Hochauflösender Mikro-/Nanofokus-Computertomograph
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Verbundforschungsprojekt „Entwicklung eines Bildanalyseverfahrens zur Charakterisierung des dreidimensionalen Gefüges von Werkstoffen“ wurden die bauteil- und werkstoffabhängigen Auflösungsgrenzen und Limitierungen der Röntgen-µCT an industriell relevanten Werkstoffen (Metalle, Keramiken, Kunststoffe) und daraus hergestellten Bauteilen ermittelt. Auf Basis der erzeugten, hoch aufgelösten Volumenbilder wurden quantitative bildanalytische Methoden entwickelt, die die dreidimensionale Bestimmung der Richtungsverteilung von Fasern in Faserverbünden, die Messung der Perkolationswahrscheinlichkeit des Porenraums von offenporösen keramischen Strukturen und die Segmentierung und statistische Auswertung der Teilchen in einer breiten Klasse von Pulvern ermöglicht. Im Forschungsprojekt „Charakterisierung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe zur Optimierung von Herstellungsprozessen und Entwicklung von Ultraschallprüfverfahren für die Fertigung“ soll mittels Röntgen-µCT und 3D-Gefügeanalyse eine US-Prüfmethode zur Porositätscharakterisierung an Kohlestofffaser-verstärkten Kunststoffen entwickelt und validiert werden. Im Forschungsprojekt „Untersuchung und Quantifizierung der Materialschädigungen an Li- Ionen-Akkumulatoren“ wurde die µCT als zerstörungsfreies Verfahren zur qualitativen und quantitativen Strukturanalyse von Li-Ionen Batteriezellen eingesetzt. Im Forschungsprojekt „Entwicklung eines material- und energiesparenden, stabilen und prozesssicheren Ein- und Abstechwerkzeugs für die radiale und axiale Bearbeitung von Drehteilen“ kommen die Technologien µCT und Reverse Engineering zum Einsatz um die komplexe Spanraumgeometrie von Schneidwerkzeugen in der Zerspanungstechnologie zu quantifizieren und zu verbessern. Im DFG-Paketantrag „Neuartige Metallmatrix -Verbundwerkstoffe auf Al/Al2O3-Basis: Herstellung, Struktur und Eigenschaften“ wurde mittels der Röntgen-µCT die Gefügestruktur von gefriergegossenen Preforms und daraus hergestellten Verbundwerkstoffen untersucht und bewertet. In Forschungsarbeiten zum Laserschweißen von Aluminiumdruckguss wird die µCT und 3D-Bildanalyse zur räumlichen quantitativen Analyse der Porenverteilung eingesetzt. Weiter wurden Vorarbeiten zum Forschungsprojekt „Entwicklung von Laser-Bearbeitungsverfahren für den Verbundwerkstoff Hohlkugelstrukturen“ durchgeführt. Auf dem Gebiet der Archäologie wurde in Zusammenarbeit mit Museen und Forschungsinstituten auf Basis von µCT generierten Volumenbilder und Rapid-Prototyping hoch genaue Replika wertvoller archäologischer Funde (z.B. Schädel einer Amazonen Kriegerin, Elfenbein-Perle aus dem Lonetal) hergestellt. Das Gerät wurde in diversen Promotionsarbeiten, u.a. auch in Kooperation mit australischen Universitäten eingesetzt: PhD Lott: Mithilfe der µ- und nano-CT konnte die Gefügestruktur und Infiltrationsqualität von schwer durchstrahlbaren Kupfer-Keramik Verbundwerkstoffen untersucht werden. Insbesondere die Verteilung von im Aufbereitungsprozess zugegebenen Zusätzen, die maßgeblich für die enorme Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe verantwortlich sind, konnte hiermit bestimmt werden. PhD Bernthaler: Ziel der Arbeit war die mikroskopische Bestimmung von Zuverlässigkeitseigenschaften keramischer Werkstoffe aus der Gefügepopulation. Die µ-CT wurde zur Überprüfung der dreidimensionalen Verteilung von Fehlern in keramischen Körpern eingesetzt, auch um daraus Rückschlüsse hinsichtlich der repräsentativen Erfassung der Fehler im zweidimensionalen Schliff zu erhalten. PhD Veyhl: Eine breite Klasse zellularer Werkstoffe wird auf ihre charakteristischen mechanischen und thermischen Eigenschaften hin untersucht. Zur Bestimmung der Materialkennwerte wird eine neuartige Berechnungsmethode eingesetzt, die auf hoch aufgelösten computertomographischen Daten basiert. PhD Waschkies: Es wurden die Einflussfaktoren auf die Gefügeausbildung beim Gefriergießen von wässrigen Suspensionen systematisch untersucht. Der Einfluss von Einfriergeschwindigkeit, Partikelgröße und Feststoffgehalt auf die Lamellenausbildung konnte mit Hilfe der µCT sichtbar gemacht und weiter analytisch beschrieben werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “High Resolution Computer Tomography as new holistic Method for the quantitative Characterization of Granulate Materials”. European Congress on Advanced Materials and Processes, Nürnberg, 10.-13.11.2007
R. Löffler, T. Bernthaler, A. Nagel, J. Ohser, G. Schneider
- „3D-Computertomographie und Materialographie - Potential für angewandte Werkstoffentwicklung und Schadensanalyse“. Tagungsband Materialographietagung 2007, Bremen
R. Löffler, T. Bernthaler, A. Nagel, G. Schneider
- “Numerical analyses of the thermal conductivity of random hollow sphere structures”. Materials Letters, Volume 63, Issues 13-14, 2009
T. Fiedler, R. Löffler, T. Bernthaler, R. Winkler, I.V. Belova, G.E. Murch., A. Öchsner
- „Charakterisierung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen mittels Röntgencomputertomographie als Grundlage für die Entwicklung von Ultraschallprüfverfahren“. Tagungsband Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung, Münster, 18.–20.05.2009
C. Fartely, R. Meier, S. Schuhmacher, G. Radu, R. Löffler, T. Bernthaler
- „Die Replizierung der Kinderschädel aus der Wasserburg - zum Einsatz von 3D-Technologien in der zerstörungsfreien Archäologie“. In: R. Baumeister, Mord im Moor? Die Bronzezeit am Federsee im Spiegel von Archäologie und Naturwissenschaft, Begleitband zur Sonderausstellung (2009), VeBu Druck + Medien GmbH Bad Schussenried
U. Berger, R. Loeffler
- “Numerical Characterization of Anisotropic Heat Sink Composites”. Materials Science Forum, Volumes 654 - 656, 2010
T. Fiedler, G. E. Murch, T. Bernthaler, I. V. Belova
- „Charakterisierung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen mittels Röntgencomputertomographie als Grundlage für die Entwicklung von Ultraschallprüfverfahren“. Tagung Industrielle Computertomographie, Wels (Österreich), 27.–29.09.2010
C. Fartely, R. Meier, S. Schuhmacher, G. Radu, R. Löffler, T. Bernthaler
- „Finite Element Vibration Analysis of MHSS Based on 3D Tomography Image Processing”. In: Materials with Complex Behaviour, Advanced Structured Materials, 2010, Volume 3, Part 2, 243-256
R. Winkler, J. Schulz, M. Merkel und A. Öchsner
- „Laserstrahlschweißen von Aluminiumdruckguss“. Aalener Gießerei Kolloquium, 4.-5. Mai 2011, Hochschule Aalen
H. Riegel, K. Kallien
