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3D-Volumenkonstruktion

mit wenigen Projektionen zur schnellen zerstörungsfreien Serienqualitätsprüfung

Prof. Dr.-Ing. Claudius Schnörr
Fakultät für Informatik und Mathematik


Auf dem Gebiet der "Zerstörungsfreien Prüftechnik (ZfP)" spielt neben anderen Verfahren besonders auch die Röntgenuntersuchung von Bauteilen und industriellen Körpern eine große Rolle.


Dazu kommt heute meist die klassische planare Computertomographie zum Einsatz, mit der sehr schnell sehr viele Bauteile untersucht werden können. Diese liefert allerdings lediglich ein Projektionsbild des durchleuchteten Körpers, in dem ein Fehler detektiert werden kann. Dieser Fehler kann aber meist nicht im Volumen näher lokalisiert oder dessen 3D-Ausdehnung quantitativ genau vermessen werden. Eine zielgerichtete Nachbearbeitung korrigierbarer Fehler z.B. an der Oberfläche ist nicht möglich. Und Fehler in einem großen Volumen können auch gänzlich unerkannt bleiben.


Daher gewinnt zunehmend die vollständige 3D-Rekonstruktion von Volumenkörpern an Bedeutung. Hierfür werden Varianten der Radon-Transformation als Rekonstruktionsverfahren eingesetzt, z.B. die gefilterte Rückprojektion. Diese Verfahren benötigen aber je nach erforderlicher Genauigkeit zwischen etwa 250-800 Projektionen für eine Rekonstruktion. Neben den zu verarbeitenden umfangreichen Datenvolumina begrenzt insbesondere die erforderliche Messdauer für die Projektionen den Einsatz dieser Ver-fahren für Inline-Serienauswertungen. So liegt die erreichbare Zeit zur Messung und 3D-Rekonstruktion eines Gußteils im Bereich zwischen 5-20 Minuten. 3D-Serienauswertungen sind so nicht möglich.


Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein völlig anderes 3D-Rekonstruktionsverfahren anzusetzen, welches unter bestimmten Voraussetzungen an die Materialzusammensetzung der zu untersuchenden Körper mit nur wenigen Projektionen (6-18) auskommt und so erst eine schnelle 3D-Rekonstruktion von Volumenkörpern für Serienuntersuchungen ermöglicht. Damit würden 3D-Untersuchungen mit Taktraten erreichbar, welche bisher nur mit qualitativ eingeschränkten 2D-Untersuchungen möglich sind. Für die Akzeptanz einer Integration des 3D-Verfahrens in bestehende Produktionsprozesse ist dies wesentlich.


Die geforderten Materialzusammensetzungen sind bei sehr vielen industriellen Werkstücken gegeben. Manche bestehen nur aus einem Material, z.B. ein Alu-Gußteil. Neu am verfolgten Ansatz ist nun, dass auch mehrere (bis zu etwa 5) Materialien behandelt werden können. Dies würde das Spektrum möglicher Anwendungen nochmals erheblich erweitern.


Dazu ist zu untersuchen, wie im Verfahren bekannte Störeffekte bei Röntgenaufnahmen wie z.B. die Strahlaufhärtung und die Streustrahlung robust behandelt werden können. Auch hat man es nicht mit monochromatischer Strahlung zu tun, sodass auch das spezifische Spektrum der Röntgenquelle sowie die Kennlinie des Röntgensensors geeignet zu berücksichtigen sind. Desweiteren muss untersucht werden, welche Materialien (Alu, Titan, Kunststoffe, Keramiken) mit dem Verfahren abgedeckt werden können. Zu klären ist auch, ob die erreichbare Genauigkeit der Sensorkonfiguration bestehend aus Röntgenquelle, Objekt und Detektor ausreichend ist oder Verfahren zur hochgenauen Kalibrierung untersucht und ein-gekoppelt werden müssen. Ebenso ist die Frage einer optimalen Sensorkonfiguration offen, wenn die Kenntnis der groben Geometrie der zu untersuchenden Körper vorliegt.


Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Beschleunigung aller mathematischen Berechnungen durch Vorkonditionierung numerischer Verfahren einerseits und geeigneten Problemzerlegungen, welche das Verfahren einer Parallelisierung durch Hardware zugänglich machen, andererseits. Hinzu kommen Untersuchungen der Effizienz paralleler Implementierungen durch prototypische Entwicklungen auf verschiedenen Hardwarestrukturen, um neben der Messung auch die Berechnungen hinreichend zu beschleunigen.


Letztlich soll der neue Verfahrensansatz bzgl. seines Anwendungsspektrums weiter erforscht und für den allgemeinen Einsatz unter Industriebedingungen erweitert, abgesichert und robust realisiert werden.


Das Forschungsprojekt wurde vom 01.05.2012 bis 31.12.2015 durch das Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst gefördert.