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Ziel des Vorhabens ist die hochgenaue und vollständige Erfassung innerer und äußerer Geometrien von Mikrobauteilen mittels Mikro-Computertomographie (µCT). Industriell wichtige Mikrobauteile sind z.B. Einspritzsysteme, Festplattenkomponenten oder Instrumente für die minimal-invasive Chirurgie. Typische Bauteilgrößen liegen hier im Bereich 0,1 mm - 100mm; typische zu messende Strukturen haben Größen von 0,5 µm - 500 µm. Mit klassischen Methoden der Messtechnik ist eine schnelle und hochgenaue Erfassung der gesamten Oberfläche von Mikrobauteilen bisher kaum möglich. Innenstrukturen von Mikrobauteilen können mit keiner optischen oder taktilen Messtechnik zerstörungsfrei gemessen werden. Diese Einschränkungen sollen mittels hochgenauer µCT überwunden werden. Hierzu soll der Messprozess simuliert werden, um die Anwendung von Korrekturverfahren zur Genauigkeitssteigerung zu ermöglichen. CT-Messungen an kalibrierten Mikroprüfkörpern sollen die Korrekturverfahren verifizieren. Für die Kalibrierung der Prüfkörper sollen Multisensor-Verfahren entwickelt und getestet werden. Diese sollen es erlauben, Prüfkörper gleichzeitig hochgenau und mit großer Messpunktdichte zu kalibrieren. Es ist geplant, die an Prüfkörpern erreichten Messunsicherheiten und Auflösungen zum Projektabschluss an realen, industriellen Mikrobauteilen (z.B. Mikrozahnrädern) messtechnisch nachzuweisen.
Die radiografische Bildqualität in ihrer klassischen Definition hängt von Kontrast, Rauschen und Unschärfe ab. Diese Parameter werden normalerweise mit Bildgüteprüfkörpern (BPK) bestimmt. Die Streustrahlung reduziert im Allgemeinen immer die Bildqualität in der Radiografie. Verschiedene Einflussgrößen werden unter Berücksichtigung von Techniken, wie Film-Radiografie, Computer-Radiografie mit Speicherfolien und digitale Radiographie mit Matrixdetektoren, analysiert. In Lehrbüchern und Standards werden das Streuverhältnis k und verschiedene Kontraste definiert. Für digitale Medien werden zusätzliche Parameter wie das Signal-Rausch-Verhältnis SNR und das Kontrast-Rausch-Verhältnis CNR eingeführt. In diesem Zusammenhang wird der Einfluss der Streustrahlung aus dem Messobjekt und dem Detektor bestehend aus Kassette bzw. Gehäuse und sensitiver Detektorschicht auf die Bildqualität ermittelt. Die numerische Modellierung wird eingesetzt, um die Streustrahlung und die Primärstrahlung aus dem Objekt separat zu bestimmen. Die Streustrahlung aus dem Objekt und Detektor erzeugen eine Abbildung des Objektes, die dem Primärstrahlungsbild überlagert ist, wobei das Streubild eine höhere Unschärfe aufweist. Dieser Effekt hängt von der Fehlergröße, dem Abstand zwischen Detektor und Objekt und der Zwischenfilterung ab.
Analytische Modellierung für die Radiologie mit ARTIST - analytical RT inspection simulation tool
(2007)
Die Mikro- und Nanotechnologie gehört zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts mit hohen Wachstumsprognosen, wie auch die im Auftrag des BMBF durchgeführte Studie “Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt” von 2004 ausführlich darstellt. Aus diesem Trend resultiert ein steigender Bedarf an Messsystemen, die Nanostrukturen prozessnah bzw. im Fertigungsprozess charakterisieren können. Virtuelle Messgeräte liefern Erkenntnisse zur Entwicklung neuartiger Messsysteme, Analyse und Optimierung bestehender Verfahren sowie die Bestimmung der Messunsicherheit und modellbasierten Korrektur systematischer Fehler. Der virtuelle Messprozess umfasst neben dem Messmittel auch die Probe und die Wechselwirkungen zwischen beiden. In diesem Beitrag werden virtuelle Messgeräte vorgestellt sowie deren Anwendung diskutiert.
Radiografische Simulationswerkzeuge wie aRTist, ScorpiusXLab, SimCT oder CIVA CT verwenden analytische Methoden und physikalische Monte-Carlo-Teilchentransportsimulationen, um die Interaktionsprozesse zwischen Röntgenstrahlung und Materie zu simulieren. Die berechneten Projektionen bilden anschließend unter Berücksichtigung einer definierten Scan-Trajektorie die Basis der Simulation einer röntgencomputertomografischen Untersuchung.
Für den erfolgreichen Einsatz der Computertomografie, sei es als zerstörungsfreie Prüfmethode oder beim dimensionellen Messen, ist es generell notwendig, bekannte Fehler- bzw. Abweichungsquellen des Messverfahrens auszuschließen oder zu reduzieren. Dabei hat sich gezeigt, dass die Auswahl der Messparameter und die Erfahrung des Anwenders direkten Einfluss auf das erzielbare Messergebnis einer computertomografischen Untersuchung nehmen. Es ist daher sinnvoll, die Parameterauswahl in einem virtuellen Simulationsaufbau vorher zu erproben und an die Messaufgabe anzupassen.
Neben der Optimierung von Messparametern finden radiografische Simulationswerkzeuge auch Anwendung für Machbarkeitsstudien und werden zur Schulung von Anwendern im Bereich der Röntgen-Computertomografie verwendet.
Radiografische Simulationswerkzeuge befinden sich in einem stetigen Wandel, beispielsweise durch die Entwicklung neuer Rekonstruktionsmethoden, durch Erweiterung von analytischen Modellen, durch Integration komplexer Trajektorien oder durch Berücksichtigung von prozessbedingten geometrischen Abweichungen. Im laufenden EMPIR-Projekt „AdvanCT“ entsteht deshalb ein „Good Practice Guide“ für die Simulationsumgebung aRTist. Ziel dieses Guides ist es, die mit steigender Komplexität verbundenen Einstiegshürden für Anwender von aRTist zu reduzieren, um damit einen praxisnahen Zugang zur virtuellen Computertomografie zu ermöglichen. Dabei werden anhand von praktisch nachvollziehbaren Beispielen die grundlegenden Mechanismen der Simulationsumgebung erklärt und ein strukturierter Leitfaden zur Simulation röntgencomputertomografischer Untersuchungen mit aRTist vermittelt.
In diesem Beitrag werden erste Auszüge des Guides sowie eine Übersicht der weiteren geplanten Themen für die anschließende Diskussion vorgestellt.
Die industrielle Röntgen-Computertomographie (CT) ist in der geometrischen Messtechnik die einzige Technologie, die sowohl innen- als auch außenliegende Merkmale eines Werkstücks mit einer Messung zerstörungsfrei messen kann. Die Güte der Messung kann mittels einer dem Messwert beigeordneten Messunsicherheit angegeben werden. Allerdings sind zur Ermittlung der Messunsicherheit für eine Messgröße einer CT-Messung nach Stand der Technik (VDI/VDE 2630 Blatt 2.1) zwanzig Wiederholmessungen an kalibrierten Werkstücken notwendig. Da die Messung mit realen CT-Messgeräten zeit- und kostenintensiv ist, wird analog zur taktilen Koordinatenmesstechnik eine numerische Messunsicherheitsbestimmung durch Simulation angestrebt (vgl. VDI/VDE 2617 Blatt 7, GUM Supplement 1). Die Simulation bietet den Vorteil, dass sie sowohl zeitsparend als auch kosten- und ressourceneffizient ist. Allerdings ist die Zuverlässigkeit der verschiedenen Simulationsumgebungen momentan nicht quantifizierbar. Für eine glaubwürdige Anwendung von Simulationsumgebungen für die Messunsicherheitsbestimmung benötigen Anwender eine Beurteilung derselben – auch um eine Norm- bzw. Richtliniensicherheit in der Praxis sicherzustellen.
Das Ziel dieses Projekts ist es daher, einen Richtlinienentwurf VDI/VDE 2630 Blatt 2.2 „Basisqualifizierung von Softwaresystemen für die Simulation geometrischer Messungen mit Röntgen-Computertomografie“ zu erstellen. Auf dieser Basis soll es möglich sein, die Eignung von Simulationsumgebungen zur Ermittlung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit zu bewerten. Dazu wird ein Testframework entwickelt, mit welchem Durchstrahlungssimulationssoftwares basisqualifiziert werden können.
Das Projekt wird in der Förderrichtlinie WIPANO durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
Virtuelle CT
(2020)
Das Computerprogramm aRTist ist ein praktisches Simulationswerkzeug zur Erzeugung realistischer Radiographien virtueller Durchstrahlungsaufbauten. Mit Durchstrahlungssimulationen können Bauteile, repräsentiert durch STL-Geometrien, wie in einem Computertomografen gescannt werden. Dabei werden verschiedenste Parameter gezielt und exakt berücksichtigt.
Die Virtuelle Computertomografie bietet neue Möglichkeiten der Untersuchung von Parametereinflüssen. Neben der Möglichkeit, physikalische Effekte an- und abzuschalten, z.B. die Streustrahlung, können auch Scanbewegungen getestet werden, bevor diese technisch realisiert werden.
Das für die Forschung entwickelte Simulationsprogramm aRTist bietet mit seiner intuitiven grafischen Benutzeroberfläche vielfältige Anwendungsmöglichkeiten auch in Praxis und Entwicklung, beispielsweise zur Parameteroptimierung, für Machbarkeitsstudien oder zur Abschätzung der Unsicherheit dimensioneller Messungen.
Mikrofokus-Röntgenquellen werden in der industriellen CT flexibelverwendet, um mit kleiner Leistung hohe Auflösung zu erzielen oder mit verminderter Auflösung bei höherer Leistung kürzere Messzeiten zu erreichen. Insbesondere Quellen in offener Bauweise benötigen Wartung wie Filamentwechsel und Nachstellen der Fokusparameter. Ziel ist es, einen optimal kleinen Quellfleck bei bekannter Spannung einzustellen und dessen Größe zu bestimmen.
Zur Überprüfung der Quellfleckgröße sind bereits Verfahren unter Verwendung lithographisch hergestellter Masken mit Strichmustern oder Siemenssternen aus Mikrometer dünnen Schichten aus stark absorbierendem Material wie z.B. Gold bekannt. Diese erfordern wegen der geringen Absorption eine lange Messzeit und sind nur kostenintensiv herzustellen. Ihre Verwendung zur regelmäßigen Qualitätsüberprüfung von CT-Anlagen ist daher nicht verbreitet.
Ziel dieser Arbeit ist es, die richtungsabhängige Quellfleckgröße absolut zu bestimmen, wobei nur einfach zu beschaffende Wolframspitzen verwendet werden. Dazu werden radiographische Bilder in hoher Vergrößerung aufgenommen und die Grauwertverteilung parametrisiert. Unter Verwendung der Kenntnis von Targetmaterial und Spannung wird eine eineindeutige Zuordnung zur Quellfleckgröße vorgenommen.
Dieses erfordert eine extensive Simulation für verschiedene Spannungen, Fokusgrößen und andere Einflussgrößen, sowie die experimentelle Verifikation an verschiedenen CT-Anlagen im Vergleich zu einer bekannten Methode. Erste Ergebnisse werden vorgestellt und die praktische Implementierung unter Angabe der Einschränkungen der Verwendbarkeit diskutiert. Die Autoren hoffen, damit einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Qualitätssicherung und zur
Arbeitseffizienz in der Mikrocomputertomographie leisten zu können.
Ziel des Projektes war, mit Hilfe von Computersimulationen die Brennfleckgröße, das Spektrum und die erreichbare Dosisleistung von Transmissionsröhren vorherzusagen sowie diese Kenngrößen zu optimieren. Hierbei sollten insbesondere die Materialien und Schichtdicken von Substrat und strahlungserzeugender Schicht untersucht werden. Eine Voraussetzung für die Überprüfung der Ergebnisse ist die reproduzierbare, korrekte messtechnische Erfassung von Brennfleckgrößen unterhalb 5 μm.