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Scharfe 3D-Röntgenbilder aus unterschiedlichen Prüfobjekten

Neuartige Kombination von Einzeilen- und Flächendetektor
Scharfe 3D-Röntgenbilder aus unterschiedlichen Prüfobjekten

Die Röntgentechnik ist als zerstörungsfreie Prüfung seit langem ein bewährtes Inspektionsverfahren für elektrische und mechanische Bauteile sowie unterschiedliche Werkstoffe. Forscher aus dem Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) entwickelten jetzt einen Röntgendetektor, der besonders hochwertige Bilder liefert. Diese Detektortechnologie ermöglicht sehr schnelle Aufnahmen, damit können per Computertomographie (CT) nahezu in Echtzeit realistische 3D-Modelle des Objekts analysiert werden. Somit lassen sich Vorgänge und Zustände im Inneren von inspizierten Objekten noch genauer als bisher nachvollziehen, dies gilt selbst für Mikrorisse und kleinste Schäden.

Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS), Fürth

In der Fertigungsindustrie sowie auch für Wartung und Service komplexer Systeme, deren Innenleben nicht mehr frei zugänglich ist, ist Röntgen (X-Ray) von Werkstoffen oder Bauteilen ein bewährtes, zerstörungsfreies Prüfverfahren, um Risse, Defekte aller Art sowie Unregelmäßigkeiten im Inneren von Objekten zuverlässig aufzuspüren. Das Besondere hier an dieser Lösung ist, dass der neuentwickelte Detektor sehr viele Aufnahmen in kurzer Zeit liefert, so dass per CT praktisch in Echtzeit 3D-Modelle des Objektinneren rekonstruiert und damit eine zuverlässige Abbildung möglich wird. Forscher des Fraunhofer-Entwicklungszentrums Röntgentechnik (EZRT), einem assoziierten Bereich des Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS), haben mit Mulix (Multiline X-Ray Detector) einen Röntgendetektor für industrielle Computertomographie (CT) entwickelt, der teilweise an das Target-Design medizinischer Anlagen angelehnt ist. „Unser Anspruch ist es, hohe Bildqualität mit hoher Flexibilität zu vereinen“, erklärt Frank Nachtrab vom EZRT. In der Medizin liefern Röntgenuntersuchungen schon lange Bilder aus dem Inneren unseres Körpers und erleichtern die ärztliche Diagnose. Während jedoch medizinische Röntgenanlagen in Strahlendosis und anderen Kriterien spezifisch auf das Untersuchungsobjekt Mensch ausgelegt sind, werden im industriellen Bereich hinsichtlich Größe und Materialzusammensetzung natürlich völlig andere Objekte durchleuchtet und analysiert. Anlagen, wie in der industriellen Anwendung benötigt, sind in der Regel sehr flexibel einsetzbar und müssen sehr klare und scharfe Darstellungen kleinster Details von Objekten unterschiedlicher Materialien bei hoher Geschwindigkeit in einem weiten Größenbereich liefern. Mulix basiert grundsätzlich auf einer Art von Hybridlösung aus Einzeilen- und Flächendetektoren, die bereits industriell eingesetzt werden. „Mit unserem Demonstrator konnten wir vielversprechende Ergebnisse erzielen und die Funktionalität nachweisen. Nun suchen wir Industriepartner, um Mulix zu einem Prototypen weiterzuentwickeln“, erklärt Frank Nachtrab den aktuellen Stand des Projekts und die Absichten zur weiteren Nutzung der Entwicklung.
Vorteile unterschiedlicher Verfahren vereint
Während beim Zeilendetektor ein fächerförmiger Röntgenstrahl einen bestimmten Abschnitt des Prüfobjekts in der Ebene durchleuchtet, erfasst beim Flächendetektor ein Kegelstrahl das gesamte Objekt. Beide Lösungen haben Vor- und Nachteile: Der Flächendetektor liefert zwar umgehend eine 2D-Aufnahme des gesamten Objekts. Streustrahlung, abgelenkt vom Prüfobjekt, beeinträchtigt allerdings dabei stark die Bildqualität. Bei Zeilendetektoren jedoch ist die Streustrahlung geringer und sie liefern deshalb gestochen scharfe Bilder. Allerdings wird dabei immer nur ein relativ kleiner Teilbereich des Objekts erfasst, dieses Scanverfahren ist somit deutlich zeitaufwendiger. „Wir haben die Vorteile beider Lösungen vereint“, erklärt der X-Ray-Spezialist. Die Anlage basiert auf einem Mehrzeilendetektor – einem Konzept, das bislang nur im medizinischen Bereich eingesetzt wird. Mehrzeilendetektoren arbeiten nach dem Funktionsprinzip eines Zeilendetektors, können jedoch größere Bereiche gleichzeitig abdecken, was die Aufnahmezeit erheblich verkürzt. Im Gegensatz zu sonst üblichen 30 bis 80 Bildern/Sekunde liefert Mulix bis 300 Bilder/Sekunde bei einer Inspektionsfläche von 50x100mm, mit einer Auflösung von über 256 Zeilen. Weil diese modular konzipierten Dektoren zu verhältnismäßig großen Feldern konfiguierbar sind, können auch große Objekte und Teile mit Abmessungen um 400mm in kurzer Zeit geröngt werden. Damit liefert der Detektor sehr schnell eine große Zahl von Aufnahmen, so dass über CT-Verfahren nahezu in Echtzeit 3D-Modelle des Objekts rekonstruiert werden können.
Diese Technologie eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten in der Werkstoffforschung oder Qualitätssicherung, beispielsweise für die Automobilbranche, Elektronik, Luft- und Raumfahrt und Forschungseinrichtungen. Prozesse im Materialinneren lassen gut beobachten. „Wenn wir mechanische Eigenschaften, beispielsweise die Zugfestigkeit prüfen, können wir anhand der Aufnahmen nachvollziehen, wie ein versagensrelevanter Fehler entsteht“, so Nachtrab. Auch für die mechanische Ausführung des Detektors fanden die Forscher eine innovative Lösung: Statt als gerade Fläche ist das Strahlentarget bogenförmig um das Prüfobjekt angeordnet. „Das erhöht die Bildqualität zusätzlich“, erläutert Nachtrab. Anders als bei bisher verfügbaren Detektoren lässt sich der Krümmungsradius verändern. Damit bleibt die Flexibilität erhalten, die für die industrielle Computertomographie notwendig ist, um Anlagen auf Größe und Materialeigenschaften des Prüfobjekts anzupassen.
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