FAQ - Häufige Fragen zur 3D Computertomographie

1. 3D Computertomographie - Was ist das?
2. Wie funktioniert 3D-Computertomographie?
3. Welche Stoffe können mit 3D Computertomographie untersucht werden?
4. Wie groß dürfen die Objekte für die Computertomographie sein?
5. Wodurch unterscheiden sich medizinische und industrielle Computertomografen?
6. Wie lange dauert eine Komplettvermessung mittels 3D Computertomographie?
7. Was bedeutet Auflösung und wie hoch ist diese?
8. Welche Messgenauigkeit erreicht man mittels 3D Computertomographie?
9. Was ist das Ergebnis? Welche Daten liefert 3D Computertomographie?
10. Wie kann ich mir die Ergebnisse der 3D Computertomographie anschauen?
11. Welche Informationen kann ich gewinnen?

zu 1: Industrielle Computertomographie - Was ist das?

Bei der 3D Computertomographie wird aus einer Vielzahl von Röntgenaufnahmen mittels eines Computers der Volumenaufbau eines Objektes schichtweise rekonstruiert.

zu 2: Wie funktioniert 3D Computertomographie?

Bei der industriellen 3D Computertomographie wird ein Objekt zwischen einer Röntgenquelle und einem Detektor auf einer Achse drehbar gelagert angebracht. Die Röntgenquelle sendet ein kugelförmiges Strahlenbündel aus. Ein Flachbild-Detektor empfängt den Anteil der Strahlung der auf ihm ankommt. Durch Absorbtion im Material ergeben sich so die typischen Röntgenbilder. Das Objekt wird je nach gewünschter Auflösung und Genauigkeit in mehreren hundert Winkeln gedreht geröntgt. Anhand der Rotationsröntgenbilder wird zunächst ein Volumen- (Voxel-) Modell errechnet. Hierfür sind spezielle Bildverarbeitungs- und Auswertungsprogramme notwenig, die am Computer berechnet werden. Damit liefert die 3D Computertomographie ein vollständiges Volumenmodell der untersuchten Körper. Dieses wird als Voxel (Volumenpixel) Modell aufgebaut und aus kleinen Würfeln erzeugt.

zu 3: Welche Materialarten sind zur Computertomographie geeignet?

Grundlage der 3D Computertomographie ist die Bildverarbeitung von Röntgenbildern. Die auf dem Detektor ankommenden Bilder müssen also bezüglich Ihrer Qualität auswertbar sein. Dafür muss der Probekörper Röntgenlicht hindurchlassen, um unterscheidbare Graustufen für unterschiedliche Materialarten und -dicken zu erhalten.

Die Röntgenabsobtion ist abhängig von der Dichte und Dicke der durchleuchteten Materialien, sowie der Intensitätsverteilung der einfallenden Röntgenstrahlung. Dem erfahrenen Anwender der Computertomographie stehen diverse Filter und Röntgenspannungen sowie Strahlintensitäten zur Verfügung um optimale Abbildungsbedingungen zu erreichen. Allgemein gilt aber bei gleicher Spannung und Intensität: Je höher die Materialiendichte, umso kleiner ist die noch tomografierbare Materialdicke.

Praktisch bedeutet das:

  • bei vielen Kunststoffarten und Leichtmetallen sowie Naturstoffen gibt es keine Probleme hochqualitative 3D Computertomographien zu berechnen.
  • bei schweren Metallen und anderen höherdichten Stoffen genügen die üblichen Röhrenspannungen um Teile kleinerer Abmessungen zu untersuchen

Ob Ihr konkretes Teil untersucht werden kann, fragen Sie gegebenenfalls bitte gesondert an. Wir sind immer bereit, dieses experimentell herauszufinden.

zu 4: Wie groß dürfen Objekte für die Computertomographie sein?

Grundsätzlich können sehr viele Objekte mit Röntgenstrahlung durchleuchtet und per Computertomographie erfasst werden. Bei Bedarf wählt man eine höhere Röhrenspannung, ggf. einen Linearbeschleuniger und kann somit auch dickere Proben oder Proben höherer Materialdichte durchleuchten.
Das Problem dabei ist aber:
Übersteigt die Röhrenspannung technisch bedingt Grenzwerte, so vergrößert sich der Durchmesser des Brennfeldes und die Auflösung und Genauigkeit der Röntgenbilder sinkt.

Bei uns wird 3D Computertomographie vorrangig für hochgenaue Messungen und Analysen eingesetzt. Aus heutiger Sicht sind für uns relevante Genauigkeiten im Bereich von 0,01mm oder darunter messbar. Die Verwendung von Röhrenspannungen bis 225 keV ist durchaus erreichbar. Diese Spannungen bestimmen das Volumen, das ausgemessen werden kann.

Wir untersuchen zerstörungsfrei Proben, die in einen Zylinder von 300 mm Durchmesser und 500 mm Höhe passen. In der Regel ist die Untersuchung beliebiger Kunststoffe in diesem Messraum mit höchster Genauigkeit möglich. Die maximale Durchstrahlungslänge von Aluminium ist abhängig von der Legierung und liegt bei unseren Röhren etwas unter 300 mm. Aber auch Strahlteile können bis zu einer Durchstrahlungslänge von ca. 10mm (Legierungsabhängig) untersucht werden. Größere Teile können wir entweder zerlegt tomografieren oder auf anderem Wege erfassen.

zu 5: Wodurch unterscheiden sich medizinische und industrielle Computertomografen?

Die Systeme für medizinische und industrielle Computertomografen liegen denselben physikalischen und mathematischen Prinzipien zu Grunde. Dennoch unterscheiden sie sich sehr stark. Grundsätzlich wird bei medizinischen Systemen mit minimaler Strahlendosis und sehr kurzen Belichtungszeiten gearbeitet. Ziel ist dort der Patientenschutz. Der wesentliche Unterschied ist: Bei der industriellen Computertomographie wird ein Vollschutzgerät verwendet. Die Strahlendosis auf dem Probenkörper spielt keine Rolle. So können durch höhere Röhrenspannungen und längere Belichtungszeiten auch dichtere und kompliziertere Bauteile hochgenau erfasst werden.

zu 6: Wie lange dauert eine Komplettvermessung mittels 3D Computertomographie?

Die Gesamtzeit der Messung gliedert sich in folgende Schritte:
1. Probenpräperation und Einstellung der Temperatur
2. Belichtungszeit der Einzelaufnahmen
3. Anzahl der Drehpositionen bzw. Aufnahmen

Der erste Schritt ist abhängig von der Problemstellung und kann bei schwierigen Teilen schon mal einige Probemessungen erfordern. Schritt 2 und 3 benötigen je nach Material, Teilgröße und Detailreichtum bzw. dem Verhältnis der kleinsten zur größten Durchstrahlungslänge zwischen 10 min und 2 h pro Teil. Damit verliert die Messzeit gegenüber anderen Vorgehensweisen an Bedeutung und die bestimmende Größe wird die Auswertung.

zu 7: Was ist die Auflösung und wie hoch ist diese bei der 3D Computertomographie?

Als Auflösung wollen wir hier die Größe des kleinsten messbaren Volumenelementes (Voxel) bezeichnen. Zunächst sind die Abbildungsbedingungen zu optimieren: optimale Teilposition im Strahlungsgang minimale Brennflechgröße etc. Danach bestimmt die Anzahl und Größe der Bildpunkte auf dem Detektor wesentlich die Auflösung des Gesamtsystems. Bei uns werden Detektoren mit 2000x2000 Bildpunkten verwendet. Die Größe des kleinsten, auflösbaren Volumenelementes erhält man, wenn man den Durchmesser vom kleinsten umhüllenden Zylinder durch 2000 teilt. Die Auflösung ist demzufolge für kleine Teile wesentlich höher, als für Teile mit größeren Abmessungen

zu 8: Welche Genauigkeit erreicht man mittels 3D Computertomographie?

Nach den physikalischen Abbildungsbedingungen ist die Bildverarbeitung der Röntgenbilder die Grundlage der Computertomographie. Eine hohe Genauigkeit ist daher erreichbar bei eindeutigen Materialübergängen, z.B. zwischen Luft und Metall. Die erreichbare Messgenauigkeit bei klaren Materialübergängen liegt bei ca. 1/20000. Nicht ganz so klar lassen sich Angaben zu Stoffgemischen machen. Fasern in Faserverstärkten Kunststoffen, Klebefugen zwischen Stoffen usw. sind selbst im Massstab höchster Auflösung oft immer noch diffus. Bei solchen oder unbekannten Stoffen kann demnach keine klare Aussage zur erreichbaren Genauigkeit gemacht werden. Eine sichere Grundlage erhalten Sie bei 3dpadelt.de durch Probemessungen an Beispielobjekten und einen anschließenden Vergleich mit Messungen, die mit anderen Verfahren ermittelt wurden (kalibrieren).

zu 9: Was ist das Ergebnis? Welche Daten liefert die Computertomographie?

Das erste Ergebnis der Computertomographie ist eine Winkelabfolge von Rötgenbildern. Die Röntgenbilder werden mittels Bildverarbeitung in je einen Bilderstapel in x, y, und z-Richtung umgerechnet. Diese Bildstapel beschreiben jeweils im Raster der Auflösung Schnittbilder vom untersuchten Objekt. Die Röntgenbilder können in allen üblichen Bildformaten (bmp, jpg etc. ausgegeben werden). Aus diesen Schnittbildern wird ein Volumenelemente Modell (Voxel-Modell) errechnet.

Das Voxelmodell gibt in der Computertomographie in einem Raster von x,y,z Werten zu jedem beschriebenen Punkt einen Dichtewert an. Eine näherungsweise mathematische Beschreibung des vom Objektmaterial eingenommenen Volumens erhält man daraus z.B. durch kleine Würfel, deren Mittelpunkte die x,y,z-Werte sind, deren Kantenlänge der Würfel ist die Auflösung ist und deren Grauwert durch die Dichte bestimmt ist.

Mit dem Voxelmodell ist es nun möglich Materialübergänge als Oberflächen zu berechnen. Solche Materialübergänge treten als Übergänge zwischen Voxeln unterschiedlicher Dichte auf. Diese Oberflächen werden üblicherweise als Deiecksnetze ausgegeben. Ausgabeformate hierfür sind z.B. STL, 3ds, obj, vrml usw. Aus den Oberflächen können Punktewolken abgeleitet werden. Aufgrund ihres geringeren Aussagewertes finden diese Punktewolken in der Auswertung aber kaum mehr Verwendung. Ausgabeformate hierfür sind z.B. asc, txt, xls, etc.

10. Wie kann ich mir die Ergebnisse der 3D Computertomographie anschauen?

Die Bilderstapel können mit üblichen Mediaplayern im PC betrachtet werden. Auch aus den Voxelmodellen können entsprechende Animationen abgeleitet werden, welche danach als Fim z.B. als avi betrachtet werden können. Zum Betrachten der Voxelmodelle werden spezielle 3D Viewer benötigt. Diese werden bei konkretem Bedarf von 3dpadelt.de zur Verfügung gestellt. Am häufigsten werden Oberflächenbeschreibungen verwendet. Hierfür stehen eine Reihe von kostenlosen 3d Viewern zur Verfügung.

zu 11: Welche Informationen kann ich aus einer 3D Computertomographie gewinnen?

Die Ergebnisse der 3D Computertomographie finden überwiegend Anwendung in den beiden Bereichen Qualitätssicherung und reverse-engineering. Der Vorteil der vollständigen maßlichen Erfassung sämtlicher Oberflächenelemente eines Prüfkörpers durch dieses Verfahren für beide Anwendungen liegt auf der Hand. Für die Nachkonstruktion eines Körpers liegen alle notwendigen Maße vor und in der Qualitätssicherung wird für das komplette Objekt eine hochaufgelöste farbkodierte Abweichungsdarstellung gleich mit einem kostenlosen 3D Messviewer geliefert. Schon damit erhalten Kontrollmessungen eine völlig neue Qualität, weil für jeden Objektpunkt die Maßhaltigkeit unmittelbar überprüft werden kann.
Zusätzlichen Aussagewert hat die Computertomographie für die Analyse von Lunkern, Fehlern und Rissen, die zerstörungsfrei für das komplette Objekt erfasst werden. In faserverstärkten Kunststoffen ist auch die tatsächlich vorliegende Faserverteilung und -richtung ein ganz wesentliches Optimierungsproblem in der Fertigung. Auch hier liefert die Computertomographie wertvolle Informationen.