Hochauflösende Röntgen-Computertomographie an der Hochschule Aalen/Institut für Materialforschung

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1 Hochauflösende Röntgen-Computertomographie an der Hochschule Aalen/Institut für Materialforschung FEM Simulation Metrologie Bauteilprüfung Schadensanalyse Forschung Rapid Prototyping Formfaktor 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Partikelgröße - vkd [µm] Volumengewichtete Summenkurve [%] D CT - volumengl. KugkelØ 2D SteMi - ECD Laserbeugung Partikelgröße [µm] 3D-Quantifizierung Institut für Materialforschung Aalen 1

2 Anwendungsbeispiel µct und Reverse Engineering Überdruckventil aus Stahl 10 mm In Zusammenarbeit mit Inneo Solutions GmbH Institut für Materialforschung Aalen 2

3 Anwendungsbeispiele µct und Reverse Engineering Hebel aus Spritzmetallguss Mikro-Kugellager 10 mm Kunststoffbauteil 10 mm 2 mm In Zusammenarbeit mit Inneo Solutions GmbH Institut für Materialforschung Aalen 3

4 Hohlkugel Stahl-Werkstoff: Datenbasis für FEM- Simulation der mechanischen Eigenschaften 10 mm 3D-Oberflächenbild Nano-CT Teil-transparentes 3D-Oberflächenbild mit erfassten Hohlräumen Institut für Materialforschung Aalen 4

5 Hohlkugel Stahl-Werkstoff: Datenbasis für Simulation und Reverse Engineering Original Scan Daten Berechnungsmethode: Akkumulatorprinzip Beispiel: 1 VOLUMES Platte mit TYPE NUM über Hohlkugeln JUN :34:40 Y Z X CAD Modell Lokalisierung Institut für Materialforschung Aalen 5

6 Offen-zelliger Lotus-Type Cu-Werkstoff: Datenbasis für FEM-Simulation der mechanischen Eigenschaften 2D-Röntgenprojektion 3D-Oberflächendarstellung 5 mm 5 mm Stark an-isotrope Materialverteilung dünne Wandstege Institut für Materialforschung Aalen 6

7 Nano-CT einer Hartmetall-Schneide quantitative Erfassung der komplexen Spanraumgeometrie 3 mm 3D-Oberflächenbild aus Nano-CT, Auflösung 5 µm/voxel 3D-Oberflächendaten aus Nano-CT für Reverse Engineering Institut für Materialforschung Aalen 7

8 3D-Geometrie: Reverse Engineering von CT-Volumenbilder in voll parametrisierte 3D-CAD Modelle Oberflächenkontur Löcher, STL-Datensatz Abweichungen nach der Parameterzuweisung Löcher-Schneide, Fertigungszeichnung Löcher-Schneide, CAD-Modell Institut für Materialforschung Aalen 8

9 Siliziumcarbid Schwammeisen NanoCT an Aluminiumoxid Sprühgranulat Aluminiumoxid Höchst aufgelöste 3D-Visualisierung von Pulver mittels Nano-CT Bsp. Aluminiumoxid Sprühgranulate 60 µm 100 µm 60 µm 45 µm Institut für Materialforschung Aalen

10 Höchst aufgelöste 3D-Visualisierung von Pulver mittels Nano-CT unterschiedlichste Werkstoffe und Größen Aluminiumoxid Siliziumcarbidbimodal Siliziumcarbidtrimodal Schwammeisen 450 µm Acetylsalicylsäure Cellulose Metal Injection Molding ca. 1,6 µm/voxel Institut für Materialforschung Aalen 10

11 Höchst aufgelöste 3D-Visualisierung von Pulver mittels Nano-CT unterschiedlichste Werkstoffe und Größen Aluminiumoxid Siliziumcarbidbimodal Siliziumcarbidtrimodal Schwammeisen 450 µm Acetylsalicylsäure Cellulose Metal Injection Molding ca. 1,6 µm/voxel Institut für Materialforschung Aalen 11

12 Höchst aufgelöste 3D-Visualisierung von Pulver mittels Nano-CT unterschiedlichste Werkstoffe und Größen Aluminiumoxid Siliziumcarbidbimodal Siliziumcarbidtrimodal Schwammeisen 1400 µm Acetylsalicylsäure Cellulose Metal Injection Molding ca. 1,6 µm/voxel Institut für Materialforschung Aalen 12

13 Volumengewichtete Summenkurve [%] Falschfarben visualisierung Slice Volumenbild binarisiert. Slice Volumenbild original Quantitative Bestimmung der wahren Partikelgrößenverteilung mittels 3D-Bildanalyse und Nano-CT D CT - volumengl. KugkelØ 2D SteMi - ECD Laserbeugung Partikelgröße [µm] D50 vkd = 59 µm Details CT-Messung Al 2 O 3 Sprühgranulat: Nano-CT Voxelgröße: 1,81 µm Ausgewertete Partikel: Institut für Materialforschung Aalen

14 nanoct-analyse einer Keramik mit stark vernetzen Porenkanälen und bimodaler Größenverteilung NanoCT: 3D-Ansicht im Detail NanoCT: 2D-Schnittebene Charakterisierung und quantitative Beschreibung der Porengrößenverteilung und Permeabilität Institut für Materialforschung Aalen µm

15 3D-Bildanalyse zur Bestimmung der geometrischen Perkolation offen-poröser Keramikkörper (z.b. Filter) Nano-CT eines offen-porösen keramischen Filters, Auflösung: 1,5 µm/voxel In Zusammenarbeit mit Hochschule Darmstadt, Fraunhofer ITWM 500 µm Institut für Materialforschung Aalen 15

16 3D-Bildanalyse zur Bestimmung der geometrischen Perkolation offen-poröser Keramikkörper (z.b. Filter) Ausgewerteter Teilbereich aus Gesamtvolumen In Zusammenarbeit mit Hochschule Darmstadt, Fraunhofer ITWM Institut für Materialforschung Aalen 16

17 3D-Bildanalyse zur Bestimmung der geometrischen Perkolation offen-poröser Keramikkörper (z.b. Filter) In Zusammenarbeit mit Hochschule Darmstadt, Fraunhofer ITWM Institut für Materialforschung Aalen 17

18 CT-Axial Schnitt Digitalkamera CT-Analyse von stahlfaserverstärktem Hochleistungsbeton (high-performance concrete) NiCr-Draht y NiCr-Draht x y x y x z In Zusammenarbeit mit Fraunhofer ITWM Institut für Materialforschung Aalen 18

19 CT-Axial Schnitt Digitalkamera CT-Analyse von stahlfaserverstärktem Hochleistungsbeton (high-performance concrete) NiCr-Draht y x y x In Zusammenarbeit mit Fraunhofer ITWM Institut für Materialforschung Aalen 19

20 Visualisierung der Porosität eines gewobenen CFK Bauteils mittles µct angeschnittene 3D-Oberflächenbilder 21,19 mm Makrobild 20 mm -18 db 21,92 mm 1,92 mm 3,6 mm Institut für Materialforschung Aalen 20

21 Höchst aufgelöste Visualisierung von Faserorientierung und Schichtaufbau eines gewobenen CFK Bauteils mittels Nano-CT y Detailausschnitt: Kohlenstofffasern z x 250 µm Angeschnittenes 3D-Oberflächenbild Nano-CT mit 1,1 µm Voxelgröße Institut für Materialforschung Aalen 21

22 Raw material of cathode active material with mixed oxides and tendencies of agglomeration oxide type 1 max. ~ 65 µm oxide type 2 max. ~ 70 µm 200 µm 2011 Materials Research Institute Aalen - Löffler 22

23 High resolution CT of cathode foil of no-name Lithium ion battery Discrepancies to data sheet 4 µm/voxel click 370 µm SEM/EDS shows lanthanum-rich additives not declared 2011 Materials Research Institute Aalen - Löffler 23

24 Anwendungsbeispiel Medizintechnik: Visualisierung Mikrochipstrukturen für bionische Applikationen Rekonstruiertes 3D-Bild des Platin Anteils 2D-Röntgenprojektion mit Nano-CT mit 0,5 µm/voxel Auflösung In Zusammenarbeit mit University of New South Wales, Graduate School of Biomedical Engineering, Australien Institut für Materialforschung Aalen 24

25 Anwendungsbeispiel Medizintechnik: Visualisierung Mikrochipstrukturen für bionische Applikationen 30µm Queransicht 10µm Schnittdarstellung In Zusammenarbeit mit University of New South Wales, Graduate School of Biomedical Engineering, Australien Institut für Materialforschung Aalen 25

26 Anwendungsbeispiel Medizintechnik zur Visualisierung von Knochen (osteoporotischer Hüftgelenkkopf) Kortikalis Spongiosa Auflösung: 105 µm/voxel Medizinischer Computertomograph Auflösung: 90 µm/voxel v tome x s - Mikrofokusröhre Institut für Materialforschung Aalen 26

27 Anwendungsbeispiel Medizintechnik zur Visualisierung von Knochenstrukturen mittels Nano-CT (Bohrkern) Kortikalis 2 1 mm Sagittal-Ebene Frontal-Ebene Spongiosa 1 mm Bohrkerntomographie ( ca. 3 mm), Auflösung ~ 8 µm/vx Qualitativ anisotrope Spongiosastruktur erkennbar durchlässiger in Z-Richtung (Höhe) X und Y-Richtung relativ gleich im Aufbau Institut für Materialforschung Aalen 27

28 Zerstörungsfreie Untersuchung in Höchstauflösung, Beispiel Silicium-Mikrosystem für Sensoren (MEMS) Stereomikroskop 3D-Oberflächenbild Nano-CT Institut für Materialforschung Aalen 28

29 Zerstörungsfreie Untersuchung in Höchstauflösung, Beispiel Silicium-Mikrosystem für Sensoren Angeschnittenes 3D-Oberflächenbild Nano-CT 100 µm Institut für Materialforschung Aalen 29

30 Zerstörungsfreie Untersuchung in Höchstauflösung, Beispiel Silicium-Mikrosystem für Sensoren Angeschnittenes 3D-Oberflächenbild Nano-CT 100 µm Institut für Materialforschung Aalen 30

31 Mikrometerfeine innere Strukturen in 3D in MEMS Auflösung 0,5 µm/voxel struktureller Aufbau 2D-Schnittebene aus Volumenbild Nano-CT 100 µm Institut für Materialforschung Aalen 31

32 2D-Schnittebene aus Volumenbild der Nano-CT Mikrometerfeine innere Strukturen in 3D in MEMS Auflösung 0,5 µm/voxel struktureller Aufbau 50 µm Institut für Materialforschung Aalen 32

33 Fehler in Bauteilen: Poren in lasergeschweißtem Aluminiumdruckguss AlSi10Mg, TruDisk 8002, bifokal, d f = 0,4 mm, He/Ar (1:1), Blechdicke: 2 mm P = 8 kw, v = 14 m/min Längsschliff Querschliff Lichtmikroskopie Mai 2011 Prof. Dr.-Ing. L. Kallien, Institut Prof. für Dr.-Ing. Materialforschung H. Riegel, Aalener Gießereikolloquium 33

34 Porenanzahl Fehler in Bauteilen: Räumliche Quantifizierung der Poren und Größenverteilung mittels µct in Laserschweißnaht Falschfarbendarstellung Poren AlSi10Mg, v = 5 m/min, Druckguss Porendurchmesser [mm] Mai 2011 Prof. Dr.-Ing. L. Kallien, Institut Prof. für Dr.-Ing. Materialforschung H. Riegel, Aalener Gießereikolloquium 34

35 Fehler in Bauteilen Beispiel: Al 2 O 3 -Keramik + künstlich eingebrachte Fehler Axial-Ebene 3 mm Direktstrahlröhre 225 kv, Auflösung 24 µm/voxel Zuverlässigkeit und Festigkeit von Bauteilen Institut für Materialforschung Aalen 35

36 Fehler in Bauteilen Beispiel: Lunkerverteilung in Kunststoffspritzgussteil LIMI CT Kachelbild einer zielpräparierten Ebene Bildauflösung ~2 µm/pixel radialsymmetrische Lunkeranordnung Identische Ebene aus µct-aufnahme Bildauflösung 60 µm/voxel Größenverteilung und Position abhängig von Herstellungsprozess Zuverlässigkeit und Festigkeit von Bauteilen 10 mm Institut für Materialforschung Aalen 36

37 Domänenbestimmung eines gefriergegossenen Al 2 O 3 - Grünkörpers mittles Nano-CT 3D-Oberflächenbild Nano-CT 500 µm Institut für Materialforschung Aalen 37

38 Kontrolle der Schmelzinfiltration in einer Al-MMC Einzeldomäne (AlSi12/Al 2 O 3 /40 pp ) mittels Nano-CT Kantenlänge des Würfels 500 µm Institut für Materialforschung Aalen 38

39 Li-Ionen-Akkumulatoren: Möglichkeit feingeometrische Auswertungen und Messen von Elektrodenparametern frontal axial Interaufbau Elektroden und Aktivmaterialien Lichtmikroskopie copper graphite LiMOx and aluminum 2 mm 60 µm Institut für Materialforschung Aalen 39

40 Li-Ionen-Akkumulatoren: Vergleich Feingeometrie und Aufbau von Zellen verschiedener Hersteller Institut für Materialforschung Aalen 40

41 Archäologie: Schädel Junge (6 Jahre) Alter ca Jahre 2D-Röntgenprojektionsbild 3D Oberflächendarstellung µct In Zusammenarbeit mit Federsee Museum Bad Buchau Institut für Materialforschung Aalen 41

42 Archäologie: Schädel Junge (6 Jahre) Alter ca Jahre; Volumenbild in Schnittbild Darstellung In Zusammenarbeit mit Federsee Museum Bad Buchau Institut für Materialforschung Aalen 42

43 Archäologie: Schädel Junge (6 Jahre) Alter ca Jahre; Oberflächendatensatz für Rapid-Prototyping In Zusammenarbeit mit Federsee Museum Bad Buchau Institut für Materialforschung Aalen 43

44 Archäologie: Schädel Junge (6 Jahre) Alter ca Jahre Photographie Federsee-Museum 3D Oberflächendarstellung µct In Zusammenarbeit mit Federsee Museum Bad Buchau Institut für Materialforschung Aalen 44

45 Archäologie: Schädel Junge (6 Jahre) Alter ca Jahre Seitenansicht links 3D Oberflächendarstellung µct Seitenansicht rechts 3D Oberflächendarstellung µct In Zusammenarbeit mit Federsee Museum Bad Buchau Institut für Materialforschung Aalen 45

46 Archäologie: Nano-CT an einer ca Jahre alten Geschossspitze (Lonetal) Rapid Prototyping 3D-Volumen In Zusammenarbeit mit Universität Tübingen 2D-Oberfläche 3D-Oberfläche Institut für Materialforschung Aalen 46

47 Archäologie: Nano-CT an einer Jahre alten Elfenbeinperle (Lonetal) Rapid Prototyping 3D-Oberfläche aus CT In Zusammenarbeit mit Universität Tübingen Makrobild Institut für Materialforschung Aalen 47

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