DE19817488A1

DE19817488A1 - Verfahren zur zersötrungsfreien Prüfung eines Körpers

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Publication number: DE19817488A1
Application number: DE19817488A
Authority: DE
Inventors: Michael Mathes; Andre Schievenbusch
Original assignee: Access eV
Current assignee: Access eV
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 1999-10-21

Abstract

Es wird ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Körpers, insbesondere eines Körpers, der wenigstens teilweise eine poröse Struktur aufweist, vorgeschlagen. Der Körper wird in einen Strahlengang eines fokussierten, elektromagnetischen Strahls mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als die Wellenlänge des Lichts, so angeordnet, daß der Strahl wenigstens eine Oberfläche des Körpers im Bereich der porösen Struktur abtastet. Eine Intensität wenigstens eines aus dem Körper austretenden Austrittsstrahls wird in örtlicher und zeitlicher Korrelation zu dem Eintrittsstrahl bestimmt und daraus ein dreidimensionales Volumenmodell des Körpers in dem bestrahlten Bereich abgeleitet.

Description

Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zerstö rungsfreien Prüfung eines Körpers.

Zur zerstörungsfreien Prüfung eines Körpers sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Das zur Prüfung herangezogene Verfahren ist im wesentlichen davon abhängig, welche Eigenschaften des Körpers geprüft werden sollen. Eine Prüfung der Oberfläche eines Körpers auf mögliche Risse kann durch sogenannte Magnetpulver-Verfahren erfolgen. Dieses Verfahren ist nicht nur darauf begrenzt, daß es lediglich Risse an der Oberfläche eines Körpers prüft, sondern auch darauf, daß lediglich ferromagnetische Werkstoffe mit einer Mindestleitfähigkeit geprüft werden können. Nicht ferromagnetische Werkstoffe können einer Oberflächenrißprüfung nach dem Magnetpulver- Verfahren nicht unterzogen werden. Für eine Tiefenuntersuchung eines Körpers ist dieses Verfahren nicht geeignet.

Desweiteren ist bekannt, daß eine zerstörungsfreie Prüfung eines Körpers mittels Ultraschallwellen erfolgen kann. Der apparative Aufwand zur Durch führung eines solchen Prüfverfahrens ist relativ groß. Die Ultraschallprüfung liefert auch nur begrenzt Ergebnisse, die einen unmittelbaren Rückschluß auf die tatsächliche Größe und Gestalt einer Fehlstelle innerhalb eines Körpers gestatten.

Weitere Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung sind beispielsweise magneti sche Streuflußprüfung, Eindringprüfung sowie die Prüfung nach dem Wirbel stromverfahren.

Problematisch bei den bekannten Prüfverfahren ist, daß diese bei einer Prüfung eines Körpers, der wenigstens eine poröse Struktur aufweist, keine befriedigenden Ergebnisse über die poröse Struktur liefern.

Es ist bekannt, daß mittels der sogenannten Mitkrotomographie die Mikro struktur eines Objektes bestimmt werden kann. Ein Gerät, mit dem eine Mikrotomographie durchführbar ist, ist unter der Bezeichnung skyscan 1072 der Firma Skyscan bekannt.

Bei einer porösen, metallischen Struktur kann es sich um eine solche Struk tur handeln, die netzartig ausgebildet ist. Eine solche Struktur enthält keine geschlossenen Poren, so daß diese Strukturen auch als offenporige Strukturen bezeichnet werden. Es sind auch poröse, metallische Strukturen bekannt, die geschlossene Poren enthalten. Mischungen offenporiger und geschlossenpori ger Strukturen sind ebenfalls möglich.

Eine zerstörungsfreie Prüfung derartiger metallischer Körper ist aufgrund der Ausbildung der porösen Struktur problematisch, da die Struktur einen erheb lichen Einfluß auf das Prüfergebnis hat. Insbesondere kann beispielsweise mittels Ultraschallprüfung keine einwandfreie Bestimmung der porösen Struktur des Körpers erreicht werden. Befindet sich die poröse Struktur vollständig im Körper, so daß die poröse Struktur innerhalb des Körpers eingeschlossen ist, so kann beispielsweise das zerstörungsfreie Magnetpulver- Prüfverfahren überhaupt nicht zur Anwendung kommen.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Zielsetzung zugrun de, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines metallischen Körpers, der wenigstens eine poröse Struktur aufweist, anzugeben, durch welches reproduzierbar der Aufbau der Struktur bestimmbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur zerstörungs freien Prüfung eines metallischen Körpers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines metallischen Körpers wird vorgeschlagen, daß der metallische Körper, der wenigstens eine poröse Struktur aufweist, in einen Strahlengang wenigstens eines fokussierten, elektromagnetischen Strahls, dem Eindringstrahl, mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als die Wellenlänge des Lichts, so angeordnet wird, daß der Strahl wenigstens eine Oberfläche des metallischen Körpers im Bereich der porösen Struktur abtastet. Der Strahl, der auf den metallischen Körper auftrifft, weist eine von der Strahlungsquelle abhängige Intensität auf. Beim Durchdringen des metallischen Körpers erfolgt eine Strahlungsabsorp tion. Der aus dem metallischen Körper austretende Strahl, der Austrittsstrahl, weist eine von dem Eindringstrahl, der in den metallischen Körper eindringt, verschiedene Intensität auf. Die Intensität des Austrittsstrahls ist geringer als die Intensität des in den metallischen Körper eindringenden Strahls. Die Differenz zwischen der Intensität des eintretenden Strahls und der Intensität des austretenden Strahls ist abhängig von einem Schwächungskoeffizienten sowie von der tatsächlichen Materialdicke, die der Strahl durchdringt. Der Schwächungskoeffizient ist eine werkstoffabhängige Größe.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Prüfung von metallischen Körpern geeignet, die wenigstens einen porösen Bereich aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem porösen Bereich um einen Metallschaum. Der poröse Bereich kann auch vollständig innerhalb des Körpers ausgebildet sein. Bei einer Prüfung des Körpers können auch die Übergänge zwischen einem massiv ausgebildeten Körperabschnitt und dem porösen Bereich von großem Interesse sein, da diese auch die Eigenschaften, insbesondere mechanischen Eigenschaften, des Körpers bestimmen. Insbesondere kann bei Kenntnis einer Struktur, die eine hohe Festigkeit aufweist, eine gezielte Ausbildung eines Körpers mit einer solchen Struktur angestrebt werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Intensität wenigstens eines aus dem metallischen Körper austretenden Austrittsstrahls örtlich und zeitlich in Korrelation zu dem Strahl bestimmt. Aus der Intensität des Austrittsstrahls und der Intensität des Eintrittsstrahls kann der Strukturaufbau des Körpers in dem bestrahlten Bereich abgeleitet werden. Das erfindungsgemäße Ver fahren ermöglicht eine zerstörungsfreie Prüfung eines metallischen Körpers, der wenigstens eine poröse, metallische Struktur aufweist. Dadurch, daß der Körper mit einem fokussierten, elektromagnetischen Strahl abgetastet wird, der den Körper durchdringt, wird eine reproduzierbare Prüfung ermöglicht, da der elektromagnetische Strahl beim Durchdringen des Körpers durch diesen hinsichtlich seiner Intensität verändert wird, so daß keine oder nur eine sehr geringe Streuung des Strahls eintritt. Auch dadurch, daß ein fokussierter Strahl zur Anwendung kommt, können definierte Bereiche des Körpers entsprechend abgetastet werden, so daß in Abhängigkeit von der Auflösung der Abtastung eine sehr genaue Bestimmung des Aufbaus der Struktur ermöglicht wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird vor geschlagen, daß der Austrittsstrahl mittels einer Detektoreinheit erfaßt wird. Die Detektoreinheit weist vorzugsweise ein Detektorfeld auf, wobei das Detektorfeld wenigstens zwei Detektoren aufweist. Ein jeder Detektor erzeugt beim Auftreffen des Austrittsstrahls ein, vorzugsweise elektrisches, Signal, das zu einer Auswerteeinrichtung übertragen wird. Der Detektor kann beispielsweise ein Detektor sein, der nach dem Prinzip der energiedispersi ven Elementanalyse arbeitet.

Einem jedem Signal werden vorzugsweise die Koordinaten des betreffenden Detektors und die Koordinaten des Eindringstrahls am Körper zugeordnet. Bei einem Detektorfeld, welches eine Vielzahl von Detektoren enthält, kann eine sehr genaue Bestimmung des Aufbaus der Struktur erreicht werden, wenn ein jeder Detektor relativ klein ausgebildet ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird vorge schlagen, daß aus den bestimmten Intensitäten und der Intensitätsverteilung über die Geometrie des Körpers ein im wesentlichen dreidimensionales Bild der porösen Struktur abgeleitet wird. Ein solches Bild ermöglicht eine visuelle Prüfung des Körpers.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird vorge schlagen, daß die bestimmten Intensitäten mit öden zugehörigen Koordinaten einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt werden, und durch die Datenverarbeitungseinrichtung eine Bildvorverarbeitung und Erzeu gung eines dreidimensionalen Volumenmodels des metallischen Körpers bzw. der poräsen Struktur erfolgt. Diese Verfahrensführung hat auch den Vorteil, daß der Aufbau der Struktur auch unter beliebigen Betrachtungswinkeln schnell und anschaulich darstellbar ist.

Um eine möglichst vollständige Prüfung des Körpers zu erreichen wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens vorgeschlagen, daß der Körper und/oder eine Strahlungsquelle, die den den Körper abtastenden Strahl erzeugt, so relativ zueinander bewegbar ist bzw. sind, daß der Strahl den Körper abtastet.

Bei relativ kleinen Körpern wird vorgeschlagen, daß die Strahlungsquelle und die entsprechenden Detektoren im wesentlichen ortsfest angeordnet sind. Bei relativ großen Körpern kann die Strahlungsquelle und die Detektoren be weglich ausgebildet sein.

Soll beispielsweise ein Körper mit relativ geringen Abmessungen geprüft werden, so wird vorgeschlagen, daß dieser auf einem verdrehbaren Tisch angeordnet wird, wobei der Tisch um vorgegebene Winkelabschnitte während des Prüfverfahrens verdreht wird. Hat der Tisch eine vollständige Umdre hung vollzogen, so daß der Körper sich um einen Winkel ≧ 180° um die Rotationsachse des Tisches gedreht hat, so wird der Tisch in einer im wesentlichen senkrecht zum Strahl verlaufenden Richtung verfahren, so daß eine nächste Ebene, die unterhalb oder oberhalb der bereits bestrahlten Ebene des Körpers bestrahlt wird. Auch in dieser neuen Ebene erfolgt eine Rotation des Tisches. Entsprechend der Verfahrbewegung des Tisches kann eine unterschiedliche Anzahl von Bestrahlungsebenen eingestellt werden.

Bevorzugt ist eine Ausbildung des Verfahrens, bei dem der Strahl den Körper kontinuierlich abtastet. Hierdurch wird eine sehr genaue Aussage über den Aufbau der Struktur erreicht. Alternativ kann der Strahl den Körper sukzessiv abtasten.

Nachdem der Aufbau der Struktur des Körpers bestimmt worden ist, wird vorgeschlagen, daß dieser ausgewertet wird. Insbesondere kann die Struktur des Körpers hinsichtlich der strukturellen, elektrischen, akustischen, chemi schen und mechanischen Eigenschaften der Struktur und des Körpers ausge wertet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auch die Mög lichkeit gegeben, den Körper weiteren Prüfungen zu unterziehen, wobei es sich bei einer der Prüfungen auch um eine Prüfung handeln kann, die zu einer Zerstörung des Körpers führt. Insbesondere ist es nunmehr möglich, beispielsweise Zug- oder Druckversuche mit einem Körper durchzuführen und das Ergebnisse dieser Zug- oder Druckversuche in Korrelation zum Aufbau der Struktur zu betrachten. Eine solche Möglichkeit war bisher nicht gegeben. Insbesondere können auch Körper unterschiedlicher Struktur mitein ander verglichen werden.

Die Bestrahlung des Körpers erfolgt vorzugsweise mittels Röntgenstrahlen. Alternativ kann die Bestrahlung des Körpers durch Gammastrahlen erfolgen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale des Verfahrens werden anhand der Darstellungen der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Körper mit einer porösen Struktur,

Fig. 2 schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung eines Körpers und

Fig. 3 eine Darstellung einer zerstörungsfreien Prüfung eines Körpers.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Körper 1. Der Körper 1 weist eine poröse Struktur 2 auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Körpers 1 ist die poröse Struktur 2 vollständig innerhalb des Körpers 1 ausgebildet. Sie ist quasi in dem Körper 1 eingeschlossen. Bei der porösen Struktur handelt es sich um eine netzartig ausgebildete Struktur mit offenen Poren. Andere, insbesondere geschlossenporige Strukturen sind möglich. Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des Körpers 1 stellt lediglich eine Ausfüh rungsform dar. Alternativ kann der Körper 1 vollständig durch eine poröse Struktur gebildet sein. Zwischenstadien sind ebenfalls möglich.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung eines Körpers 1. Der Körper 1, der wenig stens eine poröse Struktur aufweist, ist in einem Strahlengang eines fokus sierten, elektromagnetischen Strahls 4 angeordnet. Die Wellenlänge des elektromagnetischen Strahls 4 ist kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Insbesondere handelt es sich bei dem Strahl 4 um einen Röntgenstrahl. Der Strahl 4 wird in einer Strahlungsquelle 3 erzeugt.

Mit dem Strahl 4 wird eine Oberfläche des Körpers 1 wenigstens im Bereich der porösen Struktur abgetastet. Der den Körper 1 verlassende Austrittsstrahl 5 trifft auf einen Detektor 3, der ein Teil eines Detektorfeldes 7 ist.

Die Detektoren 8 bilden einen Teil einer Detektoreinheit 16. Die Detektor einheit 16 liefert ein Signal an eine Auswerteeinrichtung 9. Das Signal der Detektoreinheit 16 enthält eine Aussage über die Intensität des Austritts strahls 5. Dem Signal werden auch die Koordinaten des Strahls 4 auf dem Körper 1 zugeordnet.

In der Auswerteeinrichtung 9 werden die gemessenen Austrittsstrahlen 5 im Vergleich zu dem Strahl 4 ausgewertet. Die Auswerteeinrichtung 9 ist mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 10 verbunden, die mittels eines geeigne ten Programms ein visualisierbares Bild, insbesondere ein dreidimensionales Volumenmodell, des Strukturaufbaus ermittelt. Das Bild des Strukturaufbaus kann mittels eines Bildschirms 11, der mit der Datenverarbeitungseinrichtung verbunden ist, dargestellt werden.

Der Körper 1 ist auf einem Tisch 13 angeordnet. Der Tisch 13 ist mit einer Antriebseinheit 15 verbunden. Durch die Antriebseinheit 15 ist der Tisch 13 und somit auch der Körper 1 um eine Achse 14, die im wesentli chen senkrecht zum Strahl 4 verläuft, verdrehbar. Während der Prüfung des Körpers 1 wird dieser um die Achse 14 verdreht, vorzugsweise über einen Winkelbereich von ≧ 180°, so daß in Umfangsrichtung des Körpers be trachtet dieser vollständig durch den Strahl 4 abgetastet wird. Unter Um ständen ist es ausreichend, wenn der Körper 1 über einen Winkelbereich von 180° verdreht wird. Der Tisch 13 ist über die Antriebseinheit 15 auch in Richtung der Achse 14 verfahrbar, so daß in Richtung der Achse 14 der Körper 1 von dem Strahl 4 abgetastet wird.

Die jeweilige Stellung des Körpers 14 wird in der Auswerteeinrichtung 9 übermittelt.

Der Körper 1 kann durch den Strahl 4 zunächst in Umfangsrichtung des Körpers 1 abgetastet werden. Nach einer vollständigen Abtastung in Um fangsrichtung wird der Körper 1 in axialer Richtung verfahren, so daß der Körper 1 in einer nächsten Abtastebene in Umfangsrichtung abgetastet werden kann. Hierdurch wird eine Vielzahl von Daten in der jeweiligen Abtastebene ermittelt, die zur Auswertung herangezogen werden und als Grundlage für die Erstellung eines 3D-Strukturmodells dienen.

Bei energiereichen Strahlen ist es vorteilhaft, wenn die Prüfung des Körpers in einer Vakuumkammer 12 stattfindet, so daß eine Ionisierung von Luft durch den Strahl 4 nicht eintritt, so daß fehlerhafte Messungen vermieden werden.

Fig. 3 zeigt eine Abbildung eines Körpers, bei dem es sich um einen Metallschaum handelt. Aus der Abbildung ist erkennbar, daß es sich bei dem Metallschaum um einen offenporigen Metallschaum handelt. Der Körper ist im wesentlichen netzartig ausgebildet.

Bezugszeichenliste

1

Körper

2

Struktur

3

Strahlungsquelle

4

Strahl

5

Austrittsstrahl

7

Detektorfeld

8

Detektor

9

Auswerteeinrichtung

10

elektronische Datenverarbeitungsanlage

11

Bildschirm

12

Kammer

13

Tisch

14

Achse

15

Antriebseinheit

16

Detektoreinheit

Claims

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Körpers (1), bei dem ein metallischer Körper (1), der wenigstens eine poröse Struktur (2) auf weist, die durch einen Metallschaum gebildet ist, in einen Strahlengang wenigstens eines fokussierten, elektromagnetischen Strahls (4) mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als die Wellenlänge des Lichts, so angeord net wird, daß der Strahl (4) wenigstens eine Oberfläche des metalli schen Körpers (1) im Bereich der porösen Struktur (2) abtastet, und eine Intensität wenigstens eines aus dem metallischen Körper (1) aus tretenden Austrittsstrahles (5) örtlich und zeitlich in Korrelation zu dem Strahl (4) bestimmt und daraus ein Aufbau wenigstens der Struktur (2) des metallischen Körpers (1) in dem bestrahlten Bereich abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Austrittsstrahl (5) mittels einer Detektoreinheit (16) erfaßt wird, die insbesondere ein Detektorfeld (7) hat, das wenigstens zwei Detektoren (8) aufweist, wobei die Detektoreinheit (16) beim Auftreffen des Ausstrittsstrahl (5) ein, vor zugsweise elektrisches, Signal erzeugt, das zur einer Auswerteeinrichtung (9) übertragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem einem jeden Signal die Koor dinaten des betreffenden Detektors (8) und die Koordinaten des Strahls (4) zugeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem aus den bestimmten Intensitäten ein im wesentlichen dreidimensionales Bild des Aufbaus der Struktur (2) des Körpers (1) abgeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Intensitäten mit den zugehöri gen Koordinaten einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung (10) übermittelt werden, und die Datenverarbeitungseinrichtung mittels eines geeigneten Programmes ein visualisierbares Bild des Strukturaufbaus ermittelt, insbesondere ein dreidimensionales Volumenmodell abgeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Körper (1) und/oder eine Strahlungsquelle (3), die den den Körper (1) abtastenden Strahl (4) erzeugt, so relativ zueinander bewegbar ist bzw. sind, das der Strahl (4) vorgegebene Abschnitte des Körpers (1) abtastet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Strahl (4) den Körper (1) kontinuierlich abtastet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Strahl (4) den Körper (1) sukzessiv abtastet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Strahl (4) den Körper (1) entsprechend vorgegebenen örtlichen Abständen abtastet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Struktur (2) des Körpers (1) ausgewertet wird, insbesondere hinsichtlich der chemi schen Zusammensetzung, elektrischen, akustischen und mechanischen Eigenschaften der Struktur und des Körpers.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem eine Struktur (2) eines porösen Bereiches bestimmt wird, die im wesentlichen, vor zugsweise vollständig, innerhalb des Körpers (1) ausgebildet ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Strahl (4) eine Röntgenstrahl ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Strahl (4) ein Gammastrahl ist.