Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Die Röntgen-Computertomografie (CT) stellt ein zerstörungsfreies Prüfverfahren dar, mit dem innere Strukturen von Bauteilen und Materialien dreidimensional abgebildet werden können. Der hierbei zugrunde liegende Prozess beruht auf der unterschiedlichen Röntgenabschwächung verschiedener Materialien. Zur Generierung eines 3D-Bilddatensatzes wird die Probe schrittweise um 360° rotiert, wobei für jede Position eine Röntgenprojektion aufgenommen wird. Anschließend werden diese Projektionen mittels Rekonstruktionsalgorithmen zusammengesetzt, um einen 3D-Datensatz zu erstellen. Dieser Datensatz wird mittels Visualisierungssoftware aufbereitet sowie qualitativ und quantitativ analysiert.
Die Röntgen-CT ermöglicht auch die Mikrostrukturanalyse von hochbelasteten Faserverbundstrukturen, wobei sowohl der Faserverlauf als auch weitere fertigungsbedingte Fehlstellen in den Bauteilen identifiziert werden können. Die Anlage RayScan 200E, die am Fraunhofer IMWS im Einsatz ist, erlaubt die Untersuchung von Objekten mit der Größe eines Pkw-Frontendträgers.
Um den Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen von Bauteilen im Betrieb gerecht zu werden, sind die Einhaltung der vorgegebenen Faserorientierung, die weitgehende Porenfreiheit sowie die geometrische Maßhaltigkeit und Verzugsfreiheit entscheidend. Die Faserorientierungsanalyse an Laminaten aus UD-Tapes erfolgt anhand von unterschiedlichen Orientierungswinkeln (0°/+45°/90°-45°), die mit verschiedenen Farben dargestellt werden. Diese können in einem Histogramm entsprechend ihrer Häufigkeit aufgetragen werden. Die lokalen Maxima stellen dabei die mittleren Faserverläufe der einzelnen Lagen dar und geben somit Aufschluss über die Güte des Fertigungsprozesses.
Die Porosität als wichtiges Qualitätskriterium kann mittels eines Zusatzmoduls in der am Fraunhofer IMWS eingesetzten Software »VG-Studio« bestimmt werden. Dabei werden Porengröße und -verteilung ermittelt und farblich im 3D-Modell sowie im Histogramm als Verteilungsfunktion dargestellt. Zur Bewertung der Qualitätsmerkmale eines Bauteils wird die Geometrie mittels eines 3D-Bilddatensatzes vermessen. Mittels idealisierter, geometrischer Körper, die an die 3D-Bilddaten angefittet werden, kann die Einhaltung der Soll-Geometrie, wie zum Beispiel der Formtoleranzen, überprüft werden.
Mit der am Fraunhofer IMWS vorhandenen in-situ-CT-Vorrichtung können Probekörper unter Last (Zug/Druck) dreidimensional dargestellt werden. Dadurch können Versagensmechanismen auf mikrostruktureller Ebene analysiert und aufgeklärt werden. Die Vorrichtung verfügt über eine Maximal-Kraft von 5 kN.
Insgesamt bietet die Röntgen-CT-Anlage RayScan 200E in Kombination mit den Analysemethoden des Fraunhofer IMWS eine leistungsfähige Möglichkeit zur zerstörungsfreien Mikrostrukturanalyse von Faserverbundstrukturen und anderen Materialien. Mit ihrer hohen Detailerkennbarkeit und dem breiten Betriebsmodus-Spektrum können sowohl Fertigungsfehler als auch strukturelle Veränderungen bei Belastung erfasst und analysiert werden. Dadurch können Unternehmen in der Industrie wertvolle Erkenntnisse über die Qualität und Sicherheit ihrer Produkte gewinnen und diese gezielt weiterentwickeln und verbessern.
