Im ersten Artikel habe ich eine Verbindung zwischen der Auflösung des menschlichen Auges und der Auflösung in einem CT-Scan hergestellt. Eine schnelle Internetrecherche ergab, dass "die optische Auflösung des Auges bestenfalls etwa 15 lp/mm beträgt". Ich würde 7 lp/mm angeben.

Der 2D-Auflösungstest der Bildgebungskette mit einem ISO 19232-5 (EN 462-5 oder ASTM E2002) Duplex IQI zeigte eine Modulation von mehr als 20 % für D15 (32 µm), was 16 lp/mm entspricht. Bei einer so hohen Vergrößerung hängt sie fast nur von der Größe des Brennflecks ab.

Nach den Gleichungen der ASTM E2698 wäre die optimale Vergrößerung für den nominalen 60µm-Brennfleck und einen Detektor SRb von 150 µm 12. Selbst mit Vergrößerung 9 kann man eine Auflösung von 30 µm (17 lp/mm) erreichen. Ein CT-Test nach ASTM E1695 bei einer Vergrößerung von 5,1 ergab 10% MTF bei 14 lp/mm. Aufgrund des Rohrgehäuses der COMET 450-Kompaktversion mit einem sperrigen Austrittsfensterrahmen und einer etwas unzureichenden Vergrößerung im ersten Aufbau haben wir noch Raum für Verbesserungen, um 5 µm mehr Auflösung zu zeigen.

Abb. 1: Additiv gefertigte Kupferkühlvorrichtung

In diesem letzten Blog möchte ich einige Ergebnisse eines 3D-gedruckten Teils aus Kupfer zeigen. Ohne ein Experte für solche Fertigungs- und Prüfanwendungen zu sein, kann ich sehen, wie die Qualitätsprüfung durch die höhere Auflösung mehr relevante Informationen offenbart.

Bei dem in Abb. 1 gezeigten Teil handelt es sich um eine Kühlvorrichtung, bei der Wasser im Inneren des flachen und des kegelförmigen Teils herumfließt. Daher muss es wasserdicht sein, was beim 3D-Druck schwierig sein kann, wenn die Wände zu dünn sind und beim Druck etwas schief gegangen ist.

Der größte Außendurchmesser des Kupferteils beträgt 140 mm, und die obere Scheibe hat einen Durchmesser von 100 mm. Laut Tabelle 1 der ISO 15708 2 werden bei der Verwendung von 450 kV und viel Filterung 90 % der Bremsstrahlung von nur 20 bis 25 mm massivem Kupfer absorbiert. Zwischen diesem Wert und der doppelten Dicke wird die CT mit einem Flachdetektor problematisch, und Artefakte der Strahlenhärtung sowie Rauschen beginnen die Bilder zu dominieren.

Wir haben hier keine Ausnahme, da die Strahlung durch 100 mm Kupfer blockiert wird, wenn die Scheibenebene auf den Strahl ausgerichtet ist. Die Verwendung der höchstmöglichen Beschleunigungsspannung von 450 kV, die von der MesoFocus-Röhre geliefert wird, erweist sich als ein großer Vorteil. Da sie aber flach ist, nimmt die Materialdicke schnell ab.

Die Scan-Parameter der später gezeigten Ergebnisse einer einfachen kontinuierlichen 360°-CT sind 450 kV, 1,5 mm Sn-Filter und der 100 W, nominal 100 µm große Brennfleck, ein fokaler Detektorabstand von 900 mm und eine Vergrößerung von 3,6. Nur eine Hälfte der Probe wurde mit 1800 Projektionen bei 0,8 Hz abgebildet.

Zum Vergleich wurde das Teil auch mit einer 450kV-Minifokusröhre gescannt, ebenfalls bei 450 kV und 2 mm Sn-Filter, 675 W.

Abb. 2: Soll-Ist-Vergleich

Das Ergebnis des Minifokus mit geringerer Auflösung reicht aus, um einen Soll-Ist-Vergleich oder eine Varianzanalyse mit der entsprechenden stl-Datei durchzuführen. Dort sehen wir, dass Abschnitte in der Nähe des Ein- und Auslasses sehr weit außerhalb der Toleranz liegen (rosa in Abb.2). Ein Querschnitt durch das Innere des Teils (siehe Abb. 3) zeigt, dass eine Nachbearbeitung des Materials auf das Nennmaß dieses öffnen würde.

Abb. 3: Querschnittsansicht des Minifokus-CT-Scans

Für die Wasserdichtigkeit wurde eine Konstruktion mit einer Dicke von mindestens 1,2 mm empfohlen. Von mehreren additiv gefertigten Stahlteilen weiß ich, dass auch dünnere Wände einwandfrei sein können. Bei Kupfer könnte das möglicherweise schwieriger sein. Bei einem Blick auf den Scan mit dem Minifokus-CT verstehe ich allerdings immer noch nicht, warum diese Wandstärke notwendig ist. Wenn ich mir allerdings Abb. 4 mit einem stärker vergrößerten Ausschnitt auf der linken Seite ansehe, kann ich eine gleichmäßige Verteilung von Punkten mit leicht unterschiedlichen Grauwerten erkennen. Aufgrund der Auflösung kann ich das tatsächliche Ausmaß und die Tiefe dieser Fehlstellen nicht erkennen. Immerhin weiß ich, dass die Minifokus-CT Risse in additiv gefertigten Teilen erkennen kann.

Abb. 4: Minifokus-CT-Ergebnis mit einer Ausschnittvergrößerung auf der linken Seite

Ganz anders sieht es aus, wenn das Teil mit einer höheren Auflösung gescannt wird, die jetzt auch bei 450 kV mit MesoFocus möglich ist.

Abb. 5: MesoFocus CT-Ergebnis mit einer Ausschnittvergrößerung auf der linken Seite

Die meisten der kleinen Anzeigen sind in allen drei Dimensionen klein, und vielleicht sind die kleinsten Fehler durch nicht geschmolzenes Metall entstanden. Einige von ihnen sind jedoch Kanäle durch die halbe Wandstärke (siehe Abb. 6) und könnten daher Schrumpfungsartefakte sein. Höchstwahrscheinlich sind die tieferen Kanäle Ausgangspunkte für Risse, wenn das Teil mechanisch belastet wird.

Abb. 6: 450 kV MesoFocus Tiefenquerschnitt mit Kanälen durch das Material

Wir haben festgestellt, dass die Auflösung nun tiefer geht als die Oberflächenrauheit eines solchen Teils. Die Rauheit ist nicht leicht zu quantifizieren. Manchmal wird sie durch eine Fingerprüfung des Teils und einer Referenzfläche kategorisiert. Diese Art der Prüfung ist bei Innenflächen, die bei der additiven Fertigung häufig vorkommen, nicht möglich.

Die Oberflächenbestimmung eines mit MesoFocus gescannten CT-Volumens offenbart nun Mikrospitzen und -rillen, die durch den Laserschuss in loses Pulver zum Aufbau der ersten Schicht nach einer Vertiefung entstanden sind. Bei einer niedrig aufgelösten CT mit einem Minifokus (nominal 400 µm Brennfleck) werden diese Details durch die Unschärfe der Bildkette geglättet (siehe linke Seite von Abb. 7 für einen 3D-Blick in die Probe und 1:1-Vergleich).

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

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

Hiermit schließe ich die Blogserie. In den letzten Wochen wollte ich Ihnen zeigen, was mit dieser tollen neuen Lösung in der CT bald möglich sein wird. Die 450 kV MesoFocus Röhre eröffnet den geschlossenen Röhrenröntgenquellen einen bisher völlig unerreichten Bereich von sehr hoher Energie und gleichzeitig sehr hoher Auflösung. Kleinste Details im Inneren und in Gold eingeschlossen werden sichtbar gemacht, und mit der additiven Fertigung können nun auch kleinste Defekte, die schnell sicherheitsrelevant werden, in Stahl-, Nickel- und Kupferteilen sichtbar gemacht werden.