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Materialprüfung Welche Rolle Röntgenstrahlen für die Industrie spielen

| Redakteur: Katharina Juschkat

Röntgenstrahlen sind bekannt für ihren medizinischen Nutzen. Aber auch zur Materialprüfung und Qualitätssicherung, sogar im Maschinenbau, kommen die Strahlen zum Einsatz.

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(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Vor genau 125 Jahren entdeckte Wilhelm Röntgen zufällig die nach ihm benannten Strahlen – er experimentierte zu der Zeit gerade an Kathodenstrahlen, als ihm ein leuchtendes Stück Papier in seinem Labor auffiel: Das Papier war mit einem Material beschichtet, das unter ultraviolettem Licht und unter Kathodenstrahlung leuchtete. Die „X-Strahlen“, wie er seine Entdeckung nannte, konnten weiche Materie durchdringen und führte bald zu einem Durchbruch in der medizinischen Diagnostik.

Was weniger bekannt ist: Auch die Industrie profitiert bis heute von den Strahlen. Ob Tests an High-Tech-Kunststoffen für Fahrzeuge, die Analyse von Kristallgittern in Metall-Legierungen oder die Prüfung von Werkzeugen: Das Durchleuchten mit Röntgenstrahlen ist für Qualitätssicherung und Entwicklung von Innovationen ein unverzichtbares Werkzeug. Je nach Einsatzgebiet kommen in der Industrieforschung dafür verschiedene Methoden zum Einsatz.

Mit CT Lufteinschlüsse finden

Während beim klassischen Röntgen z.B. Knochen aus zwei Richtungen oder Ebenen aufgenommen werden, bedient man sich in der Industrieforschung anderer Methoden wie der auch in der Medizin gebräuchlichen Computer-Tomographie (CT), bei der durch Hunderte Aufnahmen aus verschiedensten Richtungen ein dreidimensionales Bild entsteht. So werden zum Beispiel Lufteinschlüsse in Metallen oder Kunststoffen sichtbar.

Faserausrichtung erkennen

„Mit dem Röntgen-CT können wir u.a. die Ausrichtung von Glasfasern in Verbundwerkstoffen veranschaulichen, was wiederum Rückschlüsse auf Eigenschaften wie die Stabilität von Materialien und Fügeverbindungen zulässt“, erklärt Heinrich Leicht, CT-Experte am Kunststoff-Zentrum in Würzburg (SKZ).

Die Röntgen CT-Aufnahme eines Kunststoffs bildet die Ausrichtung von Glasfasern ab. Der rot gefärbte Bereich zeigt, wie unterschiedlich diese Ausrichtung im Bereich einer Schweißnaht im Vergleich zum ursprünglichen Material ist.
Die Röntgen CT-Aufnahme eines Kunststoffs bildet die Ausrichtung von Glasfasern ab. Der rot gefärbte Bereich zeigt, wie unterschiedlich diese Ausrichtung im Bereich einer Schweißnaht im Vergleich zum ursprünglichen Material ist.
(Bild: SKZ)

„Durch den Materialkontrast in den CT-Aufnahmen können Fasern im Volumengut dargestellt werden. Algorithmen unterstützen uns bei der Quantifizierung und Visualisierung der Faserausrichtung, beispielsweise in Falschfarbendarstellungen“, erläutert Leicht. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse liefern wertvolle Informationen z.B. für die Fahrzeug- oder für die Bauindustrie, wo hochwertige Kunststoffe, häufig im Verbund z.B. mit Glasfaser, ein wichtiger Werkstoff sind.

Atomstruktur von Stoffen sehen

Während das Röntgen-CT den unterschiedlichen Aufbau von Elementen im Atomkern nutzt, um eine Darstellung von Strukturen zu ermöglichen, lässt die Röntgen-Diffraktometrie sogar die Atomstruktur von Stoffen zu Tage treten.

Was ist die Röntgen-Diffraktometrie?

Mit der Röntgen-Diffraktometrie lässt sich die Anordnung der Atome in einer Kristallstruktur bestimmen. Dabei macht man sich zunutze, dass Röntgenstrahlen an mit Atomen dicht gepackten Ebenen abgelenkt – gebeugt – werden, da Röntgenstrahlen wie andere elektromagnetische Wellen auch gleiche Beugungserscheinungen wie Licht aufweisen.

Vom Nano-Bereich zur Analyse von Partikelverteilungen bis zur Strahlung auf ganze Erdblöcke für archäologische Zwecke: Am FEM im Schwäbisch-Gmünd werden mit 3D-Röntgen-Computertomographie verschiedenste Stoffe durchleuchtet.
Vom Nano-Bereich zur Analyse von Partikelverteilungen bis zur Strahlung auf ganze Erdblöcke für archäologische Zwecke: Am FEM im Schwäbisch-Gmünd werden mit 3D-Röntgen-Computertomographie verschiedenste Stoffe durchleuchtet.
(Bild: fem)

Beispiel Kohlenstoff: Als Diamant gehört er zu den härtesten bekannten Stoffen, hingegen ist er als Graphit ein gern genutztes Schmiermittel. Natürlich sind die Unterschiede in der Kristallstruktur nicht immer so offensichtlich wie beim Kohlenstoff.

„Das gilt für viele Metalle und ihre Verbindungen, so für das wirtschaftlich sehr wichtige Aluminiumoxid mit seiner – je nach Kristallstruktur – sehr hohen Verschleißbeständigkeit“, erklärt Dr. Andreas Richter vom Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie (FEM). Der atomare Aufbau der Verbindungen ist oft entscheidend für ihre Eignung als Oberflächenmaterial in High-Tech-Anwendungen, z.B. in der Elektro- oder Fahrzeugindustrie. „Am FEM forschen wir damit z.B. an neuen Beschichtungen für effizientere Brennstoffzellen, an Fassaden zum Stickstoffabbau oder untersuchen Reaktionen im Inneren von Batterien“, erläutert Richter.

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Röntgenstrahlen im Maschinenbau

Wie sich Röntgen-Strahlung gezielt im Maschinen- und Werkzeugbau einsetzen lässt, macht die Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe (FGW) aus Remscheid vor. Beispiel Kreissäge: „Bei der Herstellung guter Sägeblätter kommt viel auf das richtige Einbringen von Zug- und Druckspannung an. Erst die richtigen Spannungen lassen das Werkzeug ruhig und rund laufen“, erläutert FGW-Abteilungsleiter Dr. Christian Pelshenke.

Sein Forschungsteam misst solche Spannungen, indem es Röntgen-Licht in die Metall-Werkzeuge eindringen lässt und das Verhalten der Strahlen misst. Heraus kommt ein Kurvendiagramm am Monitor, aus dem sich Aussagen über die dynamischen Eigenschaften von Bauteilen ableiten lassen.

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