Laboratorium für Computertomographie: Kleinste Materialstrukturen erfassen

Moderne Messtechnik ermöglicht tiefe Einblicke. So bereichert seit Kurzem ein Computertomograph (CT) die Untersuchung verschiedenster Materialien – von Mikropartikeln bis zu 3D-gedruckten Bauteilen – im Fachbereich für Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der TU Kaiserslautern. Mit dem Multisensorik-Koordinatenmessgerät lassen sich Probekörper nicht nur zerstörungsfrei durchleuchten, sondern auch hochgenau dreidimensional vermessen.

Der 12 Tonnen schwere TomoScope L der Firma Werth Messtechnik GmbH steht in einem klimatisierten Laborraum. „Gemeinsam mit den Professoren Tilmann Beck, Jörg Seewig und Eberhard Kerscher ist es gelungen, die Mittel für das circa 1 Million Euro teure Messgerät einzuwerben“, berichtet Dr.-Ing. Kai Nikolaus, Mitarbeiter von Prof. Sergiy Antonyuk am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik. Das Forschungsgroßgerät wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Es soll die Entwicklung, Analyse und Optimierung von Produkten aus neuen verfahrenstechnischen Prozessen der Chemie, Pharmazie und Lebensmitteltechnik unterstützen und interdisziplinär eingesetzt werden, ergänzt der Ingenieur.

In der industriellen Fertigung werden CT-Koordinatenmessgeräte zur Bauteilkontrolle genutzt. Dabei wird die Bauteiloberfläche durch tausende Messpunkte erfasst, um Abweichungen zum CAD-Modell zu prüfen. Für die Wissenschaftler der TUK stehen vor allem die inneren Materialstrukturen im Fokus. „Das CT-Gerät verfügt über ein Dualröntgenröhrensystem und erreicht dadurch eine große Flexibilität“, erläutert Nikolaus. Die erste Röntgenröhre leistet bis zu 240 kV Beschleunigungsspannung und kann dichte Materialien durchdringen – etwa 50 mm dicken Stahl. Die zweite Röntgenröhre verfügt über einen sehr kleinen Brennfleck und ermöglicht mit dem hochauflösenden 4K-Flächendetektor eine maximale Auflösung von 500 Nanometern. „Mit dem CT können wir Strukturen ab 1 Mikrometer sehen“, betont der Ingenieur. Über einen integrierten Weißlicht-Distanzsensor lassen sich parallel zum CT-Scan auch die Oberflächen von Bauteilen abtasten, um zum Beispiel Rauigkeiten zu erfassen. Zudem ist der TomoScope L so ausgestattet, dass darin kleinere Versuchsanlagen betrieben und quasidynamische In-situ-Aufnahmen erfolgen können.

So erlaubt beispielsweise eine im Messraum platzierte Zug-Druck-Messzelle, die Haftwirkung von Bindemitteln und Rissausbreitung in Agglomeraten unter fortschreitender mechanischer Belastung sichtbar zu machen. Derzeit nutzen die Forscher das CT-System, um Leckagespalte beim Tragen von FFP2-Masken zu untersuchen, Formen von zerkleinerten Mikropartikeln zu vermessen und Poren in 3D-Druck-Bauteilen zu bewerten.

Auch für externe Partner steht das Laboratorium für Computertomographie künftig offen. „Wir nehmen gerne Aufträge aus der Industrie entgegen“, sagt Nikolaus.