Software zur Analyse und Visualisierung von Mikrostrukturen in Volumenbildern

Bei der Untersuchung von Materialien werden immer öfter räumliche Bilder ihrer Mikro- und Nanostruktur aufgenommen. Übliche Abbildungsverfahren sind Mikro-Computertomographie auf der Basis von Röntgen- oder Synchrotronstrahlung, konfokale Laserscanning-Mikroskopie oder AFM (Atomic Force Microscopy). Im Gegensatz zu 2D-Bildern von Schnitt- oder Bruchflächen enthalten die entstehenden 3D- oder Volumenbilder die volle Information über die räumliche Mikrostruktur.

Mikrostruktur eines offenzelligen Aluminiumschaums.
© Fraunhofer ITWM

Mikrostruktur eines offenzelligen Aluminiumschaums. Analyse: Rekonstruktion der Zellen

Am Fraunhofer ITWM ist für die Verarbeitung und Analyse von 3D-Bildern das Softwaretool MAVI entwickelt worden. Es ist speziell für die Analyse von Mikro- und Nanostrukturen konzipiert, wie sie z. B. in Beton, Vliesstoff, Keramiken, Schaumstoff und alle Arten von Verbundwerkstoffen (u. a. CFK und GFK) vorkommen. Speziell bei der Entwicklung von neuen Materialien, wie Leichtbaumetallen oder innovativen Verbundwerkstoffen, bietet MAVI eine zerstörungsfreie Charakterisierung des Materials. Hierdurch kann der Herstellungsprozess optimiert und somit kostbare Ressourcen gespart werden. MAVI ist außerdem zur Analyse biologischer und medizinischer Präparate geeignet. Darüber hinaus kann MAVI Strukturmodelle erzeugen – Grundlage für Materialsimulationen und virtuelles Materialdesign. MAVI ist spezialisiert auf die Charakterisierung der Geometrie von komplexen Mikro- und Nanostrukturen: Volumen, Oberfläche, Krümmungsintegrale und die Eulerzahl werden für die vollständige Struktur oder für einzelne Objekte erkannt. Anisotropien und bevorzugte Richtungen werden nicht nur gefunden, sondern auch deren Stärke wird bestimmt. Für spezielle Anwendungen sind einige Analyse-Tools zu benutzerfreundlichen Modulen zusammengefasst worden. Damit ist MAVI bereits nach kurzer Einarbeitungszeit einsetzbar.

Volumenvisualisierung einer μCT-Aufnahme eines glasfaserverstärkten Kunststoffteils (GFK) aus der Automobilindustrie
© Fraunhofer ITWM

Volumenvisualisierung einer μCT-Aufnahme eines glasfaserverstärkten Kunststoffteils (GFK) aus der Automobilindustrie

Faservolumendichte in (100 μm)³-großen Teilbereichen des dargestellten CT-Datensatzes
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Faservolumendichte in (100 μm)³-großen Teilbereichen des dargestellten CT-Datensatzes; es zeigen sich starke lokale Schwankungen der Faservolumendichte VV.

Abweichung der Faserrichtung von der z-Richtung
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Abweichung der Faserrichtung von der z-Richtung; es zeigt sich eine deutliche Verschiebung der lokalen Faserrichtungen in die hier dargestellte xy-Ebene, vor allem im oberen, stark gekrümmten Bauteilbereich

Das Fraunhofer ITWM verfügt über einen eigenen Computertomographen (CT), der zur zerstörungsfreien Untersuchung verschiedenster Materialien geeignet ist. Proben mit einem Durchmesser bis 70 mm und einer Höhe bis 70 mm können mit diesem System bei einer Auflösung von 1-70 µm aufgenommen werden. Zur Charakterisierung unterschiedlicher Materialien wie Schäume, Fasermaterialien, Verbundwerkstoffe, Keramik und Beton bietet das Fraunhofer ITWM Serviceanalysen an. Hierbei werden die Proben mit dem hausinternen CT-Gerät aufgenommen und anschließend mit der MAVI-Software ausgewertet. Als Ergebnis stehen die topografische Aufnahmen, Visualisierungen und ein Bericht zur Verfügung.

Porenbeton (AAC). Bestimmung der Volumen- und Formverteilung der Korundeinschlüsse
© Fraunhofer ITWM

Porenbeton (AAC). Bestimmung der Volumen- und Formverteilung der Korundeinschlüsse (Auflösung 31 μm)