Industrielle Computertomografie am Computer simuliert

Die Software aRTist ist ein Simulationswerkzeug zur Erzeugung realistischer Radiografien virtueller Durchstrahlungsaufbauten. Mit Durchstrahlungssimulationen können virtuelle Bauteilmodelle wie in einem Computertomografen gescannt werden.

 Screenshot mit CT Scan Modul und virtueller Durchstrahlungsanordnung. (Bild: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM))
Screenshot mit CT Scan Modul und virtueller Durchstrahlungsanordnung. (Bild: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM))


Die industrielle Computertomografie (CT) mittels Röntgenstrahlung ermöglicht die zerstörungsfreie Erfassung innerer und äußerer Oberflächen sowie Inhomogenitäten technischer Objekte. Die virtuelle CT bietet neue Möglichkeiten der Untersuchung von Parametereinflüssen dieser komplexen Prüf- und Messtechnik. Neben der Option physikalische Effekte an- und abzuschalten, können auch Scanbewegungen vor ihrer technischen Realisierung getestet werden.

Durchstrahlungssimulation

Die Modellierung des Durchstrahlungsprozesses erfordert die Berücksichtigung verschiedener theoretischer und praktischer Aspekte. Im Mittelpunkt steht die Auswahl geeigneter physikalischer Näherungen zur Implementierung schneller Simulationsprogramme bei gleichzeitig ausreichender, dem Problem angepasster Genauigkeit. Die Software aRTist nutzt dafür folgende Techniken: analytisches Prozessmodell, Strahlenverfolgungsalgorithmen, STL-Beschreibung von Prüfobjekten sowie eine grafische Benutzeroberfläche. Die physikalischen Modelle von der Erzeugung bis zur Detektion der Strahlung ermöglichen quantitative Simulationsergebnisse. Die Strahlenquelle wird durch Spektrum und Brennfleck beschrieben. Spektren von Röntgenröhren können in aRTist berechnet und der Brennfleck als begrenzte Fläche mit einer Intensitätsverteilung definiert werden. Das Detektormodell beinhaltet Übertragungsfunktionen für Intensität und Rauschen sowie Parameter für das Auflösungsvermögen. Eine Anpassung an reale Detektoren kann mit einer Referenzaufnahme erfolgen. Der Simulator kombiniert analytische und Monte-Carlo-Methoden, um den Strahlungstransport effizient zu beschreiben. Mit der analytischen Berechnung der Strahlungsschwächung werden nahezu Echtzeitbildraten erreicht sowie eine Livebild-Vorschau gewährleistet. Streustrahlungsverteilungen werden in wenigen Sekunden bis Minuten an durchschnittlich leistungsfähigen Arbeitsplatzrechnern berechnet, indem die Monte-Carlo-Rechnungen auf ein Minimum begrenzt werden. Die geometrische Beschreibung der Prüfobjekte erfolgt durch triangulierte Oberflächen (STL-Geometrien), die homogene Materialbereiche abgrenzen. Die Materialien werden vom Nutzer über Dichte und Zusammensetzung definiert. Es können mehrere Geometrien in der virtuellen Szene angeordnet werden, die sich teilweise oder ganz überlappen können. Das ermöglicht, nachträglich innere Strukturen in Bauteile einzubringen und deren Lage unabhängig zu verändern.

 Benutzeroberfläche der Software aRTist. Die Software dient zur Simulation realistischer Radiografien virtueller Durchstrahlungsaufbauten. (Bild: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM))
Benutzeroberfläche der Software aRTist. Die Software dient zur Simulation realistischer Radiografien virtueller Durchstrahlungsaufbauten. (Bild: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM))

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Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

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