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Die
Erfindung betrifft einen Rotor und ein Herstellverfahren für einen
Rotor einer Gantry eines Computertomographiegerätes.
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Computertomographiegeräte ermöglichen die
Rekonstruktion von dreidimensionalen Schicht- oder Volumenbildern
eines Untersuchungsbereiches für
diagnostische Zwecke. Die Rekonstruktion eines Bildes erfolgt dabei
auf der Grundlage von Projektionen, die von dem Untersuchungsbereich
aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen durch Rotation einer
Aufnahmevorrichtung gewonnen werden, so dass zur Rekonstruktion
eines Bildes Messdaten für Parallelprojektionen
aus einem Winkelbereich von mindestens 180 Grad plus Fächerwinkel
vorliegen. Zur Realisierung der Rotation der Aufnahmevorrichtung
weist das Computertomographiegerät
eine Gantry auf, welche einen stationären Drehrahmen und einen über eine
Drehlagervorrichtung rotierbar angeordneten Rotor umfasst, auf welchem
die Aufnahmevorrichtung gehaltert ist. Der Rotor wird bislang als Gussteil
aus einer Aluminiumlegierung AlZn10SiMg hergestellt und weist eine
Rotorwand in Form einer Ringscheibe und einen an dessen Außenumfang
umlaufenden Halterungsring zur Halterung der Komponenten der Aufnahmevorrichtung
auf. Die Wandstärken
des Rotors variieren zwischen 15 und 20 mm.
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Zur
Vermeidung von Bewegungsartefakten in dem rekonstruierten Bild,
die aufgrund von Patienten- oder Organbewegungen entstehen können, ist man
bestrebt, das Zeitfenster zur Erfassung der zur Rekonstruktion benötigten Projektionen
durch Wahl von hohen Rotationsgeschwindigkeiten so klein wie möglich zu
wählen.
Bei den aktuellen Computertomographiegeräten werden Drehzahlen von 210 U/min
erreicht. In Zukunft sollen die Drehzahlen jedoch auf mindestens
300 U/min angehoben werden.
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Durch
Kombination von hoher Drehzahl, großem Rotationsradius und hoher
Rotationsmasse stellt der Rotor ein mechanisch hochbelastetes Bauteil
dar, das neben der Aufnahme der auftretenden Spannungen auch die
Einhaltung der Positionen von Röntgenröhren und
Detektor garantieren muss, da Positionsverschiebungen der Komponenten
von über 0,15
mm bereits zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Bildqualität führen können.
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Wesentliche
Hauptanforderungen an den Rotor einer Gantry sind demnach nicht
nur eine hohe Festigkeit zur Übertragung
der Kräfte,
sondern auch eine hohe Steifigkeit, um Verformungen des Rotors und
somit die Positionsverschiebungen der Komponenten der Aufnahmevorrichtung
unterhalb der zulässigen
Grenzen zu halten und ein möglichst
geringes Gewicht.
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Zur
Realisierung von Drehzahlen von 300 U/min und mehr wäre ein zusätzliches
Aufdicken der bestehenden Konstruktion unter Beibehaltung des Werkstoffes
notwendig. Die Folge wäre
eine Gewichtszunahme des Rotors. Dadurch müssten auch Bauteile zum Antrieb
des Rotors und der stationäre Teil
der Gantry den größeren Gewichtskräften angepasst
werden. Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass es zu einer empfindlichen
Gewichts- und Volumenzunahme der gesamten Gantry kommt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Rotor einer Gantry
eines Computertomographiegerätes
so auszugestalten, dass der Rotor auch bei hohen Rotordrehzahlen,
insbesondere bei Rotordrehzahlen von 300 U/min und mehr, ohne Qualitätsverlust
bei der Erzeugung von Schicht- oder Volumenbildern betreibbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es außerdem,
ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rotors anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Rotor gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Rotors sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis
10. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Computertomographiegerät mit einem
solchen Rotor gemäß den Merkmalen des
unabhängigen
Anspruchs 11 gelöst.
Außerdem wird
die Aufgabe durch ein Herstellverfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Herstellverfahrens sind Gegenstand
der Unteransprüche
13 und 14.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass der Rotor während der Rotation lokal sehr
unterschiedlich stark beansprucht wird, so dass bereits eine lokal
sehr begrenzte Verstärkung
des Rotors zu einer erheblichen Steigerung der Steifigkeit und Festigkeit
der gesamten Struktur beiträgt.
So können
beispielsweise diejenigen Bereiche des Rotors partiell verstärkt werden, in
denen hohe Spannungswerte durch Diskontinuitäten der Rotorkontur oder durch
eine Halterung von Komponenten einer Aufnahmevorrichtung eines Computertomographiegerätes entstehen.
Eine Verstärkung
kann dabei mittels eines Verbundwerkstoffes erfolgen, bei dem die
Matrix über
ein in die Matrix eingebrachtes Verstärkungsmaterial zusätzlich mechanisch
stabilisiert ist. Die Erfinder haben weiter erkannt, dass eine lokale
Verstärkung
des Rotors dann besonders einfach realisierbar ist, wenn der Verbundwerkstoff
als Formkörper
vorgeformt ist.
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Entsprechend
ist der erfindungsgemäße Rotor
für eine
Gantry eines Computertomographiegerätes zumindest abschnittsweise
mit aus einem Verbundwerkstoff hergestellten Formkörpern lokal
verstärkt.
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Durch
die Integration von Formkörpern
ist es möglich,
eine sehr wirkungsvoll lokale Verstärkung des Rotors zu realisieren,
da die Formkörper
in separaten Verarbeitungsschritten unter den Bedingungen herstellbar
sind, nach denen der Verbundwerkstoff eine extreme Reinheit, eine
homogene Verteilung und Ausrichtung des Verstärkungsmaterials, eine homogene
Binderverteilung und einen niedrigen Bindergehalt aufweist.
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Vorzugsweise
sind die Formkörper
im Wesentlichen hohl ausgestaltet und weisen Infiltrationsöffnungen
auf. Dadurch ist ei ne optimale Durchsetzung des Formkörpers mit
dem Basismaterial, aus dem der Rotor hergestellt wird, und somit
eine optimale Integration des Formkörpers in den Rotor gewährleistet.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Verbundwerkstoff
ein Verstärkungsmaterial
in Form von Kurzfasern und/oder Langfasern auf. Da Fasern Kräfte insbesondere
entlang ihrer Ausrichtung aufnehmen können, bietet sich dieses Verstärkungsmaterial
in den Situationen an, in denen Kräfte im Wesentlichen unidirektional
wirken.
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Vorzugsweise
sind die Fasern aus Kohlenstofffasern hergestellt. Kohlenstofffasern
verfügen über ein
geringes Gewicht, sind einfach herstellbar, hoch belastbar und können in
einfacher Form zu zwei- oder dreidimensionalen Textilen weiterverarbeitet
werden. Durch Textiltechniken wie beispielsweise Weben oder Spinnen
sind auch komplexe Fasernanordnungen realisierbar, die dem Verlauf
von Kräftepfaden
bei nicht isotroper Beanspruchung Rechnung tragen. Es wäre selbstverständlich ebenso
denkbar andere Fasern, beispielsweise Aramidfasern, anstelle oder
in Kombination mit Kohlenstofffasern zu verwenden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Verbundwerkstoff ein Verstärkungsmaterial
in Form von Partikeln auf. Partikel als Verstärkungsmaterial bieten sich
insbesondere dann an, wenn die bei Rotation des Rotors lokal entstehenden
Kräfte
keine Vorzugsrichtung besitzen.
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Die
Partikel sind vorzugsweise aus Siliziumkarbid oder aus einer Metalllegierung,
insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt. Eine optimale
Verstärkung
wird dann erzielt, wenn der Volumenanteil der Partikel zwischen
10% und 20% liegt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verfügt der Verbundwerkstoff über eine
Metallmatrix, insbesondere über
eine Matrix aus einer Aluminiumlegierung.
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Alternativ
dazu kann der Verbundwerkstoff vorteilhaft eine Polymermatrix, insbesondere
eine Epoxymatrix, aufweisen. Die Aushärtung des Harzes erfolgt durch
Zugabe eines Härters
in wenigen Minuten bzw. Stunden, so dass durch den Einsatz von Epoxyharz
auch die Herstellungszeit in einem erheblichen Maße herabgesetzt
wird.
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Die
Formkörper
sind vorzugsweise im Wesentlichen entlang von bei Rotation des Rotors
entstehenden Kräftepfaden
ausgerichtet. Insbesondere Bereiche des Rotors, in denen Kräfte mit
einer Vorzugsrichtung vorliegen, können durch die eingebrachten
Formkörper
besonders gut stabilisiert werden. Räumliche Kräftepfade und die mit den Pfaden verbundene
Ausrichtung der Formkörper
können
experimentell oder unter Einsatz entsprechender mathematischer Modelle
numerisch in Form einer Simulation ermittelt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Formkörper in
Abhängigkeit
ihrer Position im Rotor Aussparungen zur Einbringung von Halterungsbohrungen
auf. Auf diese weise kann gewährleistet
werden, dass eine spanende Bearbeitung des Rotors zu keiner Beschädigung des
Verbundwerksstoffes und somit zu einer Destabilisierung der Rotorstruktur
führt.
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Das
Herstellverfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rotors
umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- a)
Die Formkörper
werden in ein Werkzeug eingelegt.
- b) Anschließend
wird die Matrix des Verbundwerkstoffes über zumindest eine Öffnung in
das Werkzeug injiziert, wobei über
zumindest eine weitere Öffnung
in dem Werkzeug entlüftet
wird und wobei der Injektionsdruck so gewählt wird, dass die Formkörper über die
Infiltrationsöffnungen
von der Matrix durchströmt
werden.
- c) Im Anschluss erfolgt eine Aushärtung durch Aufheizen des Verbundwerkstoffes.
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Dabei
wird das Aufheizen vorzugsweise wahlweise mittels einer in dem Werkzeug
integrierten Heizung durchgeführt.
Es wäre
ebenso denkbar, dass zum Aufheizen eine Mikrowellentechnologie vorteilhaft
eingesetzt wird, mit welcher die Matrix unmittelbar durch elektromagnetische
Strahlung erwärmt
wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen sind
in den folgenden schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 in
einer ersten perspektivischen Ansicht einen Rotor für eine Gantry
eines Computertomographiegerätes
mit Komponenten einer Aufnahmevorrichtung,
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2 in
einer zweiten perspektivischen Ansicht der Rotor für eine Gantry
eines Computertomographiegerätes
mit Komponenten einer Aufnahmevorrichtung,
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3 in
perspektivischer Ansicht einen Rotor, welcher lokal aus mit einem
Verbundwerkstoff hergestellte Formkörper aufweist,
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4 in
perspektivischer Teilansicht den Rotor aus 2 mit einem
Schnitt durch eine von einer Rippe aufgespannten Ebene und
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5 in
blockschaltartiger Darstellung Verfahrensschritte zur Herstellung
des in 3 gezeigten Rotors.
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In 1 und 2 ist
in zwei unterschiedlichen perspektivischen Sichten ein Rotor 1 für eine Gantry
eines Computertomographiegeräts
gezeigt. Der Rotor 1 weist eine Rotorwand in Form einer
Ringscheibe 6 und einen an dessen Außenumfang umlaufenden Halterungsring 7 zur
Halterung von Komponenten einer Aufnahmevorrichtung auf. Die Aufnahmevorrichtung
umfasst im Wesentlichen einen Röntgenstrahler
in Form einer Röntgenröhre 8 und
einen dem Strahler gegenüber
liegend angeordneten Detektor 9. Die Ringscheibe 6 weist
darüber
hinaus an dessen Innenumfang Komponenten einer Drehlagervorrichtung 10 auf,
die mit entsprechend angeordneten Komponenten einer Drehlagervorrichtung 10 auf einem
stationären
Teil der Gantry so zusammenwirken, dass der Rotor 1 drehbar
gelagert ist. Die Rotationsgeschwindigkeiten des Rotors 1 betragen
derzeit ca. 210 U/Min. und werden zukünftig auf mindestens 300 U/Min.
gesteigert. Durch die Kombination von hoher Drehzahl, großem Rotationsradius
und hoher Rotationsmasse der auf dem Halterungsring 7 angeordneten
Komponenten stellt der Rotor 1 ein hoch belastetes Bauteil
dar. Der Rotor 1 muss dabei nicht nur über eine hohe Festigkeit zur
Aufnahme der bei einer Rotationsbewegung des Rotors 1 auftretenden
Spannungen verfügen.
Es muss zusätzlich
gewährleistet
werden, dass sich die Positionen der Röntgenröhre 8 und Detektor 9 in
Bezug zur Scanebene nicht wesentlich ändern. Bereits ab einer Positionsverschiebung
von über
0,15 mm würde
es nämlich
zu einer Beeinträchtigung
der Bildqualität
kommen, da die bei der Rekonstruktion eines Bildes zugrunde gelegten
Projektionsbedingungen nicht eingehalten werden.
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Diskontinuitäten der
Rotorkontur und Punktverbindungen zur Halterung von Komponenten
der Aufnahmevorrichtung des Computertomographiegeräts führen dazu,
dass der Rotor 1 während
der Rotation lokal sehr unterschiedlich stark beansprucht wird.
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In 3 ist
in einer perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßer Rotor 1 gezeigt.
Zur Aufnahme der in kleinen Bereichen des Rotors 1 auftretenden
sehr hohen Spannungswerte ist der Rotor 1 gezielt mit aus
einem in 4 gezeigten Verbundwerkstoff 3 hergestellten
Formkörpern 2 lokal
verstärkt.
In der 3 sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur zwei Formkörper 2 mit
einem Bezugszeichen versehen. Die als Rotorwand ausgebildete Ringscheibe 6 und
der an dessen Außenumfang
umlaufende Halterungsring 7 zur Halterung der Komponenten
der Aufnahmevorrichtungen sind partiell durch Formkörper 2 verstärkt. Die
Formkörper 2 haben
in diesem Aus führungsbeispiel
eine balkenförmige
Gestalt. In dem Übergangsbereich
zwischen dem Halterungsring 7 und de Ringscheibe 6 liegt
eine Diskontinuität
der Rotorkontur vor, welche bei Rotation des Rotors 1 mit lokal
vorliegenden hohen Spannungswerten verbunden ist. Genau in diesem
Bereich 11 ist beispielsweise, so wie in 3 gezeigt,
die Rotorstruktur mittels von Formkörpern 2 lokal verstärkt. Auch
die zwischen der Ringscheibe 6 und dem Halterungsring 7 angeordneten
Rippen 12, die eine Versteifung der Rotation bewirken,
sind mit solchen Formkörpern 2 zur
gezielten Aufnahme von bei Rotation entstehenden Zugspannungen versehen.
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Die 4 zeigt
eine Teilansicht des in 3 gezeigten Rotors 1 mit
einem Schnitt durch die mit den Geraden I und II aufgespannte Ebene.
Dabei ist ein Teilstück
eines Formkörpers 2 in
vergrößerter Form
schematisch dargestellt. Der zur Herstellung der Formkörper 2 verwendete
Verbundwerkstoff 3 weist Fasern 4, in diesem Ausführungsbeispiel
Kurzfasern auf, welche beispielsweise aus Siliziumkarbid (SiC) oder
Aluminiumoxid (Al2O3)
hergestellt sind. Bei diesen Fasern 4 handelt es sich um
Keramikfasern, die eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit und eine geringe Reaktionsfähigkeit
mit Metallen aufweisen. Aus diesem Grund eignen sich diese Fasern 4 insbesondere
zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, welcher eine Metallmatrix
aufweist. Darüber
hinaus zeichnen sich diese Fasern 4 dadurch aus, dass eine kostengünstige Herstellung
und eine gute Weiterverarbeitung möglich sind. Sie besitzen darüber hinaus eine
geringe thermische Ausdehnung und eine geringe thermische und elektrische
Leitfähigkeit.
Aufgrund dieser vorteilhaften Materialeigenschaften eignen sich
diese Fasern insbesondere zur Verstärkung eines Rotors 1.
Als Metallmatrix kann vorteilhaft eine Metalllegierung, insbesondere
eine Aluminiumlegierung, eingesetzt werden.
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Eine
mögliche
Herstellung der Formkörper 2 umfasst
im Wesentlichen folgende Verfahrensschritte: Die Fasern 4 werden
zunächst
in Wasser dispergiert. Üblicherweise
werden 10 g bis 40 g auf einen Liter gegeben. Durch Zugabe von Kieselsol (SiO2) werden die Fasern 4 stabilisiert,
indem sie eine dünne
Hydrathülle
ausbilden. Eine Anlagerung von Kieselsol wird dabei verhindert.
Anschließend
wird eine zweite Binderkomponente der Suspension hinzugefügt. Die
zweite Binderkomponente stellt dabei eine kationische Stärkelösung dar,
welche unter anderem zu einer Auflockerung der Feststoffe führt. Die
Formgebung des Formkörpers 2 erfolgt
anschließend
mittels eines Vakuum-Pressverfahrens. Hierbei wird die Suspension
in eine Form mit porösem
Boden gefüllt. Durch
das Verpressen richten sich die Fasern zwischen Pressstempel und
Formboden aus. Abschließend
wird der Formkörper
zur Aushärtung
erhitzt.
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Neben
Fasern 4 können
als Verstärkungsmaterial
auch Partikel eingesetzt werden. Die Partikel sind vorzugsweise
aus Siliciumkarbid oder einer Metalllegierung, insbesondere einer
Aluminiumlegierung, hergestellt. Partikel als Verstärkungsmaterial eignen
sich insbesondere dann, wenn keine Vorzugsrichtung der bei Rotation
des Rotors 1 entstehenden Kräfte vorherrscht. Formkörper 2 mit
einem Verbundwerkstoff 3, der durch Partikel verstärkt ist, werden
nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt. Während beim
großflächigen Vergießen von
partikelversetzten Schmelzen ein Partikelgehalt von 20% nicht überschritten
werden sollte, kann dieser 50% und mehr in einem Formkörper 2 betragen. Dadurch
wird eine besonders hohe Stabilität des Verbundwerkstoffs 3 und
somit des lokal verstärkten
Bereichs des Rotors 1 erzielt.
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Es
wäre ebenso
denkbar, als Verstärkungsmaterial
für einen
Verbundwerkstoff 3 ein Gemisch aus Partikeln und Fasern 4 zu
verwenden. In diesem Fall spricht man von einem sogenannten Hybridformkörper. Hierdurch
können
Verstärkungseigenschaften
realisiert werden, die zwischen denen der reinen Faser- und denen
der reinen Partikelverstärkung
liegen.
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Anstelle
eines Verbundwerkstoffes 3 mit einer Metallmatrix kann
selbstverständlich
auch ein Verbundwerkstoff 3 mit einer Polymermatrix, beispielsweise
mit einer Epoxymatrix, verwen det werden. Als Verstärkungsmaterial
würden
sich in diesem Fall Fasern 4 aus Kohlenstoff eignen.
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Eine
weitere vorteilhafte Herstellung des Rotors 1 mit den zuvor
beschriebenen Formkörpern 2 umfasst
im Wesentlichen folgende, in 5 gezeigte Verfahrensschritte:
Erster Verfahrensschritt 13: Die Formkörper 2 werden zunächst in
ein Werkzeug zum Ausgießen
des Rotors 1 eingelegt. Die Formkörper 2 werden dabei
in dem Werkzeug so angeordnet, dass sie im Wesentlichen entlang
von bei Rotation des Rotors 1 entstehenden Kräftepfaden
ausgerichtet sind. Zweiter Verfahrensschritt 14: Anschließend wird
die Matrix des Verbundwerkstoffs 3 über zumindest eine Öffnung in
das Werkzeug injiziert. Über
eine zumindest weitere Öffnung
in dem Werkzeug findet die Entlüftung
statt. Der Injektionsdruck wird dabei so gewählt, dass die Formkörper 2 über die
vorgesehenen Infiltrationsöffnungen
von der Matrix durchströmt werden.
Dritter Verfahrensschritt 15: Abschließend erfolgt die Aushärtung durch
Aufheizen des Verbundwerkstoffs 3. Das Aufheizen wird dabei
wahlweise entweder durch eine in dem Werkzeug integrierte Heizung
oder mittels Einsatz von Mikrowellentechnologie durchgeführt.
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Zusammenfassend
kann Folgendes gesagt werden:
Die Erfindung betrifft einen
Rotor 1 für
eine Gantry eines Computertomographiegerätes sowie ein Herstellverfahren
für einen
solchen Rotor 1. Der erfindungsgemäße Rotor 1 weist zur
lokalen Verstärkung zumindest
abschnittsweise mit aus einem Verbundwerkstoff 3 hergestellte
Formkörper 2 auf.
Durch Integration von Formkörpern 2 mit
hoher Festigkeit und Steifigkeit kann der Rotor 1 gezielt
in den Bereichen stabilisiert werden, in denen bei Rotation des
Rotors 1 hohe Spannungswerte vorliegen.