Das Innenleben der Dinge

20 Jahre industrielle Computertomographie an der Empa

(PresseBox) (Dübendorf, ) Die Empa ist aufgrund ihrer langjährigen Erfahrung eines der führenden Institute in der industriellen Computertomographie. Doch nicht nur Bauteile wie Zylinderköpfe und Batterien, sondern auch Fossilien und Nahrungsmittel fanden ihren Weg in die Röntgenröhren ...

Etwa 2007, als die Empa-Experten den versteinerten Schädel eines Ur-Nashorns mit Hilfe der Computertomographie (CT) dreidimensional rekonstruierten. Da die Röntgenröhren der Empa Materialien besonders gut durchdringen, lassen sich auch grössere Fossilienfunde untersuchen. Die CT-Daten halfen dem Präparator des Nashornschädels, zwischen Sediment und Fossil zu unterscheiden. Ausserdem zeigten sie, dass das Tier gerade im Begriff war, seine Milchzähne abzustossen - es sich also um ein Nashornbaby handeln musste.

«Exotische Fälle wie diese sind allerdings selten», erklärt Alexander Flisch aus der Empa Abteilung «Elektronik/Messtechnik/Zuverlässigkeit»: «Neun von zehn Aufträgen kommen aus der Industrie.» Diese ist auf die zerstörungsfreie Prüfung von Bauteilen angewiesen, beispielsweise um allfällige Materialfehler aufzuspüren. Aber auch wenn von Bauteilen keine Baupläne mehr vorhanden sind oder sich nicht in den Händen des Herstellers befinden, hilft eine CT, indem sie die Struktur des Bauteils sichtbar macht. Der Computer erstellt danach ein 3D-Modell, das nachgebaut werden kann.

Warum die Industrie die Empa braucht Erkennbar wird auf einer industriellen CT ebenfalls die Verteilung unterschiedlicher Stoffe in einer Probe.

Beispielsweise Fasern im Beton oder Schadstoffe in Partikelfiltern. Auch die Nahrungsmittelindustrie macht davon Gebrauch. Flisch: «Wir haben ein Stück Toblerone geröntgt, um die Verteilung von Lufteinschlüssen und Nougatstückchen zu bestimmen.» Für Kunden aus der Bauindustrie lässt sich so etwa feststellen, ob Baustoffe optimal zusammengemischt sind.

Industrielle Computertomogramme sind im Gegensatz zu medizinischen deutlich genauer, und gerade das benötigt die Industrie. Das Prinzip funktioniert so, dass der Computer aus Röntgenaufnahmen eines Objekts Schnittbilder erzeugt. Eine medizinische CT dauert nur etwa 90 Sekunden; sie zeigt auf den Querschnitten des Körpers alles, was für die Ärzte wichtig ist. Das Röntgen mit einem industriellen Tomographen kann je nach Aufgabenstellung einige Minuten bis Stunden dauern. Dafür wird dann aber auch eine 25 Mikrometer grosse Fehlstelle an einer millimeterkleinen Lötstelle sofort sichtbar. Die Empa besitzt einen der drei grössten Tomographen Europas. Bis zu zwei Tonnen schwere Bauteile, beispielsweise Motorenteile von Lastwagen, lassen sich damit scannen. Und die hohe Durchdringfähigkeit der Empa-Tomographen erlaubt es, dass auch sehr dichte Materialien geröntgt werden können.

Ausserdem betreibt die Empa CT-Anlagen mit Kegelstrahl-Geometrie für die 3D-Datenerfassung. Diese röntgen nicht nur 2D-Querschnitte der Objekte, sondern nehmen einige hundert Projektionen auf, während sich das Objekt um 360 Grad dreht. Die Projektionen lassen sich anschliessend zu einem dreidimensionalen Volumentomogramm rekonstruieren.

Nichts ist zu schade, um geröntgt zu werden

In einem Anwenderwettbewerb suchte das Team um Alexander Flisch die kreativsten CT-Ideen. Der Wettbewerb fand im Rahmen des Jubiläumsanlasses «Der Blick ins Innere» im November 2011 an der Empa statt. Die interessantesten Fragestellungen gewannen eine Gratis-CT. Darunter waren Fragen nach dem Innenleben eines Trompeten-Automaten, einer archäologischen «Gesteinsknolle», in der eine Pfanne gefunden wurde, - und Käse: Wie viele Löcher befinden sich in einem Schweizer Käse, und wie sind sie verteilt? Auf den geröntgten Querschnitten des Käses ist das klar erkennbar.

Eine CT-Erfolgsstory war auch das «Reverse Engineering» an einem Motorradmotor. Ein Rennmotorenhersteller hatte zwar einen Originalmotor - aber keine Baupläne dazu. Flisch und sein Team machten eine CT des alten Motorradmotors. Mit dem daraus erstellten Computermodell entwickelte der Hersteller den Motor weiter. Danach wurde eine 3D-Giessform aus harzumhülltem Sand schichtweise aufgebaut. Ein Laser härtete die Masse aus, so dass zum Schluss sich der überflüssige Sand einfach abschütteln liess und eine exakte Giessform für den Motor vorlag. Keine schlechte Strategie, wie sich zeigte:

Mit seinen nachgebauten Motoren gewann der Hersteller später mehrere Rennen an Weltmeisterschaften.

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