Hochauflösendes µCT-System mit in-situ-Materialprüfung und struktur-mechanischen 3D-Analysen

• Fachliche Zuordnung: Bauwesen und Architektur
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 580817620

Beantragt wird ein hochauflösendes µCT-System, mit dem eine tiefgreifende Materialcharakterisierung unter einwirkenden physikalischen und chemischen Einflüssen erzielt wird. Die zu untersuchenden Materialien sind mineralisch-gebundene Baustoffe, Metalle, Boden und Asphalt, während die betrachteten Einwirkungen mechanische Lasten, Temperatur, Feuchtigkeit sowie chemische und biologische Angriffe umfassen. Somit werden mit Hilfe des µCTs im Bauwesen wesentliche Bereiche abgedeckt und komplexe Mechanismen in Bezug auf die Dauerhaftigkeit der baulichen Infrastruktur, innovative Materialien und Verbundwerkstoffe sowie umwelttechnische Aspekte untersucht. Das µCT ist in der Lage, verschiedene Objektgrößen in sehr hoher Auflösung weitgehend automatisiert darzustellen. Dies dient dazu, die entscheidenden Materialphasen (z. B. Poren, Hydratphasen) zu erkennen und assoziierte Schädigungsprozesse sowie deren Entwicklung (z. B. Mikrorisse, Treibreaktionen) zu beschreiben und zu quantifizieren. Das Materialverhalten unter äußeren Einwirkungen soll in-situ untersucht werden. Hierfür wird zusätzlich eine vollintegrierte Prüfvorrichtung beantragt, die eine mechanische Belastung von bis zu ± 5 kN und gleichzeitig thermische Beanspruchung von - 20 °C bis + 160 °C ermöglicht. Eine hohe zeitliche Auflösung der untersuchten Prozesse ist notwendig, um signifikante Kriechvorgänge in den mechanisch belasteten und gleichzeitig gescannten Proben zu vermeiden. Das wird durch die gewählte Konfiguration (leistungsstarke, hochauflösende Transmissions-µFokus-Röntgenquelle und Detektoren mit hohen Ausleseraten) sichergestellt. Die komplexen Zusammensetzungen und Mikrostrukturen der zu untersuchenden Werkstoffe erfordern spezielle Software für die semantische Segmentierung einzelner Materialphasen und Mikrodefekte sowie deren genauen Quantifizierung hinsichtlich Größe, Geometrie, Gehalt, Verteilung und Orientierung, was mit herkömmlichen parametrischen Algorithmen oder nur auf Basis der Grauwerte nicht möglich ist. Hierfür wird eine Auswertungssoftware eingesetzt, deren Segmentierungsalgorithmen auf dem Prinzip des maschinellen Lernens basiert. Für die Darstellung des Materialverhaltens in Form von Last-Verformungs-Kurven sowie die Erfassung lokaler Verformungszustände aufgrund von mechanischen Belastungen, thermischen Beanspruchungen oder chemischen Reaktionen wird das aus den in-situ-Prüfungen generierte Bildmaterial in einem volumetrischen Bildkorrelationsprogramm (engl.: Digital Volume Correlation – DVC) ausgewertet. Die entsprechende 3D-Analyse-Software ist ebenfalls Bestandteil dieses Antrags. Schließlich erfordern die in-situ-Prüfungen spezifische, filigrane Probengeometrien mit genauen Abmessungen. Für die Probenpräparation aus Beton, mineralisch-gebundenen Verbundwerkstoffen oder Metallen wird eine automatische Präzisionssäge beantragt, die reproduzierbare Probenabmessungen mit einer Genauigkeit von < 5 µm gewährleistet.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Hochauflösendes µCT-System mit in-situ-Materialprüfung und struktur-mechanischen 3D-Analysen
• Gerätegruppe: 4070 Spezielle Röntgengeräte für Materialanalyse, Strukturforschung und Werkstoff-Bestrahlung
• Antragstellende Institution: Ruhr-Universität Bochum
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Iurie Curosu