Röntgen in Raum und Zeit mit 4D-Computertomographie

Im industriellen Umfeld werden zur Prüfung von Produkten seit vielen Jahren dreidimensionale Röntgencomputertomographiesysteme (3D-CT) eingesetzt. Immer häufiger werden sie bei der Messung dimensionaler Strukturen, im Reverse Engineering, der Vollständigkeitsprüfung sowie in der zerstörungsfreien Materialprüfung angewendet. Die 3D-Röntgencomputertomographie erlaubt es, komplexe Objekte vollständig, berührungslos und zerstörungsfrei einschließlich aller äußeren und inneren Strukturen zu erfassen. Der erzeugte Datensatz ist ein statisches 3D-Abbild eines realen, gemessenen Objekts.

Flüssigkeitsverteilung im Granulat einer Chromatographiesäule
© Fraunhofer EZRT

Rotierende Gantry-Variante zur Untersuchung von Flüssigkeitsverteilung im Granulat einer Chromatographiesäule (FAU Erlangen-Nürnberg, Department Chemie- und Bioingenieurwesen)

Am Fraunhofer EZRT wurden nun Verfahren entwickelt, um den statischen 3D-CT Datensatz um Informationen über Zeit und Bewegung zu erweitern. Mit dieser sog. „4D-Computertomographie“ ist es nunmehr möglich, dynamische Prozesse im Inneren von Objekten zu visualisieren und analysieren.

Dies geschieht mittels mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Volumendatensätze, der sogenannten „Volumenfolge“. Die zeitliche Auflösung dieser 3D-Prozesse ist dabei bislang ein begrenzender Faktor. Den Wissenschaftlern des Fraunhofer EZRT ist es nun gelungen, die Abtastgeschwindigkeit auf 1 Hz (eine Abtastung pro Sekunde) zu steigern. Hierzu entwickelt das Fraunhofer EZRT verschiedene Aufnahme- und Rekonstruktionsverfahren für Vorgänge, die sich über die Zeit verändern. Die durch diese Verfahren gewonnenen Rekonstruktionsdaten ermöglichen eine 4D-Analyse des räumlich-zeitlichen Verhaltens und der Wechselwirkung von Komponenten unter extremen äußeren Einflüssen, beispielsweise während Belastungstests, die in der Qualitätskontrolle durchgeführt werden.

Hierzu gibt es unterschiedliche Aufnahmekonzepte: Zum einen das klassische CT-Abtast-Verfahren, bei dem das Objekt während der Aufnahme um 360 Grad gedreht wird. Zum anderen manipulationsfreie Verfahren wie die Tomosynthese zur schichtweisen Darstellung flacher Objekte oder eine Gantry-Variante, bei der das bildgebende System um das Objekt rotiert. Bei diesem Aufnahmeverfahren erfolgt keine Beeinflussung der Prozesse durch die CT, so dass eine Betrachtung bewegungsempfindlicher Prozesse in-situ möglich ist.

Anwendungsgebiete für die »4D-Computertomographie« sind Untersuchungen der zeitlichen Auswirkung von Zug- und Druckversuchen, Temperaturverläufen oder des Einwirkens von Chemikalien auf die inneren Strukturen der untersuchten Objekte sowie daraus resultierende Prozess- und Qualitätsanalysen. So können die Bewegungen eines Verbrennungsmotorkolbens und der Wälzkörper im Kugellager erstmalig vollumfänglich dargestellt und analysiert werden. Weitere Anwendungsbeispiele sind Materialtransportprozesse in chemischen Reaktorgefäßen bei Temperaturen über 2000 Grad Celsius und Entstehungs- und Zerfallsprozesse von Schäumen (z. B. Proteinschäume in der Lebensmittelforschung). Diese bisher im Verborgenen liegenden Abläufe sowie deren Auswirkungen auf einzelne Produktkomponenten liefern Informationen, die dabei helfen, Produktionsprozesse zu optimieren und Produkte zu verbessern.