Ausgangslage und technische Herausforderung
In der industriellen Computertomographie (CT) ist das sogenannte Kegelstrahl-Verfahren (Cone Beam CT) der Standard für die meisten Messaufgaben. Hierbei rotiert das Bauteil um 360 Grad im Strahlengang einer ortsfesten Röntgenquelle, während ein Flächendetektor die Projektionen aufnimmt.
Dieses Standardverfahren stößt jedoch physikalisch bedingt an Grenzen, insbesondere bei:
- Bauteilen mit großem Aspektverhältnis: Langgestreckte Objekte (z. B. Wellen, Implantate, Batteriezellen), die das vertikale Messfeld des Detektors überschreiten.
- Hohen Anforderungen an die Messunsicherheit: Bei der klassischen Kegelstrahl-Trajektorie (Kreisbahn) werden Bereiche außerhalb der mittigen Rotationsebene immer unter einem schrägen Winkel durchstrahlt.
Das Problem:
Bei der mathematischen Rekonstruktion dieser Daten mittels des weit verbreiteten Feldkamp-Algorithmus entstehen systematische Fehler, sogenannte Feldkamp-Artefakte (Kegelstrahl-Artefakte). Diese äußern sich in Unschärfen, Schlieren und geometrischen Verzerrungen an den Randbereichen des Volumens (oben und unten). Zudem können Ringartefakte die Auswertung stören. Um diese Fehler zu minimieren, sind oft zeitaufwendige softwareseitige Korrekturalgorithmen nötig, die jedoch lediglich Näherungslösungen darstellen.
Die Lösung: Helix-CT (Werth ClearCT)
Um diese physikalischen Limitierungen zu überwinden, setzt die Messtronik GmbH auf die Helix-CT-Technologie (auch bekannt als ClearCT, entwickelt von Werth Messtechnik).
Das Funktionsprinzip:
Anders als beim klassischen „Circle Scan“ (reine Rotation) führt das Werkstück beim Helix-CT eine kombinierte Bewegung aus:
- Rotation um die eigene Achse.
- Simultane Translation (Verschiebung) entlang der Rotationsachse.
Die Bahn, die der Fokuspunkt der Röntgenröhre relativ zum Objekt beschreibt, entspricht einer Schraubenlinie (Helix).
Technischer Hintergrund der Fehlereliminierung
Der entscheidende Vorteil der Helix-Trajektorie liegt in der Erfüllung der exakten Rekonstruktionsbedingungen. Durch die schraubenförmige Bewegung wird sichergestellt, dass jede Ebene des Bauteils mindestens einmal horizontal (d. h. senkrecht zur Rotationsachse) von der Röntgenstrahlung durchdrungen wird.
Im Gegensatz zur Näherungslösung beim Standard-Kegelstrahlverfahren (wo Informationen in den Randbereichen fehlen) liefert der Helix-Scan einen mathematisch vollständigen Datensatz. Dies eliminiert die Ursache der Feldkamp-Artefakte prinzipbedingt, anstatt sie nur nachträglich zu korrigieren.
Ergebnisse und Mehrwert für die Qualitätssicherung
Der Einsatz der Helix-CT am Standort Messtronik (unter anderem auf dem System TomoScope XL NC) liefert messbare qualitative Vorteile gegenüber herkömmlichen CT-Scans:
Eliminierung von Artefakten
- Keine Kegelstrahl-Artefakte: Da alle Bereiche horizontal durchstrahlt werden, entfallen die typischen Verzerrungen an den Bauteilenden. Das gesamte Volumen ist homogen auswertbar.
- Reduktion von Ringartefakten: Durch die vertikale Bewegung mitteln sich lokale Inhomogenitäten des Detektors oder der Quelle besser heraus.
Steigerung der Messgenauigkeit
- Die erzeugten Volumendaten sind nahezu artefaktfrei. Dies ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Messunsicherheit, insbesondere bei geometrischen Toleranzen an Innengeometrien.
- Aufwendige iterative Korrekturechnungen entfallen. Die Daten sind „First Time Right“.
Erweiterter Anwendungsbereich (Lange Bauteile)
Das Verfahren ermöglicht das kontinuierliche Scannen von Bauteilen, die deutlich länger sind, als der Detektor hoch ist. Es ist kein manuelles „Stitchen“ (Zusammensetzen) von Einzelscans nötig, was Nahtstellenfehler vermeidet.
Anwendungsbeispiele aus der Praxis
Die Technologie spielt ihre Stärken vor allem dort aus, wo komplexe Innengeometrien oder lange Formate hochpräzise vermessen werden müssen:
Medizintechnik (Implantate): Lange Knochennägel oder Schrauben. Hier ist die Artefaktfreiheit entscheidend, um Gewindeflanken oder Porositäten über die gesamte Länge exakt zu bestimmen.
E-Mobilität (Batteriezellen): Die Prüfung des Wickels („Jelly Roll“) in zylindrischen Batteriezellen erfordert eine artefaktfreie Darstellung der Anoden- und Kathodenfolien über die gesamte Zellhöhe, um Kurzschlussrisiken durch Partikel oder Gratbildung sicher zu erkennen.
Steckverbinder: Langgestreckte Kunststoff-Metall-Verbundbauteile mit filigranen Pins, bei denen klassische CTs an den Rändern unscharfe Konturen liefern würden.
Technische Infrastruktur bei Messtronik
Die Umsetzung erfolgt bei Messtronik unter anderem auf Koordinatenmessgeräten der Reihe Werth TomoScope XL NC.
- Datenformat: Die Ausgabe erfolgt standardmäßig als Voxelvolumen (z. B. im DICOM-Format), was eine nahtlose Weiterverarbeitung in gängiger Auswertesoftware (wie VolumeGraphics) oder medizinischen Viewern ermöglicht.
- Automatisierung: Da keine benutzerspezifischen Korrekturparameter für Artefakte eingestellt werden müssen, ist das Verfahren hochgradig reproduzierbar und automatisierbar.
Betrachten Sie zwei Voxelvolumen parallel. Die zwei Datensätze wurden einzeln erzeugt und mit VolumeGraphics zu einem Voxeldatensatz zusammengefügt. Die Darstellung erfolgt mit Volumenplayer von mRay des Heidelberger Unternehmens mBits. DICOM wird als Datenformat verwendet. Mittlerweile kann Winwerth ab der Version 11.45 optional DICOM Bilderstapel exportieren.