Partikelanalyse, Teil 4

REM (links), lichtmikroskopisch Aufnahme (mitte) und Durchlichtaufnahme (rechts) von Maltodextrin Partikeln. Dieser Stoff wird sehr häufig in der Lebensmittelindustrie verwendet und ist momentan Gegenstand einer Doktorarbeit am IMiP. Die rechte Aufnahme zeigt die innere Porenstruktur eines einzelnen Partikels.

Nach Artikeln zu den Themen mechanische Eigenschaften, Klimaeinfluss und innerem Aufbau von Partikeln möchten wir uns in dieser Ausgabe der Partikelform und Poren widmen. Bei der Herstellung und Verwendung von Partikeln spielt die Form der einzelnen Partikel eine wichtige Rolle. Neben einem starken Einfluss auf das Fließverhalten von Schüttgütern spielt sie bei der Interaktion mit anderen Stoffen eine große Rolle. So ist z.B. Aktivkohle wegen ihrer Porenstruktur und damit verbundenen großen Oberfläche ein sehr effektiver Filter. Zur Partikelanalyse gehört also auch eine möglichst exakte Bestimmung der Partikelgeometrie.

Dabei muss eine ausreichend große Anzahl an Partikeln vermessen werden. Betrachtungen unter dem Mikroskop können zwar einen ersten Eindruck vermitteln, reichen aber nicht aus um Partikelkollektive umfassend zu bewerten. Insbesondere der 3D Aspekt der Partikel geht verloren, da nur der Umriss der Partikel effektiv vermessen werden kann.

Eine Möglichkeit mehr Partikel und in drei Dimensionen zu erfassen wurde unter der Leitung von Prof. Bottlinger realisiert. Partikel werden über eine Rüttelrinne vereinzelt und kontinuierlich in das Gerät geführt. Im Gerät zeichnen 3 Hochgeschwindigkeitskameras um jedes einzelne vorbeifallende Partikel aus drei Richtungen auf. Eine intelligente, von Studenten des Campus implementierte, Software verrechnet diese 3 Bilder in Echtzeit zu einem 3D Model der Partikeloberfläche. Das Gerät wurde im Rahmen einer Abschlussarbeit von Maschinenbauern konstruiert und am Campus von Herrn Seibert in Zusammenarbeit mit den Studenten gefertigt. Derzeit läuft die Erprobungsphase um das Gerät und seine Software auf Herz und Nieren zu testen.

Einen wichtigen Aspekt der Partikel können optische Techniken allerdings nicht erfassen. Die in vielen Partikeln vorhandenen Poren sind für das Verhalten und die mechanischen Eigenschaften der Partikel mit verantwortlich. In diesem Fall muss auf tomographische Methoden, wie den in Teil 3 vorgestellten Mikro-Röntgentomographen zurückgegriffen werden. Wie weiter oben bereits dargestellt, müssen zur Bewertung von Partikeln viele Einzelpartikel untersucht werden. Da eine tomographische Messung einige Stunden in Anspruch nimmt, ist es sinnvoller einige hundert Partikel zusammen in einer Aufnahme abzubilden. Dabei stellt sich das Problem der Auswertung dieser 3D Voxel-Daten. Durch ein unter der Leitung von Prof. Bröckel am Campus entwickeltes Softwarepacket ist das IMiP inzwischen in der Lage diese Schüttungen automatisch zu verarbeiten. Die dabei eingesetzte Kombination von mehreren Ansätzen aus der Künstlichen Intelligenz bietet eine wesentlich höhere Erkennungsrate und ein größeres Anwendungsgebiet als klassische Ansätze. Bei dem üblicherweise angewendeten Watershedding müssen die Partikel annähernd konvexe Formen aufweisen. Dieses Kriterium erfüllen die häufig vorkommenden Partikel mit offenen Poren leider nicht. Unser Ansatz weist keine Beschränkung auf bestimmte Partikelformen auf und kann durchaus auch bei komplexeren Strukturen eingesetzt werden. Der Algorithmus ist dadurch in der Lage, für jedes Partikel ein vollständiges volumetrisches Modell zu extrahieren. An den Modellen können anschließend alle denkbaren statistischen Auswertungen zu Form und der Porenverteilung angewendet werden.

Weitere Informationen unter: www.imip.de 

Projektbearbeiter: 

Dipl.-Inf. (FH) Laurent Gilson

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Bröckel

Prof. Dr.-Ing. Michael Bottlinger