Fünffacher CT-Durchsatz bei gleichbleibender Bildqualität
Qualitätssicherung als Voraussetzung für industriellen Fortschritt
Die Qualitätskontrolle hochabsorbierender Bauteile wird bei steigenden Stückzahlen zum Engpass. Die Kombination aus großflächigem Detektor und separaten Drehachsen steigert den CT-Durchsatz erheblich, ohne höhere Durchstrahlungslängen oder zusätzliche Strahlenquellen zu erfordern.
Michael Salamon, Gruppenleiter Hochenergie-Röntgensysteme am Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT des Fraunhofer IIS
Der Begriff der Zeitenwende hat nicht nur eine politische Dimension. Auch die Wirtschaft befindet sich seit einigen Jahren in einer Phase fundamentaler Veränderungen. Dabei spielen fast immer disruptive Technologien und neue Marktteilnehmer eine wesentliche Rolle, die uns zwingen, unsere etablierten Produktionsweisen und Lösungen zu überdenken.
In der Vergangenheit führte die deutsche Industrie Disruptionen oft an, wie bei der Einführung von Leichtbauwerkstoffen im Automobilbau, die erst durch den Einsatz der Röntgentechnik in der Masse ermöglicht wurde. Zuvor konnten nur hochpreisige Anwendungen, zum Beispiel im Motorsport oder der Luftfahrt, von den Werkstoffen Aluminium und Magnesium profitieren, da zur Sicherstellung der Festigkeit ein teures Schmiedeverfahren zum Einsatz kommen musste. Erst durch den Nachweis der Fehlerfreiheit, etwa in Bezug auf Poren und Oxidnestern, in kritischen Bauteilregionen mittels Röntgenprüfung sanken die Produktionskosten von Leichtbauteilen hinreichend, um den Massenmarkt zu erschließen.
Disruption in der Wehrtechnik
Eine derzeit aufkeimende Disruption findet im wehrtechnischen Sektor statt. An der kürzlich im Irankonflikt deutlich gewordenen wirtschaftlichen Überlegenheit von massenhaft hergestellten Shahed-Drohnen gegenüber den klassischen Hochleistungsabwehrsystemen wie Patriot wurde zum ersten Mal deutlich, dass man die Strategie an die neuen Gegebenheiten anpassen muss, um mit den etablierten Produkten im Markt bestehen zu können. Neben der Einführung alternativer Waffensysteme spielt heute die Kapazitätssteigerung und Kostenreduktion bei den herkömmlichen Systemen eine wichtige Rolle. Bislang belief sich der Preis für eine entsprechende Abwehrrakete auf über 1,5 Mio. US-Dollar und eine Produktionskapazität von 100 Einheiten pro Jahr deckte die weltweite Nachfrage ab. Nun aber werden in wenigen Tagen ganze Jahreskapazitäten verbraucht und auf Flugobjekte geschossen, die einen Gegenwert von ca. 50.000 US-Dollar/Einheit haben und in tausendfacher Stückzahl produziert werden.
Ein wichtiger Bestandteil der Raketenproduktion ist die Qualitätskontrolle, mit der sichergestellt wird, dass der Flugkörper sicher gehandhabt und zielgenau gesteuert werden kann. Die hohen Qualitätsansprüche mögen zunächst übertrieben und unangemessen erscheinen, im Vergleich zu einer spartanisch aufgebauten Drohne, die wenn einmal in der Luft, schon irgendwo in der Nähe des Ziels einschlägt, sie sind aber die tragende Säule unserer Gesellschaft, in der das Leben nicht nur der bedienenden Soldaten, sondern auch von unschuldigen Dritten einen hohen Schutz genießt. Daher darf es bei der Qualität keine Kompromisse geben.
Bislang konnte die Qualität mit konventionellen Röntgen- und CT-Prüfsystemen im verhältnismäßig langsamen Produktionstakt sichergestellt werden. Bei einer künftigen Steigerung der Produktion durch Einführung weiterer Fertigungslinien müssen jedoch weitere Prüfkapazitäten, am besten redundant, aufgebaut werden, um die Prüfung im Produktionstakt absolvieren zu können. Dies führt nicht nur zu hohen Investitionskosten, sondern erhöht auch den Nutzungs- und Wartungsaufwand erheblich. Um den Herausforderungen der Zeit gerecht zu werden, müssen nicht nur die Fertigungsverfahren skaliert werden, sondern auch die nachfolgenden Prüfverfahren. Dazu muss die Radiographie beziehungsweise die Computertomographie besser an die Ansprüche eines hohen Durchsatzes adaptiert werden, indem die Technologie aus ihrer konventionellen Bauweise befreit wird.
Großflächige CT-Detektoren erhöhen den Durchsatz erheblich
Mit den kürzlich neu auf dem Markt der industriellen Röntgentechnik erschienenen Großflächendetektoren eröffnen sich neue Möglichkeiten, um bislang kaum adressierbare Anwendungen der Computertomographie zu realisieren. Mit einer bis zu dreifachen Bildbreite eines herkömmlichen 43 x 43 cm²-Detektorfelds können damit große Objekte ganz ohne zusätzliche Aufwände, wie der sogenannte Messkreiserweiterung, schnell analysiert werden. Aber auch für kompakte und sehr dichte Objekte sind die großflächigen Detektoren ein Gamechanger. Durch Erweiterung der CT-Anlage um weitere Drehachsen, die jeweils ein eigenes Objekt im Strahlkegel der Röntgenröhre rotieren und so die große zur Verfügung stehende Bildbreite voll ausfüllen, lässt sich der Durchsatz enorm steigern und die Kosten für eine Einzeluntersuchung können drastisch gesenkt werden. Besonders im Bereich der Rüstungs- und Wehrtechnik bietet das Verfahren einen echten Mehrwert, da die zur Untersuchung der zumeist hochabsorbierenden und länglichen Objekte wie Feststofftriebwerke und Gefechtsköpfe erforderliche hohe Röntgenenergie nur von sehr kostspieligen Strahlenquellen wie Linearbeschleunigern erzeugt werden kann. Daher ist eine Durchsatzsteigerung durch einfache Vervielfachung des gesamten Prüfsystems mit enormen Investitionen verbunden.
Gleiche Bildqualität bei fünffachem Durchsatz
Um dieser Problematik zu begegnen, wurde das auch unter dem Begriff Poly-CT bekannte Verfahren kürzlich an der Hochenergie-CT Anlage des Fraunhofer IIS, Bereich Entwicklungszentrum EZRT in Fürth, zum Einsatz gebracht und an repräsentativen Prüfobjekten getestet. Die Erprobung erfolgte mit einem Flächendetektor des Herstellers Deetee mit einer effektiven Bildgröße von 1.017 mm x 389 mm und einer Pixelmatrix von 7.270 x 2.780 Pixel. Als Strahlenquelle diente ein Silac-Linearbeschleuniger der Firma Siemens-Healthineers mit einer Röntgenenergie von 8,3 MeV. Die genutzte Rotationseinheit wies fünf Drehachsen mit einem Abstand von 160 mm je Drehmittelpunkt auf. Die Probekörper wurden an einen typischen Aufbau eines 155 mm Geschosses orientiert. Hierzu wurde Beton in ein Stahlrohr gefüllt und mit verschiedenen Referenzmarkern versehen.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen im Vergleich zu einem einzelnen Scan eine gleichwertige Bildqualität aller gemessenen Objekte bei fünffachem Durchsatz. Das Verfahren ermöglicht dabei nicht nur die Vielfachnutzung des Detektorfelds, sondern auch die Reduktion der Messzeit durch eine Minimierung der Projektionsanzahl. Während bei einem Scan mit mehreren Objekten auf einer Dreheinheit der überschattete Pixelbereich des Detektors mit der Anzahl der gleichzeitig gemessenen Objekte steigt und damit zu einer höheren Anzahl der Projektionswinkel führt, bleibt es hier für jedes Objekt bei einem minimalen Pixelbereich. Hinzu kommt, dass bei einer gleichzeitigen Anordnung mehrerer Objekte auf einem Drehtisch die Durchstrahlungslänge stark zunehmen würde, was einerseits negative Auswirkungen auf die Bildqualität hätte und anderseits zu einer höheren Leistungseinstellung der Röntgenquelle und damit kürzerer Lebensdauer führte.
Die Kombination aus großflächigen Detektoren und einem anwendungsoptimierten CT-Aufbau, wie hier am Beispiel des Poly-CT gezeigt, kann eine Schlüsseltechnologie sein, um an der jetzt stattfindenden sowie an zukünftiger Disruption auch in Europa und Deutschland partizipieren zu können.
