Der dynamische Blick ins Innere

Optische Zeitlupenaufnahmen vermitteln Einblicke in dynamische Prozesse. Doch sind die Erkenntnisse daraus auf sichtbare Vorgänge begrenzt. Was sich im Inneren während des Prozesses ereignet, bleibt unklar. Mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Röntgendetektoren lässt sich auch dies sichtbar machen. Völlig neue Möglichkeiten zur Analyse dynamischer Vorgänge bietet die synchrone und perspektivgleiche Kombination aus optischer Hochgeschwindig-keitsaufnahme und Röntgenaufnahme des Fraunhofer-Entwicklungszentrums Röntgentechnik EZRT.

 

Mit einem lauten Knall fährt ein Auto gegen einen in Signalfarben umhüllten Poller. Das Plastik der Stoßstange splittert ab und die Karosserie verformt sich fast schon elegant um das Hindernis herum – exakt dieses Materialverhalten hatten die Konstrukteurinnen und Konstrukteure des Fahrzeugs vorausgeplant. Ein akribisch vorbereiteter Crashtest wie dieser soll Aufschluss über die Richtigkeit der Planung und die Sicherheit des Fahrzeugs geben. Beweisen, dass alle zuvor angestellten Berechnungen und Simulationen zutreffend waren.

Die Verformung des Wagens wird hierbei von optischen Hochgeschwindigkeitskameras genauestens aufgezeichnet. Bild für Bild können die Fachleute auf diese Weise nachvollziehen, wie sich Berechnungen und Versuch gleichen. Mit einem Ziel: Das umgebende Material soll sich genau nach Plan verformen, um den potenziellen Insassen bestmöglichen Schutz zu bieten.

Doch was genau geschieht im Moment des Aufpralls im Inneren des Fahrzeuges? Wie verändern sich die lastaufnehmenden Strukturen? Werden die Kräfte wie geplant auf die verschiedenen Bauteile weitergeleitet und verteilt? Fragen, die Ingenieure und Ingenieurinnen brennend interessieren. In Zusammenarbeit mit Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI wird in dem Fraunhofer-internen Forschungsprojekt »MAVO fastX-crash« an Grundlagen gearbeitet, um Fragestellungen wie diese beantworten zu können.

XEye: Ein Blick ins Innere mit mehr als 1000 Bildern pro Sekunde

Eine wesentliche Schlüsselkomponente ist der Röntgendetektor. Gemeinsam mit der Röntgenquelle ist dieser für die Bildqualität der Röntgenaufnahmen verantwortlich. Die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Entwicklungszentrums Röntgentechnik EZRT haben eine Technologie entwickelt, mit der, je nach Energie der Röntgenquelle, nahezu beliebig große und dennoch hochaufgelöste Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen mit bis zu 6000 Bildern pro Sekunde und Pixelgrößen ab 200 µm erstellt werden können. Wenn es nicht ganz so schnell gehen muss, auch ab 45 µm Pixelgröße für noch mehr Details. Schlüssel hierfür ist die am EZRT entwickelte und patentierte XEye-Technologie. Röntgendetektoren mit beispielsweise 1,2 m × 0,8 m Abbildungsfläche und gleichzeitig 400 µm Pixelgröße lassen sich hiermit realisieren. Die Empfindlichkeit dieser Detektoren wurde so weit gesteigert, dass schon mit üblichen industriellen Standard-Röntgenquellen bei 1000 Bildern pro Sekunde eine Bildqualität erzielt wird, welche, abhängig vom zu durchstrahlenden Objekt, eine Analyse der inneren Prozesse ermöglicht. Wo bislang aufwendig Knetmasse als Indikator eingebracht wurde, um zu analysieren, wie weit sich ein Bauteil dynamisch verformt oder bewegt, wird nun ein Röntgenfilm erstellt, um den Prozess schneller, zuverlässiger und detailreicher nachzuvollziehen.

Durch zusätzlichen Einsatz des Detektors VEye vor der Röntgenröhre lassen sich optische Hochgeschwindigkeitsaufnahmen aus der Perspektive des XEye-Röntgendetektors erstellen. Das verstärkt das Verständnis für die innen liegenden Strukturen.

 

»Insbesondere für die Vorentwicklung von neuen Produkten sind die Ergebnisse vielversprechend und liefern wertvolle Erkenntnisse.«

Dr. Norman Uhlmann, Bereichsleiter EZRT

 

Mehrwert für die Produktentwicklung

Einen der ersten Praxiseinsätze hatte diese Technologie in Zusammenarbeit mit dem Fürther Sportartikelhersteller UVEX Sports. Bei Sturzversuchen mit einem künstlichen Schädel musste das Material des Fahrradhelms unter Beweis stellen, dass es sich wie von den Konstrukteurinnen und Konstrukteuren erwartet verhält, um im Ernstfall Trägerin und Träger bestmöglichen Schutz zu bieten.

Zahlreiche Branchen profitieren

Neben den Versagens- und Verformungsanalysen eignet sich das Verfahren auch für die Beobachtung von Strömungs- oder Mischprozessen. Wie soll sich etwa das heiße Wasser im Siebträger einer Espressomaschine ideal verteilen, um den optimalen Kaffeegenuss zu erzielen? Für derartige Fragestellungen kann die Technologie auch mit der Computertomographie kombiniert werden, um ein zeitlich veränderliches Volumen zu erhalten. Mit dieser, auch 4D-CT genannten Methode, lassen sich Volumenänderungen sekundenweise erfassen und so lässt sich auch die Durchflutung des Kaffeepulvers dreidimensional sichtbar machen. Ein 4D-CT-Demonstrator zur Beantwortung dieser und weiterer spannender Fragestellungen entsteht gerade in den Laboren des EZRT und vielleicht wird es auch irgendwann einmal möglich sein, einen Pkw-Crashtest in 4D aufzunehmen. 

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