Innovative Materialanalyse bei INNOVENT e.V.

Innovative Materialanalyse mit dem EasyTom CT System bei INNOVENT e.V.

Ein Erfahrungsbericht aus der angewandten Forschung

„Das CT-System EasyTom hat unsere Materialanalytik in die dritte Dimension erweitert. Wir können nun Proben nicht nur außen abtasten, sondern auch mit „Röntgen-Augen“ in das Innere von Proben blicken.“

Dr. Frank Froehlich und Dr. Ralf Linke, INNOVENT e. V. Technologieentwicklung Jena

Wer ist INNOVENT e.V.?

INNOVENT e. V. Technologieentwicklung Jena ist eine mittelständische Forschungs- und Entwicklungseinrichtung in Deutschland. Das Institut ist Mitglied der Zuse-Gemeinschaft und unterstützt Industriepartner mit innovativen Lösungen, vor allem im Bereich der Materialanalyse und Werkstoffentwicklung. Seit drei Jahren nutzt das CT-Team von INNOVENT erfolgreich das hochmoderne Computertomographie-System EasyTom von RX Solutions, das über die Physical Electronics GmbH bezogen wurde.

Anforderung und Lösung

Für präzise Materialanalysen benötigt INNOVENT eine leistungsstarke und hochauflösende Computertomographie, die komplexe Bauteile möglichst zerstörungsfrei untersucht.

Aufgrund der Forschungsschwerpunkte des Instituts war ein Gerät gefragt, das sowohl hochauflösende CT-Scans an mikroskopischen Proben als auch CT-Scans an makroskopischen Multimaterialproben ermöglicht.

Fündig wurde INNOVENT beim französischen Hersteller RX Solutions, dessen Geräte in Deutschland von der Physical Electronics GmbH vertrieben werden.

RX Solutions stellt eine Serie von Geräten her, deren Proben-Spektrum von „klein und weich“ bis „groß und hart“ reicht, wobei sich Härte hier auf die Energie der für die Analyse erforderlichen Röntgenstrahlung bezieht.

Probengröße und Auflösung sind in der Computertomographie gegensätzliche Parameter, zwischen denen ein Kompromiss gefunden werden muss.

Diesen Kompromiss hat für INNOVENT das „EasyTom“ erfüllt, mit dem sowohl millimetergroße Proben als auch Proben bis maximal 70 cm Höhe und 32 cm Durchmesser gescannt werden können.

Das ermöglicht einen „Röntgenblick“ sowohl in Bakterienkulturen als auch in Baumstämen.

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Anwendung und Nutzen

Mit dem EasyTom führt INNOVENT vielfältige Analysen durch, darunter die Vermessung interner Strukturen (z.B. in Magnetfeldsensoren), die Detektion von Fehlern (z.B. auf Leiterplatten) und Materialdefekten (z.B. in Gläsern), aber auch die Quantifizierung von Porosität (z.B. in porösen Kunststoffen).

Die Extraktion der gewünschten Ergebnisse aus den riesigen 3D-Punktwolken erfordert eine leistungsfähige Software, die stetig weiterentwickelt und an die wachsenden Aufgabenstellungen angepasst wird.

Davon profitieren vor allem Forschungsprojekte des Instituts mit den Kooperationspartnern, da die Computertomographie in die Projekte nahtlos integriert werden kann.

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Kundenzufriedenheit und Zusammenarbeit

Dr. Froehlich betont den exzellenten Service und die kompetente Betreuung durch die Physical Electronics GmbH. Wartung, technischer Support und Upgrades werden zuverlässig und schnell durchgeführt und gewährleisten so den reibungslosen täglichen Betrieb.

Fazit

Die Investition in das EasyTom CT System hat die Materialanalytik bei Innovent e.V. deutlich verbessert und bildet eine wichtige Grundlage für innovative Forschungsprojekte. Dr. Froehlich empfiehlt das System und die Zusammenarbeit mit der Physical Electronics GmbH als zuverlässigen Partner.

Interview mit Dr. Froehlich (INNOVENT e.V.)

Ungekürzte Fassung

Welche Kriterien waren bei der Wahl des CT-Systems entscheidend?

Das Gerät sollte CT-Scans von relativ großen Proben mit einer relativ hohen Auflösung ermöglichen.
Es war also ein „Spagat“ zwischen zwei entgegengesetzten Parametern gewünscht.
Einerseits sollte es möglich sein, „weiche“ Bio-Proben mit einer Voxelsize im Mikrometerbereich zu messen, andererseits sollte es möglich sein, relativ große Proben von Industriekunden mit relativ hoher „Röntgenhärte“ zu scannen.
Das können weder auf Serien-Scans von Ratten spezialisierte Tisch-CT-Geräte noch auf das Durchleuchten ganzer Motorblöcke ausgelegte Industrietomographen.
Gesucht war also ein Kompromiss-Gerät, das für ein mittelständisches Forschungsinstitut auch finanzierbar war.

Wie hat das EasyTom Ihre Arbeit bei INNOVENT verändert?

Im eigenen Haus fließt die Computertomographie zunehmend in Projekte mit externen Partnern zu Forschung und Entwicklung als analytisches Werkzeug für spezielle Aufgaben ein und wertet diese auf.
Die inzwischen erarbeitete Expertise hat sich dadurch herumgesprochen und zu Anfragen und eigenständigen CT-Messungen für externe Kunden geführt.

Welche Vorteile bietet Computertomographie im Vergleich zu anderen Methoden?

CT konkurriert mit optischen Abtast-Methoden. Davon gibt es viele und INNOVENT ist auch da gut aufgestellt.
Optische Abtastmethoden sind meist schneller, günstiger und oft auch genauer als die Computertomographie.
Als reine „Oberflächen-Methoden“ können sie aber nicht in das Innere von Proben sehen. Ist das notwendig, führt kein Weg, um die Computertomographie als „Volumen-Methode“, die mit einem Röntgenstrahl auch das Probeninnere „abtasten“ kann, herum.
Optische Abtastmethoden und Computertomographie sind also sich gegenseitig ergänzende komplementäre analytische Methoden. Man kann CT auch als Erweiterung der Materialprüfung in die dritte Dimension betrachten.
Und ganz nebenbei liefert die Computertomographie die Ergebnisse, die die Oberflächen-Methoden liefern können, mit.
Mit einer Methode kann also sowohl die äußere Form von komplexen Proben als auch deren innere Struktur untersucht werden.
Zu tun gibt es viel im Inneren von Materialien: Poren, Risse, Texturen, Einschlüsse, Körner und Kristallite sind versteckte Defekte, die nicht mit Laserstrahlen abgetastet werden können. Auch gewollte Hohlräume wie etwa beim Spritzguss von Kunststoffteilen können mit CT vermessen werden.
Und wenn eine Platine in den Weltraum geschossen werden soll, möchte man ganz genau wissen, dass die Lötstellen in Ordnung sind.

Können Sie ein Beispiel nennen, bei dem EasyTom zum Forschungserfolg beigetragen hat?

Es hat sich inzwischen eine gute Kooperation zu den Archäologen der Friedrich-Schiller-Universität entwickelt. So haben wir im Rahmen des Projekts “Das Collegium Jenense” archäologische Funde aus der „Sammlung Ur- und Frühgeschichte“ (UFG) mit CT analysiert.
Unser besonders hoher Probenraum hat uns z.B. ermöglicht, auf einem Degen, der in den Trümmern der ehemaligen Universitätskirche gefunden worden ist, eine in Kupfer eingelegte Inschrift (Tauschierung) unter der Korrosionsschicht nachzuweisen. Dieser Fund ist ein Beitrag zur Universitätsgeschichte und belegt die Bedeutung der ersten protestantischen Universität im europäischen Kontext.
Dem Archäologen Dr. Enrico Paust und der Restauratorin Ivonne Przemuß ersparen die Ergebnisse der CT-Untersuchung das Freilegen der Inschrift.

Wie einfach ist die Bedienung des Systems?

Es ist ein weit verbreiteter Mythos, dass Messgeräte immer komplexer werden, während der Bediener mit immer weniger Zeit und Fachwissen – mit „wenigen Mausklicks“ – immer bessere Messergebnisse abliefert.

CT-Messungen können bei komplexen Multimaterialproben und hohen Auflösungen auch mal viele Stunden dauern (unabhängig vom Hersteller des CT-Geräts) und wie bei vielen Messmethoden kann die Auswertung einer komplexen Messung auch länger als die eigentliche Messung dauern.

Ich habe auch noch niemanden kennen gelernt, der an mehreren Computertomographen von verschiedenen Firmen gearbeitet hat und diese vergleichen kann. Allein der französische Hersteller „RX Solutions“ bietet schon ein ganzes Portfolio von CT-Geräten an, das vom relativ kleinen Gerät bis zum großen Industriescanner reicht.

Ich kann also nur das „EasyTom“ in unserem Institut beschreiben.

Die wichtigsten Komponenten im Probenraum – Strahlquellen, Probenhalterung und Detektor – ermöglichen im „EasyTom“ eine sehr flexible Ausrichtung der Probe im Kegelstrahl. Diese Flexibilität ist eine Grundvoraussetzung, wenn das Proben-Spektrum von kleinen entomologischen Proben bis zu großen archäologischen Proben reicht. Das sind Spezialproben, von denen jede anders eingebaut und gemessen wird. Und im Unterschied zu den größeren CT-Geräten von RX Solutions hat unser Gerät noch Bleiglasfenster, sodass wir die Ausrichtung der manchmal sehr sperrigen oder sehr empfindlichen Proben im Probenraum visuell kontrollieren und so auch Schäden durch Kollisionen vermeiden können.

Andererseits ist es auch möglich, Probenserien mit gleicher Geometrie mit Hilfe von Makros mit stets der gleichen Messkonfiguration zu messen und auch die Auswertung je nach Messaufgabe teilweise zu automatisieren.

Prinzipiell können Messungen an Probenserien noch weiter automatisiert werden. Die dafür erforderlichen Probenwechsler haben wir nicht. So etwas ist nur sinnvoll bei einem hohen Probenaufkommen gleichartiger Proben in Kombination mit einer Automatisierung der Auswertung und einem entsprechenden Management der anfallenden großen Datenmengen.

Wichtig ist auch die Wartung, Kontrolle und Validierung des Geräts. Dafür bietet RX Solutions Tools an, die die Überprüfung und Justage des Geräts erlauben.

Wie unterstützt die Physical Electronics GmbH Sie bei Wartung, Support und Upgrades?

Moderne Messgeräte sind entgegen einer inzwischen leider weit verbreiteten Ansicht nicht wartungsfrei und natürlich treten früher oder später auch technische Probleme an solchen komplexen Geräten auf. Das sind ja keine Kaffeemaschinen.
Wer sich ein CT-Gerät zulegen will, muss auch an die Upgrades der Software denken. Das ist Spezialsoftware, deren Lizenzen meist jährlich verlängert werden müssen und zu der meist keine Alternative besteht. Dieser Kostenfaktor wird oft unterschätzt, muss aber eingeplant werden.
Man kann bei Wartung, Support und Upgrades sparen, gibt das Geld dann aber woanders aus – etwa durch ineffiziente Auswertungen mit veralteter Software oder Stillstandzeiten eines teuren Messgeräts.
Hier haben wir ausgezeichnete Erfahrungen bei der Kooperation mit der Physical Electronics GmbH gesammelt. Es gab kein Problem, dass die Physical Electronics GmbH nicht lösen konnte, und die Kooperation funktioniert auf Augenhöhe.

Es handelt sich um ein Unternehmen, das mehr als zwanzig Jahre Erfahrung im Vertrieb hochkomplexer Messtechnik hat.

Warum ist die hohe Genauigkeit des Systems für Ihre Forschung wichtig?

Genauigkeit ist in der Messtechnik nur ein qualitativer Begriff, der auch gerne mit der Auflösung einer Messmethode – in der Computertomographie der Ortsauflösung – verwechselt wird.
Quantitative Größen für die Bewertung einer Messmethode sind die Richtigkeit und Reproduzierbarkeit (Wiederholgenauigkeit – wie viele Stellen hinter dem Komma können reproduziert werden; auch Präzision genannt), die bei hohen analytischen Anforderungen auf einen Standard zurückgeführt werden müssen (Rückführbarkeit).
RX Solutions bietet natürlich Standards zur Überprüfung dieser Werte an.
Worauf bei einer CT-Messung der Fokus gesetzt wird, hängt von der Aufgabenstellung ab. Die Ortsauflösung, oft indirekt als Voxelsize ausgedrückt, wird vor allem durch die Position der Probe im Kegelstrahl zwischen Strahlquelle und Detektor bestimmt und ist nicht automatisch ein Qualitätsmerkmal.
Hohe Ortsauflösungen sind nur bei kleinen Proben möglich, die im Kegelstrahl nahe vor der Strahlquelle rotieren können. Dieses geometrische Gesetz gilt unabhängig vom Hersteller eines CT-Geräts, wenn die Abbildung auf dem Prinzip des Kegelstrahls beruht.
Wie bei allen Messmethoden steigen Messaufwand und Kosten, wenn an die technischen Grenzen gegangen wird. Man muss sich bei Planungen zu einem CT-Gerät also überlegen, wie häufig CT-Messungen mit hoher Ortsauflösung anfallen.
Wer die Qualitätssicherung an Motorblöcken vom Fließband absichern soll, muss auf die Richtigkeit, Präzision und Rückführbarkeit achten. Eine hohe Ortsauflösung ist an solchen großen Proben gar nicht möglich.
Für die Analyse von Strukturen in einem winzigen Schaltkreis ist dagegen eine hohe Ortsauflösung nötig.
Für einen Archäologen, der wissen will, was in unförmigen Klumpen steckt, sind alle diese Qualitätsparameter weniger wichtig. Für ihn ist es wichtig, dass es gelingt, die Probe zu durchleuchten.
Statistisch gesehen waren bisher Proben aus der Elektrotechnik die häufigsten Proben. Für diese sind selten hohe Ortsauflösungen wichtig und möglich. Dafür muss die Energie der Strahlquelle ausreichen, um in diesen Multimaterialproben die verschiedenen Metalle und Metallverbindungen von Silizium und Polymer zu trennen.
Mit dem EasyTom, für das sich unser Institut entschieden hat, haben wir erfolgreich winzige Proben mit einer Voxelsize bis 1 µm gemessen. Formal geht mehr, ist bisher aber noch nicht gebraucht worden.
Dafür war es uns aber auch möglich, einen korrodierten Degen aus einer archäologischen Ausgrabung in die Probenkammer zu stellen.
Diese Spannweite von wenigen Mikrometer großen Proben bis zu 70 cm langen Proben kann nicht so viele CT-Geräte auf dem Markt. Diese Flexibilität war uns wichtig und das EasyTom ermöglicht diesen Kompromiss.

Wie sehen Sie die Zukunft der Materialanalyse mit CT-Systemen?

Hier sehe ich folgende Punkte:

CT-Systeme sind in vielen Branchen nicht mehr wegzudenken und zwingend notwendig für die Qualitätssicherung, aber auch Forschung und Entwicklung. Ein Hersteller von Leiterplatten braucht diese Messmethode im eigenen Haus. Für Hersteller von Weltraumtechnologie ist die absolute Zuverlässigkeit z.B. von Lötverbindungen ein Muss. Auch in der Medizinbranche ist die Computertomographie in der Diagnostik nicht mehr wegzudenken.
Aktuell profitiert die Computertomographie als eine rechen-intensive Methode von den Entwicklungen der Rechentechnik auf dem Gebiet der Grafikverarbeitung. Jedes Jahr erscheinen Software-Updates, die die Auswertung beschleunigen oder verbessern, aber auch viel Geld kosten. Auf neue Schwerpunkte von Forschung und Entwicklung reagieren die Software-Hersteller mit entsprechenden Add-ons, z.B. für die CT-Untersuchung von Batterien.
Alternativ zu den verbreiteten Großgeräten sind auf dem Markt kleinere CT-Geräte erschienen, die auf einen stabilen Labortisch passen, von einem Laboranten bedient werden können, kostenlose Software-Updates beinhalten und weniger Verwaltungsaufwand für die Strahlenschutzgenehmigung erfordern. Das fördert die weitere Ausbreitung der Methode.
Die Grenzen der Computertomographie werden von Spezialisten erweitert. So ist das Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik in Fürth (EZRT) in der Lage, Proben wie Flugzeugrümpfe und Autos mit Röntgenstrahlung zu durchleuchten. Die Universität Hamburg hat dagegen gemeinsam mit dem DESY einen mobilen Scanner entwickelt, mit dem nun die Sammlungsbestände von Museen, insbesondere Keilschrifttafeln, gescannt werden können. Hier fährt das CT-Gerät zur Probe.

Würden Sie anderen Forschungseinrichtungen oder Unternehmen das System empfehlen? Warum?

Wie bei anderen aufwändigen Messmethoden auch muss sich eine Einrichtung gut überlegen, ob man sich ein CT-Gerät selber zulegt oder CT-Messungen lieber an einen externen Partner oder Dienstleister in Auftrag gibt.

Will man sich diese Methode selbst zulegen, muss man auch die nötige Manpower und Expertise einplanen. Ansonsten hat man viel Geld investiert in Technik, die stillsteht. Auch die Lizenzverlängerungen und Updates der Software erzeugen hohe Kosten.

Die Kosten, die ein CT-System erzeugt, müssen auch wieder eingespielt werden. Und bei über 200 CT-Dienstleistern in Deutschland ist man nicht alleine auf dem Markt.

Ist ein Unternehmen nicht bereit, in Manpower und laufende Software-Kosten zu investieren, sollte es sich keinen Computertomographen anschaffen.

Für die Anschaffung eines eigenen CT-Geräts sprechen folgende Argumente:

Qualitätssicherung in einem produzierenden Unternehmen der High-Tech-Branche. Hier verursachen Produktionsausfälle hohe Kosten (z.B. Leiterplattenhersteller).
Die CT-Methode ist in einem Forschungsgebiet etabliert und Voraussetzung für weitere Projekte (z.B. „Rattenscanner“ in der medizinischen Forschung).
In einem Institut werden (wie bei INNOVENT) Aufgaben mit sehr unterschiedlichen Anforderungen an CT-Messungen bearbeitet. Hier ist es besser, die Expertise im eigenen Haus aufzubauen (und auch zu behalten), als sich ständig passende CT-Spezialisten zu suchen.

Gegen die Anschaffung eines eigenen CT-Geräts sprechen folgende Argumente:

Man hat nur selten Probleme, für deren Lösung CT gebraucht wird. In diesem Fall ist es auf jeden Fall besser, die Expertise eines erfahrenen Dienstleisters in Anspruch zu nehmen.
Man kooperiert sowieso mit Partnern, die CT im Portfolio haben.
Man hat zwar oft Probleme, für deren Lösung man CT bräuchte, kann oder will sich die Investition aber nicht leisten. Für diese Situation gibt es Dienstleister, die auch große Probenserien in Auftrag messen.

Will man ein eigenes Gerät anschaffen, wird man natürlich mehrere Anbieter vergleichen. Mit dem Erwerb eines CT-Geräts bindet man sich ja auch langfristig an einen Hersteller.

Für RX Solutions spricht das breite Portfolio, in dem fast „für jeden“ was dabei ist, die sehr robuste Hardware sowie eine zuverlässige Basis für Vertrieb und Betreuung in Deutschland durch die Physical Electronics GmbH.
RX Solutions steht auch nicht still, sondern entwickelt seine Geräte stetig weiter. So gibt es mit dem EasyTom L bereits einen leistungsfähigeren Nachfolger unseres Geräts.
Will man CT-Messungen lieber als Dienstleistung vergeben, halte ich es für eine gute Idee, diese an die Physical Electronics GmbH oder vielleicht sogar an INNOVENT zu vergeben.
Natürlich finden sich inzwischen in jeder größeren Industrieregion auch andere CT-Dienstleister.

Welche Funktionen oder Erweiterungen wünschen Sie sich für zukünftige Systeme?

Da wir mehr metallhaltige Proben als erwartet zu messen hatten, hätten wir gerne eine Strahlquelle mit mehr Energie.
In künftigen Software-Versionen sollte die Auswertung von Multimaterial-Proben mit vielen Artefakten ein selbstverständlicher Standard sein. Bei Autos sind ja die Räder auch im Preis inbegriffen.
Häufig ist auch die Kombination aus einer „Bord-Software“ des Geräte-Herstellers und einem Zusatzpaket aus einer exklusiven Software eines Drittanbieters. Das erzeugt erhebliche Software-Kosten. Schön wäre hier eine Halbierung der Software-Kosten durch ein Software-Paket aus einer Hand. Das ist allerdings derzeit nicht zu erwarten.
Ein Wunschtraum der „Tomographer“, der durchstimmbare monochromatische Röntgenlaser, der in ein CT-Gerät passt, ist aktuell nicht in Sicht. Ein solcher würde die Methode der Computertomographie noch einmal revolutionieren.

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