Porositäten in Gold und die Unruhfeder

Heute konzentrieren wir uns auf den Brennfleck und bringen hohe Auflösung in die Details.

Eine hohe Auflösung in der Computertomografie (CT) wird durch einen sehr kleinen Brennfleck, eine höhere Vergrößerung und ein gut ausgerichtetes System mit einer sehr genauen Rotationsachse erreicht. Aber dann stellt sich wieder die Frage nach der richtigen kV-Klasse für das Objekt und das Material, aus dem es besteht.

Auch ohne die höchste Auflösung zu verlangen, stellen Schwermetalle eine große Herausforderung für die CT dar. Im Extremfall absorbieren Schwermetalle wie Wolfram oder Gold 225kV-Strahlung schnell. Bei Verwendung von 2 mm Cu als Strahlenhärtungsfilter reicht bereits ein halber Millimeter Wolfram oder Gold aus, damit 90 % der Strahlung hauptsächlich absorbiert und gestreut werden. Bei 450 kV und 3 mm Sn-Filter ändert sich die 90%-Absorptionsdicke dramatisch um den Faktor 7 auf 3,5 mm. 3d-Metalle wie Eisen, Kupfer und Nickel sind zwar etwas einfacher zu handhaben, aber aufgrund des Objektdurchmessers wird es auch hier schnell schwierig. Daher bietet der 450 kV MesoFocus die perfekte flexible Lösung für sehr anspruchsvolle Schwermetalle.

Detailerkennbarkeit

Die Fähigkeit, Details zu erkennen, wird oft mit geraden Linien in einem 2D-Bild oder mit Wänden in 3D demonstriert. Solche Details können weit unterhalb der räumlichen Auflösung erkannt werden, da diese Details nur langsam mit der Unschärfe der senkrechten Richtung zu ihrer Orientierung verschwinden.

Bei Porositäten geht die Detailerkennbarkeit in der CT nahe der Auflösung verloren, da die Unschärfe der drei Dimensionen dazu führt, dass der Kontrast einer Pore schnell und noch schneller in einem verrauschten Bild verschwindet. Dann erscheinen Details, die scharf aussehen sollten, wie homogenes Material. Das kann man besonders gut sehen, wenn man die Auflösung durch die Brennfleckgröße verändert.

Nach ASTM E2698 und auch nach einfachen Berechnungen erlaubt ein kleinerer Brennfleck eine höhere Vergrößerung. Die Erfahrung zeigt, dass man immer etwas mehr vergrößern kann, als die Formeln empfehlen, aber das liegt normalerweise daran, dass die Brennflecke oder ihre Profile oft schärfer sind als angegeben.

In der Regel kann die Vergrößerung zu niedrig sein, so dass sie in Richtung der Detektorauflösung geht. Sie kann optimal sein, um die maximal mögliche Auflösung zu erreichen, oder sie kann zu hoch sein. Ist sie zu hoch, kommt es zu einer unerwünschten Verschlechterung der Schärfe und der Auflösung.

Daher begrenzt die optimale Vergrößerung auch die Iso-Voxelgröße in der Computertomografie (CT). Das zeigt wiederum die Begrenzung von Minifokus-Systemen, da dort die Voxel oft größer sind als die Indikationen, die auftreten können.

Porositäten in Gold

Die Armbanduhr zeigt ein schönes Beispiel, wenn man sich die Lötverbindung (Bandanstöße) von der Uhr zum Armband ansieht. Aus irgendeinem Grund treten in den Laschen viele Porositäten auf.

Ausgehend von dem nominellen Brennfleck von 350 µm wird eine Vergrößerung von etwa 2 empfohlen.

Nach den Nennwerten sollte die Auflösung etwa der einer Minifokus-CT entsprechen. Ein direkter Vergleich zeigt aber, dass selbst der 450µm-Brennfleck des MesoFocus schärfere Ergebnisse erzielt als der 700W-400µm-Brennfleck des HP11.

Abbildung 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem zu untersuchenden Bereich. Die Orientierung des Querschnitts ist parallel zum Zifferblatt. Er zeigt neben den Bandanstößen auch einen Teil des Armbands. Um den Einfluss der Voxelgröße zu demonstrieren, habe ich den Interpolationsmodus der Querschnittsansicht ausgeschaltet.

Abb. 1: CT mit 350 µm Brennfleck des 450 kV MesoFocus

Mit dieser Auflösung von rund 110 µm oder 4,5 lp/mm und einer Voxelgröße von 75 µm zeigt das Bild einige Porositäten.

Das Bild wird etwas detaillierter, wenn man zum 250µm-Brennfleck wechselt. Der Wechsel zu 250 µm erhöht die Vergrößerung von 2 auf 2,5 und verringert die Voxelgröße von 75 µm auf 56 µm. Die nicht interpolierte Querschnittsansicht wird feiner, und die erwartete räumliche Auflösung steigt von 103 µm auf 85 µm (6 lp/mm). Hier erreichen wir die Auflösungsanforderungen der ASTM E2002 D10 für Luft- und Raumfahrtanwendungen. Im Lötbereich sind nun größere Poren mit höherem Kontrast zu sehen und kleinere Poren werden sichtbar. Aber auch beim Armbandmechanismus ist die Feder nun besser getrennt zu sehen, und statt grau in grau in Abbildung 1 ist der bewegliche Bolzen, der den Laschenstift hält, zu erkennen.

Abb. 2: CT mit 250 µm Brennfleck des 450 kV MesoFocus

Deutlich mehr Auflösung und Vergrößerung kann mit dem kleinsten, nominell 60 µm großen Brennfleck erreicht werden. 5,7-fache Vergrößerung und 25 µm Voxelgröße sind so fein, dass die nicht interpolierte Schnittdarstellung nicht mehr von der üblichen interpolierten Darstellung zu unterscheiden ist.

Hier kommen Details zum Vorschein, die in den beiden anderen CT-Scans nicht einmal erahnt werden konnten. Viele kleine Poren befinden sich zwischen und um größere Poren.

Abb. 3: CT mit 60 µm Brennfleck des 450 kV MesoFocus

Zusätzlich habe ich einen Einzelvergleich des 60µm-Brennfleck-Scans mit dem zuvor gezeigten Minifokus-CT des ersten Teils vorgenommen. Hier ist der Querschnitt auf die Lötebene ausgerichtet.

Abb. 4: Vergleich 400µm-450kV-Minifokus (links) zu 60µm-450kV-MesoFocus (rechts)

Die Unruh

„Dünner als ein menschliches Haar, aber mit viel Kraft. “

Dies ist die Beschreibung der feinen Nivarox-Feder ("nicht veränderlich, nicht oxidierend"), die für den Takt der Uhr verantwortlich ist.

Die Feder war ein weiteres schönes Beispiel für die Erhöhung der Auflösung und dafür, wie Details erscheinen, wenn ihre Größe unterhalb der räumlichen Auflösung liegt.

Nebeneinander zeigen die 350µm- und 250µm-CT-Scans einen Anstieg der Schärfe, aber keine wirkliche Verbesserung bei der Auflösung der Feder in der Mitte der Unruh.

Abb. 5: Montage 250µm- (linke Hälfte) und 350µm- (rechte Hälfte) Brennfleck von 450 kV MesoFocus

Das ändert sich sichtbar mit dem kleinsten 60µm-Brennfleck. Die gut gewundene Spiralfeder ist nun deutlich zu erkennen, ebenso wie die Lücken, in denen sie eingespannt ist. Eine zusätzliche Montage der Querschnittsansicht des CT-Volumens mit einem Mikrofokus-2D-Bild zeigt, dass die Nivarox-Feder noch dünner ist, als sie in der Rekonstruktion erscheint. Daher kann man davon ausgehen, dass die Federdicke unterhalb der räumlichen Auflösung liegt.

Abb. 6: CT mit 60µm-Brennfleck des 450 kV MesoFocus

Abb. 7: Montage 60µm-Brennfleck-CT des 450 kV MesoFocus mit µ-Fokus 2D-Einsatz

Eine ähnliche Steigerung der Erkennbarkeit ist bei sehr feinen Rissen zu erwarten, die jedoch in der Regel viel tiefer als breit sind.

Im nächsten Blogbeitrag wollen wir uns eine mittelgroße additiv gefertigte Kupferprobe ansehen.