Multimaterial-Messung in der CT.

Ein Bauteil, das aus mehreren Werkstoffen mit sehr unterschiedlicher Dichte besteht – etwa ein Kunststoff-Steckergehäuse mit eingebetteten Metallpins – gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben in der industriellen Computertomographie. Der Grund: Metall und Kunststoff schwächen die Röntgenstrahlung extrem unterschiedlich. Das erzeugt Artefakte, die die maßliche Auswertung verfälschen können. Dieser Beitrag erklärt, welche Artefakte bei Multimaterial-Werkstücken typischerweise entstehen und mit welchen Verfahren man sie in den Griff bekommt.

Warum Multimaterial so schwierig ist

Die CT misst, wie stark ein Bauteil die Röntgenstrahlung an jedem Punkt schwächt. Aus tausenden Durchstrahlungsrichtungen wird daraus ein dreidimensionales Volumen rekonstruiert. Das funktioniert gut, solange das Material einigermaßen homogen ist. Bei einem Werkstück aus Metall und Kunststoff prallen jedoch zwei Welten aufeinander: Metall absorbiert die Strahlung um ein Vielfaches stärker als Kunststoff.

Die Parameter, die man für das dichte Metall braucht (hohe Spannung, viel Leistung), sind für den dünnwandigen Kunststoff bereits viel zu „hart" – und umgekehrt. Ein einziger Parametersatz kann beide Materialien kaum gleichzeitig optimal abbilden. Genau in diesem Spannungsfeld entstehen die typischen Multimaterial-Artefakte.

Welche Artefakte entstehen?

Bei Multimaterial-Bauteilen treten vor allem drei Effekte auf, die sich gegenseitig verstärken können:

• Strahlaufhärtung (Beam Hardening): Das Röntgenspektrum „härtet auf", wenn es dichtes Material durchdringt – die weichen Anteile werden zuerst absorbiert. Folge sind scheinbar dunklere Bereiche im Bauteilinneren („Cupping") und dunkle Streifen zwischen dichten Bereichen.
• Metallartefakte / Streifen: Rund um Metallkomponenten – etwa die Pins im Steckergehäuse – entstehen strahlenförmige helle und dunkle Streifen. Sie überlagern die umliegenden Kunststoffkonturen und erschweren genau dort die Messung, wo es auf Maß und Lage ankommt.
• Streustrahlung: An dichten Strukturen wird Strahlung gestreut und trifft den Detektor an Stellen, an denen sie nicht hingehört. Das senkt den Kontrast und verschmiert Kanten.

Hinzu kommt ein praktisches Problem: Ist das Metall zu dick, kommt schlicht zu wenig Strahlung am Detektor an („Nichtdurchstrahlung"). Dann fehlen in diesen Richtungen Informationen, was bei der Rekonstruktion zu verwischten Kanten führt.

Verfahren zur Artefaktreduktion

Es gibt nicht den einen „Knopf gegen Artefakte". In der Praxis kombiniert man mehrere Ansätze – von der Aufnahme bis zur Auswertung. Die wichtigsten:

1. Aufnahmeparameter und Vorfilter

Der erste Hebel sitzt an der Quelle. Über Röhrenspannung, Strom und einen passenden physischen Vorfilter (meist Kupfer oder Zinn) lässt sich das Spektrum so einstellen, dass die Aufhärtung gedämpft wird. Der Filter entfernt die weichen Strahlanteile, bevor sie das Bauteil erreichen – das mildert Cupping und Streifen bereits deutlich. Mehr dazu im Beitrag Vorfilter in der industriellen CT.

2. Mehrspektren-CT (Mehr-Energien-Ansatz)

Der wirkungsvollste Ansatz speziell für Multimaterial: Das Bauteil wird in mehreren Durchläufen mit jeweils auf ein Material abgestimmten Einstellungen aufgenommen – eine Messung optimiert auf das Metall, eine auf den Kunststoff. Die einzelnen Volumen werden anschließend rechnerisch zu einem nahezu artefaktfreien Gesamtvolumen verrechnet. So lässt sich jedes Material in der Region abbilden, in der es am besten darstellbar ist. Verschiedene Hersteller bieten dieses Prinzip unter eigenen Bezeichnungen an (z. B. Mehr-Spektren- bzw. Mehr-Energien-Tomografie).

3. Iterative Rekonstruktion

Während die klassische gefilterte Rückprojektion bei lückenhaften oder gestörten Daten zu verwischten Kanten neigt, können iterative Rekonstruktionsverfahren (etwa SIRT) mit fehlerhaften und unvollständigen Projektionsdaten besser umgehen. Sie nähern sich dem Volumen schrittweise an und reduzieren so Artefakte, die aus Nichtdurchstrahlung oder begrenztem Winkelbereich stammen – allerdings auf Kosten höherer Rechenzeit.

4. Software-Korrektur (Beam-Hardening-Korrektur)

Ergänzend lassen sich Aufhärtungsartefakte rechnerisch korrigieren. Solche Algorithmen modellieren den nichtlinearen Schwächungsverlauf und gleichen ihn aus. Wichtig: Software-Korrektur und physischer Vorfilter ersetzen einander nicht – sie ergänzen sich. Der Filter verbessert die Rohdaten, die Korrektur holt aus diesen das Beste heraus.

Welches Verfahren wann?

Die folgende Übersicht ordnet die Ansätze grob ein. In der Praxis werden sie kombiniert – die konkrete Strategie hängt von Werkstoffkombination, Geometrie und Messziel ab.

Multimaterial-Messung bei 3DMT

Anspruchsvolle Metall-Kunststoff-Bauteile gehören zum Alltag in der industriellen CT. Wir wählen Aufnahmestrategie, Parameter und Auswerteverfahren passend zum Werkstück, um Artefakte zu minimieren und ein belastbares Messergebnis zu erhalten. Mehr zu unserem Vorgehen finden Sie auf der Seite Industrielle Computertomographie, im Grundlagenbeitrag Industrielle CT erklärt sowie im Beitrag zu Vorfiltern.