfahrt Energietechnik (Turbinenschaufeln) Kunststofftechnik Medizinaltechnik (Prothesen) Giessereien (Alumimium, Inconel) Wichtigste Branchen Fehler- und Schadenanalyse Elektronikindustrie Vollständigkeits- und Funktionskontrolle Automobilindustrie Luft- und Raumfahrt Räumliche Verteilung von Zuschlagsstoffen Giessereien Lebensmittelindustrie Vollständigkeitskontrolle Objekt: Verbindungsstecker Scanvolumen: 104 x 104 x 88 mm Anzahl Pixel: 580 x 580 x 490 Voxel: 0.18 x 0.18 x 0.18 mm 9

10 Formerfassung an Kunststoff-Gehäuse Kunststoff-Gehäuse Stichsäge Scanvolumen: 326 x 326 x 70 mm Anzahl Pixel: 1632 x 1632 x 351 Voxel: 0.2 x 0.2 x 0.2 mm Visualisierung Turbinenschaufel 10

11 3D-Wandstärkenanalyse an Turbinenschaufel 3D- Darstellung Frontalschnitt Axialschnitt Sehnenlänge 120 mm 3D-Defektanalyse 11

12 Rapid Product Development an Motorradzylinder Tomogramme Punktewolke CAD Modell Ma terials Sci ence & Technolog y Soll / Ist - Vergleich Go-Kart-Zylinder Go-Kart - Zylinder, Al 160 x 120 x 120 mm Innengeometrie Aussengeometrie Ma terials Sci ence & Technolog y 12

13 Laminografie - Schrägprojektion 225 kv Panorama-Kopf für Platinen und Leistungselektronik Schrägprojektionen Ma terials Sci ence & Technolog y Laminografie 2 Schnitte aus Laminogramm 3D - Darstellung Ma terials Sci ence & Technolog y 13

14 Wissenschaftliche Anwendungen Materialwissenschaften Strukturanalyse Modellierung Dichte- oder Partikelverteilung Zustandsänderungen Wichtigste Materialien Faserverbundwerkstoffe Biokompatible Werkstoffe Hochleistungskeramik Baustoffe (Beton, Asphalt, Holz) Textilien Umweltwissenschaften Geologie Ökologie Kulturgüter Archäologie Paläontologie Wichtigste Materialien Gestein, Sediment Bodenproben Schnee, Eis Metalle, Holz Fossilien Strukturanalyse Untersuchung der Faserverteilung in Kunststoffkompositwerkstoffen Dargestelltes Volumen: 2.0 x 2.0 x 0.35 mm Voxel: x x mm 14

15 Modellierung Katalysator, Volumen: 128 x 128 x 30 mm, Voxel: 0.12 x 0.12 x 0.12 mm Verteilung von Partikeln Verteilung von Russ- und Aschepartikeln in Diesel- Partikel-Filtern (d = 150 mm) Voxel: 0.2 x 0.2 x 0.4 mm 15

16 Zustandsänderungen Beton unter Drucklast Tomogramm vor Belastung Differenzbild vor und nach Belastung Mikro-CT mit Synchrotronstrahlquelle SLS am PSI Dissertation Philipp Thurner Diss. ETH (2004) EMPA Belastungs-Vorrichtung für Mikro-CT an der Synchrotronstrahquelle SLS am Paul Scherrer Insttut PSI Auflösungsvermögen bis 1μm Mäuseknochen 0% strain 5% strain Rinderknochen 16

17 Resultat: Probe nach Ermüdung mit Rissen Bildgeführte Bruchbewertung von ganzen Knochen (Beispiel Mäuseknochen) 17

18 Mit Selective Laser Sintering und 3D-Druck-Verfahren generativ produziertes physisches Modell 3D-Modell für die präoperative Planung aufgrund medizinischer CT-Daten 18

19 g Tumorbefall am rechten Sprungbein 3D-Computertomografie-Bilddaten vom gesunden linken Sprungbein (blau) vor der Spiegelung Ma terials Sci ence & Technolog y Mit dem selektiven Lasersinterverfahren hergestelltes, gespiegeltes Wachsmodell und poliertes Kobalt/Chrom-Sprungbein-Implantat Implantiertes künstliches Sprungbein Ma terials Sci ence & Technolog y 19

20 Visualisierung eines fossilen Menschenschädels (Toumaï, Tschad, 6-7 Millionen Jahre) 39 Eschenbach, Fundstelle des versteinerten Oberkiefers eines prähistorischen Nashorns Bürgin, T. & Becker, D. & Oberli, U., Ein fossiles Nashorn vom Uznaberg. Berichte der St.Gallischen Naturwissenschaftlichen Gesellschaft, Band 91 (2008), St.Gallen, S Ma terials Sci ence & Technolog y

21 Versteinerter Oberkiefer eines prähistorischen Nashorns Quelle: Bürgin, T. & Becker, D. & Oberli, U. Ma terials Sci ence & Technolog y Oberkiefer des prähistorischen Nashorns Quelle: Bürgin, T. & Becker, D. & Oberli, U. Ma terials Sci ence & Technolog y 21

22 Versteinerter Oberkiefer des prähistorischen Nashorns, 3D-Tomogramm des ganzen Schädels Produktionsbereite 3D Daten, generativ produziertes physisches Modell 22

23 Die Ostschweiz vor 20 Millionen Jahren? Quelle: Bürgin, T. & Becker, D. & Oberli, U. Kulturgüter - Glocke aus Bronze 23

24 Kulturgüter: Antike Vase mit Münzen Herstellung Eisenteile für Replik Erd- und Himmelsglobus Bild: Tages-Anzeiger/ Matthias Jurt 24

25 Herstellung Holzteile für Replik Erd- und Himmelsglobus Bild: Tages-Anzeiger/ Matthias Jurt Montage Aussenhaut für Replik Erd- und Himmelsglobus Bild: Tages-Anzeiger/ Matthias Jurt 25

26 Erd- und Himmelsglobus Fazit Industrielle CT hat ein grosses Potenzial. Heute ist erst ein kleiner Teil der Möglichkeiten ausgeschöpft. Schnellere Scanner eröffnen in Zukunft eine Vielzahl neuer Anwendungen. Parameteroptimierung anhand von Simulationen. Innovationspotenzial liegt in neuen Scanverfahren, Detektorsystemen, Rekonstruktions- und Datenkorrekturalgorithmen, in der Kombination von Messverfahren sowie in Synergien mit medizinischer CT. Mit dem grösseren Marktvolumen der industriellen CT wird die Entwicklung von neuen Detektorsystemen für hohe Energien beschleunigt. Die Bedeutung von CT in der informatikgestützten Produktentwicklung wird zunehmen. 26

27 Gratulation und Dank Herzliche Gratulation zum 75-Jahr-Jubiläum der DGZfP! Dank für die jahrzehntelange gute Zusammenarbeit der drei Gesellschaften DGZfP, OeGfZP und SGZP zum Nutzen von Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft! Angenehmer Aufenthalt in der Ostschweiz! Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit! Literatur Alexander Flisch, Peter Wyss, Thomas Lüthi, Raphaël Thierry, Alice Miceli1, Jürgen Hofmann, Möglichkeiten der Industriellen Röntgen-Computertomografie für Wirtschaft und Wissenschaft Fachtagung Industrielle Computertomographie, Februar 2008, Wels, Österreich, Proceedings S Alexander Flisch, Raphaël Thierry, Alice Miceli, Jürgen Hofmann, Martin Simon, Christoph Sauerwein, Franco Casali, Matteo Bettuzzi, Maria Pia Morigi Neue Entwicklungen für schnelle Computertomografie zur Prüfung von Gussprodukten Fachtagung Industrielle Computertomographie, Februar 2008, Wels, Österreich, Proceedings S Thurner Philipp Imaging of Cellular and Extra-Cellular Stressed Matter Using Synchrotron Radiation Based Micro-Computed Tomography Dissertation ETH Nr , R. Schindel, Ch. Lampert, W. Gross Case Report TALUS: Application of Selective Laser Sintering Technology in Orthopaedics European Cells and Materials, Vol. 10. Suppl. 5, 2005 (page TM4,) ISSN Bürgin, T. & Becker, D. & Oberli, U.) Ein fossiles Nashorn vom Uznaberg. Berichte der St.Gallischen Naturwissenschaftlichen Gesellschaft, Band 91 (2008), St.Gallen, S Ralf Schindel, Stefan Buob, Alexander Flisch Prähistorisches Nashorn mit Termin beim Radiologen Berichte der St.Gallischen Naturwissenschaftlichen Gesellschaft, Band 91 (2008), St.Gallen, S