Im ersten Beitrag habe ich einen Bezug zwischen der Auflösung des menschlichen Auges und der Auflösung in einem CT-Scan hergestellt. Eine kurze Internetrecherche ergab, dass „die optische Auflösung des Auges im besten Fall etwa 15 lp/mm beträgt“. Ich persönlich würde 7 lp/mm ansetzen.

Der 2D-Auflösungstest der Imaging-Kette mit einem Duplex-Drahtsteg-IQI nach ISO 19232-5 (EN 462-5 oder ASTM E2002) ergab eine Modulation von über 20 % für den D15 (32 µm), was 16 lp/mm entspricht. Bei einer so hohen Vergrößerung hängt dies fast ausschliesslich von der Fokusgröße ab.

Mithilfe der ASTM-E2698-Gleichungen läge die optimale Vergrößerung für den nominalen 60-µm-Fokus und eine Detektor-SRb von 150 µm bei 12. Selbst bei einer Vergrößerung von 9 lässt sich eine Auflösung von 30 µm (17 lp/mm) erreichen. Ein CT-Test gemäß ASTM E1695 bei einer Vergrößerung von 5,1 zeigte 10 % MTF bei 14 lp/mm. Aufgrund des Röhrengehäuses der COMET 450 Kompaktversion mit einem klobigen Austrittsfensterrahmen und einer geringen Vergrößerung im ersten Setup haben wir noch Luft nach oben, um eine um 5 µm höhere Auflösung zu zeigen.

Abb. 1: Additiv gefertigtes Kühlelement aus Kupfer

In diesem letzten Blogbeitrag möchte ich einige Ergebnisse eines 3D-gedruckten Bauteils aus Kupfer vorstellen. Auch ohne Experte für diese Fertigungs- und Prüfanwendungen zu sein, sehe ich, wie die Qualitätsprüfung dank höherer Auflösung aussagekräftigere Einblicke liefert.

Das in Abb. 1 dargestellte Bauteil soll als Kühlkörper dienen, bei dem Wasser im flachen sowie im kegelförmigen Bereich zirkuliert. Daher muss es wasserdicht sein – was beim 3D-Druck problematisch sein kann, wenn die Wände zu dünn sind oder beim Druckprozess Fehler aufgetreten sind.

Der maximale Außendurchmesser des Kupferteils beträgt 140 mm, die obere Scheibe hat einen Durchmesser von 100 mm. Gemäß Tabelle 1 der ISO 15708-2 werden bei Verwendung von 450 kV und starker Filterung 90 % der Bremsstrahlung bereits von 20 bis 25 mm massiven Kupfer absorbiert. Zwischen dieser und der doppelten Materialstärke wird die CT mit Flachdetektor problematisch, und sowohl Strahlaufhärtungsartefakte als auch Rauschen beginnen die Bilder zu dominieren.

Hier bilden wir keine Ausnahme, da die Strahlung durch 100 mm Kupfer blockiert wird, wenn die Scheibenebene zum Strahl ausgerichtet ist. Die Nutzung der höchstmöglichen Beschleunigungsspannung von 450 kV der MesoFocus-Röhre erweist sich dabei als großer Vorteil. Da das Bauteil jedoch flach ist, nimmt die Materialstärke rasch ab.

Die Scanparameter für die nachfolgend gezeigten Ergebnisse einer einfachen kontinuierlichen 360°-CT lauten: 450 kV, 1,5 mm Sn-Filter, 100 W, nominaler 100-µm-Großfokus, ein Fokus-Detektor-Abstand von 900 mm und eine Vergrößerung von 3,6. Es wurde nur eine Hälfte der Probe mit 1800 Projektionen bei 0,8 Hz abgebildet.

Zu Vergleichszwecken wurde das Bauteil auch mit einer 450-kV-Minifokus-Röhre gescannt – ebenfalls bei 450 kV, mit 2 mm Sn-Filter und 675 W.

Abb. 2: Soll-Ist-Vergleich

Das Minifokus-Ergebnis mit geringerer Auflösung reicht aus, um einen Soll-Ist-Vergleich oder eine Abweichungsanalyse mit der entsprechenden STL-Datei durchzuführen. Dabei zeigt sich, dass Bereiche nahe dem Ein- und Ausgang extrem weit außerhalb der Toleranz liegen (rosa in Abb. 2). Ein Schnittbild durch das Innere des Bauteils (siehe Abb. 3) verdeutlicht, dass eine Nachbearbeitung des Materials auf das Nennmaß dieses öffnen würde.

Abb. 3: Schnittansicht des Minifokus-CT-Scans

Um die Wasserdichtigkeit sicherzustellen, wurde eine Mindestwandstärke von 1,2 mm empfohlen. Aus der Erfahrung mit mehreren additiv gefertigten Stahlbauteilen weiß ich, dass selbst dünnere Wände fehlerfrei sein können. Bei Kupfer gestaltet sich dies möglicherweise schwieriger. Betrachte ich jedoch den Scan der Minifokus-CT, ist mir nach wie vor unklar, weshalb diese Wandstärke erforderlich ist. Wenn ich mir allerdings Abb. 4 mit dem vergrößerten Ausschnitt auf der linken Seite ansehe, erkenne ich eine gleichmäßige Verteilung von Punkten mit leicht abweichenden Grauwerten. Aufgrund der Auflösung kann ich die tatsächliche Ausdehnung und Tiefe dieser Fehler nicht erkennen. Zumindest weiß ich aber, dass die Minifokus-CT Risse in additiv gefertigten Bauteilen detektieren kann.

Abb. 4: Minifokus-CT-Ergebnis mit vergrößertem Ausschnitt auf der linken Seite

Ganz anders sieht es aus, wenn das Teil mit einer höheren Auflösung gescannt wird, die bei 450 kV nun ebenfalls mit MesoFocus verfügbar ist.

Abb. 5: MesoFocus-CT-Ergebnis mit beschnittener Vergrößerung auf der linken Seite

Die meisten der kleinen Anzeigen sind in allen drei Dimensionen winzig, und eventuell sind die kleinsten Defekte auf nicht aufgeschmolzenes Metall zurückzuführen. Einige davon sind jedoch Kanäle, die sich durch die halbe Wandstärke ziehen (siehe Abb. 6), und könnten daher Schrumpfungsartefakte sein. Höchstwahrscheinlich stellen diese tieferen Kanäle Rissstartpunkte dar, sobald das Bauteil mechanisch beansprucht wird.

Abb. 6: Tiefenschnittansicht des 450-kV-MesoFocus mit Kanälen durch das Material

Wir haben festgestellt, dass die Auflösung inzwischen tiefer geht als die Oberflächenrauheit eines solchen Bauteils. Rauheit lässt sich nicht einfach quantifizieren. Manchmal wird sie durch manuelles Ertasten des Bauteils im Vergleich zu einer Referenzfläche eingestuft. Diese Art der Prüfung ist bei Innenflächen, die in der additiven Fertigung recht häufig vorkommen, unmöglich.

Die Oberflächenbestimmung eines mit MesoFocus gescannten CT-Volumens offenbart nun Mikrospitzen und -rillen, die dadurch entstanden sind, dass der Laser nach einem Hohlraum in das lose Powder geschossen hat, um die erste Schicht aufzubauen. Bei einer CT mit niedriger Auflösung unter Verwendung eines Minifokus (nominaler 400-µm-Fokus) werden diese Details durch die Unschärfe der Abbildungskette geglättet (siehe linke Seite von Abb. 7 für einen 3D-Blick in die Probe und den 1:1-Vergleich).

Abb. 7: Vergleich der beiden unterschiedlichen Auflösungen und deren Einfluss auf die Oberflächenrauheit von Innenflächen (eingebettet: Höhenverteilung eines kleineren Oberflächenbereichs)

Mit der Auflösung des MesoFocus kann die Rauheit nun mit der Voxelauflösung des Volumens abgetastet werden (siehe Inset in Abb. 7). Man kann einen kleineren Bereich untersuchen, und die Standardabweichung der Verteilung (in diesem Fall 54 µm) oder die Kommutierung eines bestimmten Prozentsatzes (90 % in 62 µm) liefert dann ein Maß für die Rauheit.

Hiermit schließe ich die Blogserie ab. In den letzten Wochen wollte ich Ihnen zeigen, was mit dieser großartigen neuen Lösung in der CT schon bald möglich sein wird. Die 450-kV-MesoFocus-Röhre erschließt für geschlossene Röntgenstrahler einen bisher völlig unerreichbaren Bereich sehr hoher Energie bei gleichzeitig sehr hoher Auflösung. Kleinste Details im Inneren und eingeschlossen in Gold wurden sichtbar gemacht, und in der additiven Fertigung lassen sich nun selbst kleinste Defekte in Stahl-, Nickel- und Kupferteilen erkennen, die schnell sicherheitsrelevant werden.

Ich wünsche Ihnen frohe Weihnachten und bleiben Sie gesund.
Wir sehen uns 2022 bei MesoFocus CT.
Daniel Stickler