Die industrielle Computertomographie bietet detaillierte, präzise und insbesondere zerstörungsfreie Einblicke in komplexe Bauteile, Komponenten und Strukturen. Die CT hat sich über Jahre zu einer unverzichtbaren Prüftechnik in der Verteidigungsindustrie entwickelt.

Die Verteidigungsindustrie steht vor der Herausforderung, hochkomplexe Systeme und deren Komponenten unter strengsten Qualitätsanforderungen herzustellen und einsatzfähig zu halten. In diesem Zusammenhang gewinnt die industrielle 3D-Computertomographie (3D-CT) zunehmend an Bedeutung. Als zerstörungsfreies Prüfverfahren ermöglicht sie detaillierte Analysen von Bauteilen aus Metall, Verbundwerkstoffen oder Keramik – sowohl im Entwicklungsprozess als auch in der Serienfertigung und Instandhaltung. Anders als in der medizinischen Diagnostik wird bei der industriellen 3D-CT das zu prüfende Objekt auf einem Drehteller positioniert, der sich zwischen einer Röntgenquelle und einem Röntgendetektor befindet. Die während der Drehung des Bauteils aufgenommenen Durchstrahlungsbilder werden in einem mathematischen Verfahren zu einem 3D-Volumenmodell des Prüfkörpers verrechnet. Ohne Demontage, ohne Beschädigung, werden vollständige, detaillierte und maßgetreue (Innen-)Ansichten des Objektes gewonnen, an denen präzise Geometriemessungen oder automatisierte Fehler- und Strukturanalysen durchgeführt werden können. Als Beispiele für die militärische CT-Anwendung werden nachfolgend Prüfergebnisse an Feststoff-Raketenmotoren, keramischen Verbundwerkstoffen und additiv gefertigten Metallbauteilen vorgestellt.

Feststoff-Raketenmotoren
Hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit sind essenziell für Feststoff-Raketenmotoren als militärische Antriebssysteme. Spezifische Fehlerbilder wie Delaminationen, Risse oder Poren im Treibstoff führen zu einer unregelmäßigen Verbrennung und beeinträchtigen so deren Performance. Die Hochenergie-CT mit Energien im MeV-Bereich bietet die Möglichkeit, auch Raketenmotoren mit größeren Durchmessern zerstörungsfrei zu prüfen. Abbildung 1 zeigt das Ergebnis einer Hochenergie-CT Simulation mit 6 MeV Energie am Phantom eines Feststoff-Raketenmotors mit einem Durchmesser von 550 mm. Das Phantom besteht aus Verbundtreibstoff mit 200 mm Bohrung, einem 4 mm starken EPDM-Liner mit Kevlar Fasern sowie einem 15 mm dicken CFK-Gehäuse. Poren im Treibstoff sind ab einer Größe von ca. 0,4 mm nachweisbar. Der Liner, der sich zwischen dem Treibsatz und dem Motorengehäuse befindet, dient als thermisches Schutzsystem gegenüber den extremen Temperaturen, die beim Abbrand des Treibstoffs entstehen. Eine mangelnde Anbindung des Liners zum Treibsatz kann schlimmstenfalls zu einer Detonation der Rakete in der Flugphase führen. Im CT-Schnittbild sind Delaminationen ab einer Größe von ca. 200 µm sicher nachweisbar, durch eine Darstellung als Abwicklung kann die Nachweisgrenze sogar auf 100 µm verbessert werden.

Keramische Verbundwerkstoffe
Aufgrund ihrer herausragenden thermischen Stabilität, geringen Dichte und exzellenten mechanischen Eigenschaften bei extremen Bedingungen sind keramische Verbundwerkstoffe (CMC) bevorzugte Materialien für Hochtemperaturanwendungen, wie beispielsweise Hitzeschilde, Radome, Hyperschalltechnologie oder Triebwerkskomponenten. Allerdings stellen die komplexe innere Struktur der CMC-Werkstoffe sowie die hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der CMC-Bauteile besondere Anforderungen an die Prüfung und Qualitätssicherung dieser Materialien. Hier bietet die industrielle CT einzigartige Möglichkeiten zur Detektion von Mikrorissen, Poren und Delaminationen im Werkstoff, zur Charakterisierung unterschiedlicher Phasen oder zur Analyse der Faserorientierung im gefertigten Bauteil. Schließlich besteht die Möglichkeit, die CT-Daten von CMC-Komponenten in Finite-Elemente-Simulationen (FEM) einzuspeisen, um auf diese Weise die Werkstoffe unter Berücksichtigung von Faserwinkeln, Lagendicken oder Bauteilverzug realitätsnah simulieren zu können. Abbildung 2 zeigt das Ergebnis einer hochauflösenden CT-Prüfung an einer aus dem Werkstoff C/SiC gewickelten CMC-Raketendüse inklusive Bestimmung der Faserorientierung im Bauteil.

Additive Fertigung
Durch ihre Fähigkeit, Bauteile in nahezu beliebiger Gestalt innerhalb kürzester Zeit realisieren zu können, hat sich die metallische additive Fertigung in den letzten Jahren zu einer Schlüsseltechnologie zur Herstellung von Strukturbauteilen für Flugzeuge und Drohnen, Komponenten von Raketentriebwerken oder Gehäusen für Anwendungen in Fahrzeugen, Waffen- und Munitionssystemen entwickelt. Die häufig innenliegenden, komplexen Geometrien und methodenspezifische Fehlerarten stellen jedoch neue Herausforderungen an die Qualitätssicherung. Die CT ist das führende Verfahren zur zerstörungsfreien, volumetrischen Prüfung additiv gefertigter Metallbauteile und ermöglicht neben der Identifikation von Poren, Rissen, Bindefehlern oder Pulverresten vor allem eine detaillierte Geometrieprüfung auf Verzug oder Dimensionsabweichungen, die insbesondere bei komplexen, dünnwandigen AM-Bauteilen relevant ist. In Abbildung 3 sind CT-Ergebnisse an einer additiv gefertigten Inconel-Komponente eines Raketentriebwerks dargestellt, die im Pulverbettverfahren (LPBF) hergestellt wurde. In einigen Kühlkanälen befinden sich noch Pulverreste, in einem Bereich wurde eine Pore nachgewiesen.

Zusammenfassung
Die industrielle Computertomographie sichert die Qualität und Zuverlässigkeit kritischer Komponenten und reduziert langfristig die Kosten für Entwicklung, Produktion und Instandhaltung. Durch die zunehmende Integration in digitale Fertigungsketten und KI-basierte Analysemöglichkeiten hat sich die CT zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Verteidigungsindustrie entwickelt.

diondo GmbH

Technologische Basis

• Röntgenprüftechnik
• 3D-Rekonstruktion
• Digitale Datenanalyse

Innovation

• KI-gestützte Auswertung
• Inline-CT

Primäre Anwendungsfelder

• Qualitätssicherung
• 3D-Messtechnik
• Reverse Engineering

Vorteile

• Zerstörungsfreie Prüftechnik
• Vollständige 3D-Analyse
• Digitale Integration

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Abbildung 1: Hochenergie-CT Simulation am Phantom eines Feststoff-Raketenmotors mit Nachweis von Poren und Delaminationen

Abbildung 2: CT-Untersuchung einer CMC-Raketendüse mit Bestimmung der Faserorientierung im Bauteil

Abbildung 3: CT-Prüfung eines additiv gefertigten Triebwerkbauteils mit Nachweis von Pulverresten in Kühlkanälen und einer Pore