Hochauflösender Computertomograph (Nano-CT) mit Durchflusszelle
Final Report Abstract
Der Computertomograph wird am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik (MVTAT) sowohl im Bereich der mechanischen Verfahrenstechnik als auch in anderen ingenieurtechnischen Disziplinen eingesetzt. Hierunter fallen Fragestellungen aus der Zerkleinerung, Trennung und Charakterisierung mineralischer Rohstoffe, Charakterisierung von porösen Haufwerkstrukturen wie Filterkuchen und Schüttgut, Filtrationsprozesse und die Partikelcharakterisierung im Allgemeinen. Darüber hinaus ist der Bereich der Bauteil- und Materialprüfung von großem Interesse. Die Charakterisierung von Gesteins-/Erzpartikeln ist besonders für die Bewertung und Optimierung von Aufbereitungsprozessen von Bedeutung. Stand der Technik ist es, die relevanten Informationen 2-dimensional beispielsweise über SEM-EDS zu ermitteln. Aktuell wird versucht, diese niederdimensionale Analytik mithilfe von CT auf eine 3-dimensionale Analytik zu erweitern. Diesem Thema widmet sich eine Kooperation des Instituts MVTAT mit dem Institut für Stochastik der Universität Ulm. Im Rahmen einer ersten Veröffentlichung wurden hochaufgelöste Tomogramme mit Daten aus der SEM-EDS gekoppelt. Die Stärke des verwendeten CT ist dabei, die hervorragende räumliche Auflösung, welche eine Analyse von Partikeln noch bis in den einstelligen µm-Bereich erlaubt. Ein Schwerpunkt der Forschung am Institut MVTAT ist die Filtration. Es werden Filterkuchen hinsichtlich ihrer Struktur und der Verteilung verschiedener Phasen im Porenraum untersucht. Entscheidend sind hierbei Veränderungen in der Struktur als Folge von Veränderungen in den Eigenschaften des Partikelsystems bzw. der Prozessparameter. Von besonderem Wert sind Experimente in der eigens entwickelten in-situ-Filtrationszelle. Mit ihrer Hilfe können die zu untersuchenden Filterkuchen direkt im Messbereich des CT gebildet und anschließend störungsfrei gemessen werden. Eine Stärke des verwendeten CT ist der gute Kontrast zwischen Phasen, die sich nur wenig in ihrer Röntgenschwächung unterscheiden, wie Öle und Wasser. So kann die Verteilung und Verdrängung verschiedener nicht mischbarer Flüssigkeiten im Porenraum abgebildet werden. Aus dem Bereich Materialprüfung wurden Proben nach unterschiedlichen Gesichtspunkten untersucht. Beispielsweise wurden einzelne Kugeln aus TRIP-Stahl nach ihrer Verformung gescannt, um die Ausbildung und Größe der Risse in ihnen untersuchen zu können. Darüber hinaus wurden Prüfkörper vor und nach einer Dauerfestigkeitsprüfung gescannt, um die Veränderungen im Material nach einer zyklischen Belastung visualisieren zu können. Eine weitere interessante Anwendung sind in-situ Small-Punch-Tests (SPT). Hierfür wurde eine SPT-Vorrichtung auf eine passende Größe für den CT herunterskaliert und aus keramischen Material geringer Röntgenschwächung gefertigt. So konnten Prüfkörper zu unterschiedlichen Zeitpunkten des SPT gescannt werden, wodurch die Verformung und das Ausbilden von Rissen zeitlich und räumlich aufgelöst aufgenommen werden konnten. Eine Herausforderung sind im Bereich der Materialprüfung Werkstoffe großer Röntgenschwächung, bei denen eine große Belichtungszeit je Projektion benötigt wird, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Dies resultiert in vergleichsweise langen Messzeiten. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Einsatzgebieten wurden beispielsweise auch seltene geologische Handstücke aus dem hydrothermalen Bereich Panarea (Italien) gescannt, um dreidimensionale Abbilder verschiedener Entgasungsstrukturen zu erhalten. Die Daten dieser Messungen sind bisher nicht veröffentlicht. Eine Stärke des eingesetzten CT ist hierbei die Möglichkeit, besonders breite Proben über eine spezielle Methode scannen und die Belichtungszeit winkelabhängig variieren zu können. Bei dieser Methode wurde jede Projektion nach der Art eines Panoramabildes erstellt, wobei die linke und die rechte Seite der Probe separat aufgenommen und dann zu einer gemeinsamen Projektion verrechnet wurden. Diese verrechneten Proben wurden anschließend in der Rekonstruktion zur Volumengrafik verrechnet. Die Belichtungszeit der Projektionen wurde abhängig von der zu durchstrahlenden Länge winkelabhängig vorgegeben, um sowohl sehr große als auch sehr kleine durchstrahlte Längen optimal zu belichten.
Publications
- Characterization of reticulated ceramic foams with mercury intrusion porosimetry and mercury probe atomic force microscopy. Ceramics International, 2018, 22963-22975
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.09.094) - Description of Ore Particles from X-Ray Microtomography (XMT) Images, Supported by Scanning Electron Microscope (SEM)-Based Image Analysis. Microsc Microanal, 2018, 1-10
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(See online at https://doi.org/10.1017/S1431927618015076) - Processing and Characterization of Beads with Graded Layer Compositions Based on Zirconia and TRIP-Steel. Advanced Engineering Materials, 2018, 1800615
Oppelt, M., Leißner, T., Berek, H., Baumgart, C., Krüger, L., Peuker, U., Aneziris, C.G.
(See online at https://doi.org/10.1002/adem.201800615)
