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Micro gears are applied in an increasing quantity in many applications. Therefore, precise measurements are of growing importance to ensure their quality. This contribution describes the measurement of gears of a micro planetary gear set with a tactile probe, a tactile-optical probe, an optical sensor, and computed tomography (CT). For the tactile measurements, a high precision piezoresistive microprobe was used. A so-called fiber probe was applied for tactile-optical measurements. This probe applies image processing to determine the position of the tactile probing element. For all tactile and tactile-optical measurements, single point probing was used. The optical measurements were carried out with an imaging sensor based on focus variation. Due to limited accessibility, on some gears not all regions could be measured by the optical sensor and the tactile-optical probe. In contrast to this, with CT the whole part could be measured with high point density. We used a micro-CT system and carried out measurements with Synchrotron-CT. All the sensors used deliver measurement data in Cartesian coordinates. It is a challenge to transfer these data into coordinates in which gear parameters are defined. For this, special attention must be paid to the determination of the gear axis and to the orientation of the teeth. The applied procedures are detailed for different micro gears. The comparison between data of different measurements was carried out successfully. The deviations between the CT data and the tactile or tactile-optical data lie in the range of only a few micrometers.
Invasion of the land by arachnids required adaptations of numerous organs, such as gills evolving into lungs, as well as mechanisms facilitating sperm transfer in a terrestrial environment. Many modern arachnids use spermatophores for this purpose, i.e. sperm transmitters detached from the body. Exceptionally preserved Silurian (423 Ma) fossils of Eurypterus tetragonophthalmus Fischer, 1839 (Chelicerata: Eurypterida) preserve so-called horn organs which we here demonstrate as being equivalent to the spermatophore-producing parts of the genital tract in certain modern arachnids. This clarifies a long-running debate about sexing eurypterids based on the shape of the median abdominal (or genital) appendage. To our knowledge this is also the oldest direct evidence for spermatophoremediated sperm transfer in the fossil record and suggests that eurypterids had evolved mating techniques using spermatophores as early as the Silurian, a valuable prerequisite for life on land. Spermatophores are absent in sea spiders (Pycnogonida) and horseshoe crabs (Xiphosura); thus the shared presence of sclerotized sperm-transfer devices in eurypterids and arachnids is a novel character, newly elucidated here,which offers explicit support for (Eurypterida + Arachnida). For this clade the name Sclerophorata n. nov. is proposed. Arachnida can be further defined by fusion of the originally paired genital opening.
Industrial computed tomography (CT) today is an important method to analyze defects and to measure the geometry of technical products. The measurement capability of industrial CT often depends on the knowledge of the measurement errors being present. Only with this knowledge, effective corrections are possible by manufacturers, or adapted measurement procedures become possible for the customers. Thus, there is the strong need to have adequate reference standards both for the assessment of general dependencies and for the measurement of task-specific effects. Especially the latter are difficult to assess. This paper shows the application of a versatile dismountable workpiece-near reference body for the use with CT. The reference standard was made from a miniaturized cast aluminium (one-)cylinder head. It can be dismounted into four segments, each featuring reference geometries which enable a registration of CT measured and other reference datasets (e.g. from tactile CMM). The reference standard embodies complex freeform surfaces which are a challenging measurement task for CT and other sensors. Here the application of the reference standard is the study of the influence of material mixes. This is realized by adding pieces of other materials which disturb the mono-material measurement.
Results of the application of the reference standard are presented using data from industrial micro-CT systems and CMM reference data. A special emphasis is given on the workflow of the data processing and the data analysis.
Archaeological bone, ivory and antler, as well as objects manufactured from them, are largely studied to extract as much information as possible from these materials. Among others, one key question in archaeology is the exact identification of the material. Even if the identification of different kinds of osseous material seems to be trivial in many cases, it can be a difficult issue when small, heavily carved and more or less altered ancient objects are concerned. This study was focused on the determination of parameters allowing the distinction of archaeological ivory, bone and antler in order to identify the raw material used for the manufacture of prehistoric objects. The high performance of synchrotron radiation (SR) and laboratory-based micro X-ray computed tomography (microCT), providing highly resolved three-dimensional information on the micromorphology, permitted the establishment of such distinctive features of modern references of ivory, antler, land mammal and whale bones: ivory shows characteristic tubular pores with a diameter of about 1 to 2 µm, bone and antler show typical osteon structures. In our measured references, antler shows on average larger and more elongated shaped pores of the osteons compared to terrestrial mammal bone. This feature however depends very much on the original localization of the studied sample within the antler. Whale bones can be distinguished from the other osseous materials by a cancellous, osteoporotic-like structure with irregularly distributed rounded porosities with diameters reaching up to 500 µm. These characteristics have also been tested on determined Palaeolithic fragments, as diagenetic changes during burial have to be considered and may lead to the modification of the parameters established on the basis of modern bone references. In general, the chemical composition of bone objects can change drastically over time while micromorphological features, as evidenced by microCT, seem to be less susceptible to such alterations. In addition, microCT enables the comparison of inner and possibly less altered parts of the objects, and can be considered as completely non-destructive for small mineralised prehistoric objects. In this study, specific morphological features allowing the distinction of ivory and of whale bone from other bone and antler material were determined, even for altered materials dating back to Palaeolithic periods. Thus, we provide, in addition to archaeozoological, chemical and isotopic markers, a new non-destructive tool to identify some raw materials used for the fabrication of osseous objects ranging from recent to prehistoric periods.
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 Produktion von elektronischen, optischen und elektro-mechanischen Mikro- und Nanosystemen stellt hohe Anforderungen an die Messtechnik, um die Fertigungsprozesse zu optimieren und die Qualität zu prüfen. Existierende Messverfahren unterliegen Beschränkungen hinsichtlich des Auflösungsvermögens, der Messfeldgröße und des Ergebnisses der Messung. Der kombinierte Einsatz von Sensoren mit unterschiedlichen Fähigkeiten in den Auflösungsstufen mittels einer intelligenten Messstrategie ermöglicht eine effiziente Prüfung.
Neben den geeigneten Prüfstrategien werden auch Methoden zur Fusion und Auswertung der Daten von Sensoren mit unterschiedlichen Auflösungsfähigkeiten benötigt. Datenfusion bezeichnet dabei das Zusammenfügen verschiedener Messungen, um entweder unterschiedliche Eigenschaften eines Messobjekts in einem gemeinsamen Koordinatensystem angeben zu können oder um aus verschiedenen Messungen derselben Eigenschaft des Messobjekts einen Datensatz von höherer Qualität gegenüber den einzelnen Datensätzen zu erhalten. Voraussetzung für die Datenfusion ist Registrierung, die eine Überführung von Messdaten unterschiedlicher Messfelder oder Messmittel in ein gemeinsames Koordinatensystem darstellt und Thema dieses Beitrages ist.
Die Computertomographie (CT) hat sich als dimensionelle Messmethode in der industriellen Produktion etabliert. Durch Messungen an speziellen Prüfkörpern ist es möglich, quantitative Informationen über die metrologischen Eigenschaften dimensioneller Messungen zu erhalten. In dieser Arbeit wird einen Aluminium-Guss-Prüfkörper (120 mm x 90 mm x 60 mm) benutzt, mit dem – in der vorliegender Form – auch der Einfluss von Materialien unterschiedlicher Schwächung auf dimensionelle CT-Messungen untersucht werden kann. Der Prüfkörper ist in vier Segmente zerteilt, so dass auch innenliegende, raue Gussfreiformflächen der taktilen Koordinatenmessung zugänglich sind. Durch adaptierte Rubinkugeln als Referenzstrukturen können die CT-Messdaten in taktile Referenz-Koordinatensysteme überführt werden. Um den Einfluss von Materialien unterschiedlicher Schwächung auf das dimensionelle Messen mit CT zu untersuchen, wurden stärker schwächende ZTA-Störkugeln (Zirconia Toughened Alumina) mit zur Ausrichtung geeigneter Symmetriebrechung in der Nähe von ausgewählten taktilen Messstellen angebracht.
Zur Bewertung der Messabweichungen dienen taktile Referenzmessungen an den ZTA-Kugeln sowie taktile Messungen an den Freiformflächen des Gussteils, wobei durch ein iteratives Antastverfahren eine verbesserte Erfassung der Geometrie auch bei starken lokalen Oberflächenkrümmungen sichergestellt wird.
The Final Gravettian level (level 2) of the abri Pataud (Dordogne, France) yielded a large assemblage of body ornaments that consists essentially of 85 quite standardized rectangular beads. Some uncertainty remained about the raw material in which these small beads were made: mammoth ivory, reindeer antler or bone? Non-invasive methods were employed in order to determine the raw material. First chemical analyses using microbeam Proton Induced X-ray Emission analysis (microPIXE) did not enable us to conclude definitively. Therefore, synchrotron and laboratory X-ray microtomography (microCT) were applied on eight beads and allowed us to identify ivory for all of them except for one, which shows slightly different morphological features.
Die industrielle Computertomographie (CT) ist ein gut bekanntes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken. In den letzten Jahren wird die CT aber zunehmend auch für dimensioneile Messungen von Werkstücken eingesetzt. Der wesentliche Vorteil der CT liegt in der Kompletterfassung mit hoher Messpunktdichte, die auch für andere Messverfahren unzugängliche, innere Geometrien einschließt. An kleinen Bauteilen können Strukturen bis herunter zu wenigen Mikrometern gemessen werden, wodurch sich das Verfahren gut für die Messung von Mikroteilen eignet. Nachteilig ist, dass viele Einflussgrößen das Messergebnis beeinflussen, was die Rückführung der Messergebnisse, die Bestimmung der Messunsicherheit und die Definition von Spezifikationen für CT-Anlagen erschwert.
Der Beitrag stellt nach einer Einführung in das Verfahren Anwendungsbeispiele der CT an Mikroteilen vor. Darüber hinaus geht der Beitrag auf Prüfkörper und -verfahren zur Einmessung und Überprüfung von CT-Anlagen ein und berichtet über aktuelle Normungsaktivitäten. Abschließend werden Möglichkeiten zur weiteren Steigerung der Auflösung aufgezeigt, um zukünftig möglicherweise auch Nanogeometrien messen zu können.
Data processing is an essential part of the evaluation of measurement results, e.g. in X-ray computed tomography
(CT). Some of these calculations are denoted as 'filtering'. Filtering is always a trade-off between an enhancement
of data quality and a loss of information. The standard reconstruction technique for CT data is t he filtered
back-projection. Additionally to the high-pass filter inherent to this technique, a suppression of high-frequency
noise is in most cases also necessary. Many different possible filter algorithms are found in the literature. Although
their effect on the signal-to-noise ratio and the spatial resolution is well-studied, it is not obvious how the
different filters affect the determination of the object's surface in the reconstructed data and, thus, the results of
dimensional CT measurements. We compare the results of industrial dimensional CT measurements obtained at
the same data set of a calibrated reference standard – a calotte cube – when using different filters and discuss the
implications. Filters under investigation are mainly median filters on projections and as well filters during filtered
backprojection and filters on the reconstructed volume.
Methode und Prüfkörper zum Nachweis von Gussdefekten in Aluminiumbauteilen mit Computertomographie
(2009)
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.
Methode und Prüfkörper zum Nachweis von Gussdefekten in Aluminiumbauteilen mit Computertomographie
(2009)
Precautions in the generation of surfaces from CT images should be the rule. Two different data sets of the bust of Nefertiti and additional data from an industrial CT scanner will show the conflicts that arise when defining a surface. The recent trend in CT is to extract surfaces from CT measurements which can compete with the accuracy of tactile measurements. As CT is complicated by artefacts, a lot of precautions need to be taken in order to get exact results. More errors are introduced, if the surface of an object made from different dense materials is calculated. A publication in April 2009 of "Radiology" dealt with the surface of the stone behind the stucco layer of the famous bust of the Egyptian Queen Nefertiti in the Ägytische Museum Berlin. Using this data, we will show the different problems that arise from inadequate image processing. Furthermore, a detailed comparison of the two CT measurements made 14 years apart is given. Conclusions: Respect the traps in virtual imaging.
Ein dreidimensionaler Prüfkörper für die Lunkererkennung in Gussteilen mittels Coputertomographie
(2009)
Computertomographische Aufnahmen von Objekten mit stark
voneinander abweichenden Absorptionseigenschaften stellen sowohl für den
Anwendungsbereich der zerstörungsfreien Prüfung als auch für den der
dimensionellen Messtechnik eine besondere Herausforderung dar. Die
Aufnahmekonfiguration kann bei Objekten dieser Art häufig nicht so gewählt
werden, dass die unterschiedlichen Materialeigenschaften mit ausreichender Qualität
abgebildet werden können. Aus diesem Grund ist eine objektive Bewertung der
Oberflächenmessung mit Hilfe eines in dieser Untersuchung eingeführten
Qualitätsmaßes erforderlich. Anhand der in dieser Arbeit vorgestellten
Prüfkörperserie soll der Einfluss der Materialzusammensetzung auf das
dimensionelle Messen mit CT erfasst und charakterisiert werden. Unter
Berücksichtigung der Qualitätsbewertung der Oberflächenpunkte erfolgt die
Berechnung der Form- und Abstandsabweichungen. Ziel ist es, die Genauigkeit der
Oberflächenmessung hinsichtlich unterschiedlicher Aufnahmeparameter und
Materialzusammensetzungen darzustellen. Anhand dieser Ergebnisse ist es möglich,
den computertomographischen Aufnahme- und Auswertungsprozess quantitativ zu
bewerten und Ursachen der Abweichungen zu diskutieren.
Anhand des hier vorgestellten zylindrischen Prüfkörpers, an dem
Kugeln aus einem Material mit einem hohen Absorptionskoeffizienten und sehr
geringen Formabweichungen angebracht wurden, können die geometrischen
Eigenschaften von CT-Anlagen untersucht werden. Die Basis der Auswertung
bilden die radiometrischen Aufnahmen. Mit Hilfe eines angepassten
Ellipsenoperators werden die Mittelpunkte der in den radiometrischen Aufnahmen
überlagerungsfrei abgebildeten Kugeln ermittelt. Anhand dieser Mittelpunkte
können die geometrischen Eigenschaften des Gesamtsystems zunächst rein an den
sich daraus ergebenen Spuren diskutiert und in einem weiteren Schritt
photogrammetrisch mit Hilfe der Bündelblockausgleichung ausgewertet werden.
Die Untersuchungen zeigen, dass der Prüfkörper geeignet ist, die geometrischen
Eigenschaften von CT-Anlagen zu überwachen. In einem weiteren Schritt könnte
das vorgestellte Verfahren benutzt werden, um z.B. Abweichungen von Drehtischen
zu charakterisieren und ggf. zu korrigieren.
Phasenkontrastmessungen haben sich als hilfreich bei der
Kantenfindung von Strukturen mit nur geringem Absorptionskontrast erwiesen.
Solche Messungen können besonders gut mit monochromatischer Röntgenstrahlung
hoher räumlicher Kohärenz durchgeführt werden, wie sie bei der Synchrotron-
Computertomographie (SY-CT) benutzt wird. Nachteilig wirken sich allerdings die
Phasenverschiebung des Synchrotronstrahls über das Strahlprofil und damit die
Kantenverbreiterung in den zu untersuchenden Strukturen aus. Daher ist ein
dimensionelles Messen mit normalen Rekonstruktionsverfahren nicht möglich. In
der vorliegenden Arbeit werden neue Filterverfahren zur Korrektur der
Phasenverschiebung unter Beibehaltung des erhöhten Kontrastes bei der
Rekonstruktion angewandt, um ausgewählte einkomponentige Referenzobjekte
hinsichtlich der dimensionellen Messeigenschaften zu untersuchen. Als Referenz
werden rückgeführte Messungen mit taktilen Koordinatenmessmaschinen
herangezogen. Die Untersuchungen wurden im freien Strahl durch Variation des
Abstandes zwischen Objekt und Detektor am Strahlrohr der BAM am Helmholtz-
Zentrum Berlin für Materialien und Energie - Speicherring BESSY II durchgeführt.
Ein dreidimensionaler Prüfkörper für die Lunkererkennung in Gussteilen mittels Computertomographie
(2010)
Evaluating porosity in cordierite diesel particulate filter materials, part 1 X-ray refraction
(2013)
Bi-continuous porous ceramics for filtration applications possess a particularly complicated microstructure, with porosity and solid matter being intermingled. Mechanical, thermal, and filtration properties can only be precisely estimated if the morphology of both solid matter and porosity can be quantitatively determined. Using x-ray absorption and refraction, we quantitatively evaluate porosity and pore orientation in cordierite diesel particulate filter ceramics. Porosity values turn out to agree with mercury intrusion measurements, while pore orientation factors agree with published crystallographic texture data.
Despite their enormous diversity, the bauplan of adult winged insects (pterygotes) is remarkably conservative since the Lower Devonian: a five-segmented head, a three-segmented thorax with three pairs of walking legs and an eleven-segmented abdomen without any non-sexual appendages 1 and 2. The only known exceptions are the abdominal appendages of adult male sepsid flies on the fourth segment; however, these are also used as copulatory organs and are supposedly maintained through sexual selection [3]. Here, we report a rod-like paired appendage from the third and fourth abdominal segments in adults of the Southeast-Asian Hemiptera taxon Bennini (Figure 1A,B; Supplemental information). These are fully musculated, innervated, and movable and bear highly organized sensory and secretory units. The appendages, termed LASSO (lateral abdominal sensory and secretory organs), are consistent in topology and structure in all species studied and not sexually dimorphic. The existence of these non-sexual abdominal appendages reveals the potential of the 300 million year old conserved bauplan of insects.
Ceramic parts possessing an ordered porosity were produced for the first time by powder-based three-dimensional printing of a preceramic polymer followed by pyrolysis in an inert atmosphere. The main parameters involved in the process were investigated, and the precision of the printed and ceramized parts was assessed by means of scanning electron microscopy and micro computed tomography. The influence of two different printing solvents was investigated and the use of a mixture of 1-hexanol and hexylacetate in particular allowed the production of parts with a relative density of 80% both in the polymeric and in the ceramic state. The mixing of a cross-linking catalyst directly with the printing liquid greatly simplified the process, minimizing the necessity of preprocessing the starting powder. Three-dimensional printing of a preceramic polymer not containing any inert or active fillers was proved to be a feasible, convenient and precise process for the production of porous ceramic possessing a complex, ordered structure, such as stretch-dominated lattices.
Since the advent of industrial computed tomography (CT), this new analysis method has been used also for the investigation of objects of cultural heritage and art. CT provides the possibility to determine the inner and outer surfaces and to investigate the material structure without causing damage to the valuable objects.
In this talk I will present examples of measurements performed at BAM, which demonstrate what CT can do for objects of diverse materials and for different objectives.
Complementary to Part 1 of this work, the bi-continuous microstructure of porous synthetic cordierite ceramics for filtration applications was investigated using 3D x-ray computed tomography at different resolutions. Applying both Fast Fourier Transform and a newly developed image analysis algorithm, we quantitatively evaluated porosity and pore orientation. The statistical approach allows extraction of spatially resolved or average values. Porosity values based on x-ray absorption agree with mercury intrusion measurements, while pore orientation factors agree with x-ray refraction data (Part 1 of this work), and with published crystallographic texture data.
The effects of refraction (phase-contrast) are normally considered as disturbances in high-resolution μCT-measurements. We show that in the case of small objects with low absorption a single-distance phase-retrieval algorithm not only reduces the edge enhancement, but also raises the signal-to-noise ratio sufficiently to allow dimensional measurements. This is exemplified at an optical element for optical fibre connectors.
The combination of tomographic, microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on material and component properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. This logic thread holds equally for industrial and academic research, and valorizes expensive experiments such as those carried out at synchrotron sources, which cannot be daily repeated. We shall show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing. We will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces.
Bikontinuierliche poröse Keramiken für Filteranwendungen weisen eine komplizierte Mikrostruktur auf, in der Poren und Festkörperphase 'vermischt' sind. Mechanische, thermische sowie Filtereigenschaften können nur präzise bestimmt werden, wenn die Morphologie beider Phasen quantitativ angegeben werden kann. Hier werden unter Anwendung von 3D Computertomographie (CT) und verschiedenen Techniken, die auf der Röntgenrefraktion basieren, die Porosität und die Porenorientierung in keramischen Cordierit-Dieselpartikelfiltern bewertet. Dabei werden zur Auswertung der Tomogramme die Fouriertransformierten sowie eine neu entwickelte richtungssensitive Bildanalyse (DIVA, directional interface variance analysis) angewandt. Sowohl die genannten Messtechniken als auch der statistische Ansatz gestatten die Extraktion optional ortsaufgelöster oder gemittelter Werte. Es ergeben sich sehr gute Übereinstimmungen der experimentell ermittelten Porositätswerte mit Ergebnissen aus Quecksilberintrusionsversuchen als auch der ermittelten Porenorientierung im Vergleich zu publizierten Angaben zur kristallographischen Textur. Dies legt den Schluss nahe, dass die Kenntnis der Grenzflächen (zwischen Poren und Materie) genügt, die morphologischen Eigenschaften solcher Materialien hinreichend zu beschreiben.