ACR INNOVATIONSRADAR 2014 Aktuelle Technologietrends für österreichische KMU
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE Neue Materialverbunde & innovative Untersuchungsmethoden
INHALT
ACR – AUSTRIAN COOPERATIVE RESEARCH Haus der Forschung, Sensengasse 1, 1090 Wien Tel. +431 219 85 73 office@acr.ac.at, www.acr.ac.at Dezember 2013 mit freundlicher Unterstützung
ACR INNOVATIONSRADAR 2014 Aktuelle Technologietrends für österreichische KMU
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE EINLEITUNG 4 NEUE MATERIALVERBUNDE DURCH INNOVATIVE HERSTELLUNGSVERFAHREN SOWIE FÜGE- UND HYBRIDFÜGETECHNIKEN 7 INNOVATIVE UNTERSUCHUNGSMETHODEN IN DER MATERIAL- UND BAUTEILPRÜFUNG 14 ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFMETHODEN IN DER MATERIAL- & BAUTEILPRÜFUNG 16 ZERSTÖRENDE WERKSTOFFPRÜFUNG BEI RAUM-, TIEF- UND HOCHTEMPERATUR 23 MIKRO- UND NANOANALYTISCHE UNTERSUCHUNGSMETHODEN 24 LITERATUR 28
ACR-INNOVATIONSRADAR 2014
EINLEITUNG
Im sehr breiten Feld der Produkte,
tionen aus zwei (oder mehreren) unter-
Nach wie vor stellen wirtschaftliche
Prozesse und Werkstoffe fokussiert sich
schiedlichen Werkstoffklassen (hetero-
Überlegungen oft ein Haupthindernis
das ACR-Innovationsradar im Wesentli-
gene Multimaterialverbunde) bzw. die
für die Umstellung herkömmlicher
chen auf zwei zentrale Themenbe-
Kombination metallischer Werkstoffe
Produktionsverfahren bzw. für die
reiche:
mit Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV)
Einführung neuer Füge- und Hybridfüge-
stellen häufig geeignete Lösungsan-
techniken dar. Den relativ hohen
sätze dar.
Anfangsinvestitionen stehen jedoch die
• Neue Materialverbunde durch innovative Herstellungsverfahren sowie Füge- und Hybridfügetechniken • Innovative Untersuchungsmethoden in der Material- und Bauteilprüfung
erzielbaren deutlichen Einsparungen Der allgemeine Trend zu Leichtbau-
an eingesetzten Materialmengen sowie
Konstruktionen sowie verschärfte wirt-
eine erhöhte Produktivität gegenüber.
schaftliche Rahmenbedingungen in der Hohe Festigkeit und Steifigkeit, Dauer-
Produktion führen zunehmend
haftigkeit, thermische Stabilität sowie Korrosionsbeständigkeit in Kombination mit geringem spezifischem Gewicht –
In diesem dynamischen Arbeitsgebiet ergeben sich für Entwickler und
• zum Einsatz innovativer Materialien bzw. Materialkombinationen,
Anwender allerdings oft die folgenden Herausforderungen:
das sind heute oft die Werkstoffanfor-
• zur Herausforderung, diese Werk-
derungen, die an moderne Konstrukti-
stoffe untereinander zu verbinden
lung von Werkstoffen und Multimateri-
onsteile (z.B. in der Automobilindustrie)
sowie
alverbunden, um die gesteckten Ziele
gestellt werden. In vielen Fällen ist
• zur Anwendung neuartiger bzw.
• Notwendigkeit der Weiterentwick-
(z.B. Gewichtseinsparung, Prozessopti-
dieses Ziel alleine durch den Einsatz
Optimierung bestehender Fertigungs-
mierung, Designanforderungen) zu
eines einzigen Werkstoffes nicht zu
technologien.
erreichen.
erfüllen: Optimierte Materialkombina-
4
ACR INNOVATIONSRADAR
• Korrekte und anwendungsspezifische
Das Kapitel „Produkte, Prozesse, Werkstoffe“ beleuchtet innovative Untersuchungsmethoden in der Material- und Bauteilprüfung sowie neue Materialverbunde.
Auswahl und Abstimmung von Verbin-
Bauteilcharakterisierung: Ihre zuneh-
chernder Maßnahmen rechtzeitig
dungstechnologien im Hinblick auf die
mende Verbreitung verdanken sie
entsprechendes Knowhow über den
jeweiligen Anforderungen moderner
insbesondere der Verfügbarkeit hoch-
eingesetzten Werkstoff oder Material-
Konstruktionsteile – sowohl im Bereich
empfindlicher Sensortechnik und
verbund aufzubauen: Die Beschäfti-
metallischer Werkstoffe untereinander
ausgereifter Datenverarbeitungssys-
gung mit den Möglichkeiten neuer,
als auch im Bereich heterogener Multi-
teme zu wirtschaftlich vertretbaren
innovativer Charakterisierungsver-
materialverbunde (z.B. mit metallischen
Konditionen. Die Analyse von Ausfall-
fahren kann hierzu oft einen wesentli-
und polymeren Materialkomponenten).
teilen im Vergleich zu fehlerfreien
chen Beitrag leisten.
• Optimierung von Prozesstechnolo-
Chargen hilft, die Schadensursachen
gien, um intelligentes Design mit wirt-
aufzuklären und latente Mängel oder
schaftlich vertretbaren Fertigungspro-
Fehler der Produktion zu lokalisieren;
zessen realisieren zu können (Energie-
auf diese Weise entsteht ein besseres
einsparung und Effizienzsteigerung bei
Verständnis für den eingesetzten Werk-
der Fertigung).
stoff, dessen Verarbeitung und Einsatz-
• Umweltfreundlichkeit der Produkte,
grenzen.
insbesondere in Bezug auf die Life Cycle Performance sowie die Recyclier-
Bei zahlreichen Herstellungspro-
barkeit.
zessen/Produktionsverfahren wird immer öfter eine 100%ige Qualitäts-
Aufgrund steigender Qualitätsanforde-
kontrolle der ausgelieferten Teile gefor-
rungen an moderne Werkstoffe und
dert: Entsprechend ausgereifte inline-
Bauteile spielt die sichere Erkennung
Prüfmethoden erlauben hier nicht nur
von Materialdefekten und/oder Materi-
die Sicherung der Produktqualität
alermüdungen und damit die Anwen-
sondern können auch zur Prozesssteue-
dung innovativer Untersuchungsme-
rung herangezogen werden, was
thoden eine immer größere Rolle.
speziell bei hohen Stückzahlen eine signifikante Kostenreduktion durch
Beschränkte man sich in der Vergan-
Ausschuss-Verringerung bewirken kann.
genheit überwiegend auf klassische Methoden der zerstörenden Material-
Da Schadensfälle immer auch Image-
charakterisierung, so kommt heute
verlust und oft hohe Folgekosten nach
ganzheitlichen Betrachtungsweisen
sich ziehen – beides Faktoren, die
steigende Bedeutung zu. Damit einher
insbesondere für KMU extrem kritisch
geht die Anwendung zerstörungsfreier
sein können – empfiehlt es sich, im
Prüfmethoden in der Material- und
Rahmen begleitender qualitätssi-
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
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PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
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ACR INNOVATIONSRADAR
Herkömmliche (vorwiegend metallische) Werkstoffkomponenten werden mehr und mehr durch heterogene Multimaterialverbunde ersetzt.
NEUE MATERIALVERBUNDE DURCH INNOVATIVE HERSTELLUNGSVERFAHREN SOWIE FÜGE- UND HYBRIDFÜGETECHNIKEN
Endlosfasern oder aber auch als
bessere mechanische Bauteileigen-
Matten-, Gewebe- und/oder Kurzglas-
schaften als GFKs, aus wirtschaftlichen
fasern.
Gründen haben sich jedoch Basalt-
Obwohl die Produktionsmengen dieser
einzelnen Anwendungsbereichen
Glasfaser-Kunststoffverbunde (GFK) in
durchgesetzt.
faser-Compounds bis dato nur in
vielen industriellen Anwendungsbereichen leicht ansteigen, erfolgt in
Carbonfasern sind derzeit noch in
Im Bereich der
speziellen Anwendungen eine teil-
vergleichsweise kleinen Mengen im
Faser-Kunststoff-
weise Verschiebung von Glasfaser- zu
Einsatz, die Verbrauchsmengen der
Verbunde (FKV)
Carbonfaser-verstärkten Produkten.
letzten Jahre zeigen jedoch einen stark
Im Bereich der mineralischen Fasern
Composites weisen eine enorme Steifig-
weitere Bedarfssteigerung gegenüber
beginnen sich langsam die Basalt-
keit und Festigkeit bei gleichzeitig
2013 erwartet. Gründe hierfür liegen
fasern zu etablieren, die von ihrem
geringer Dichte auf und haben sich
insbesondere in der zunehmenden
Eigenschaftsspektrum zwischen den
bisher vor allem in High-Tech-Anwen-
Substitution herkömmlicher (vorwie-
Glas- und den Carbonfasern angesie-
dungen (Luft- und Raumfahrt inkl.
gend metallischer) Werkstoffkompo-
delt sind. Etwas höhere Steifigkeit und
Militär, Windenergie, Spitzensport)
nenten durch heterogene Multimaterial-
deutlich höhere Festigkeit liefern
etabliert. Für die kommenden Jahre
TECHNOLOGISCHE TRENDS
wird in den kommenden Jahren eine
steigenden Bedarf (Abb. 1). Carbon-
verbunde. Signifikante technologische Entwicklungen sind dabei sowohl in den Bereichen der Faser- und Matrix-
Abbildung 1: Globaler CFK-Bedarf in Tonnen, 2008–2020 (Abbildung: OFI)
Werkstoffe als auch bei den Verarbeitungstechnologien zu erkennen. Die in den FKV eingesetzten Fasermaterialien verleihen dem Materialverbund seine typischen Eigenschaften, wie hohe Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit und Wärmeformbeständigkeit. Nach wie vor werden Glasfasern aus Kostengründen trotz ihres relativ hohen spezifischen Gewichtes am häufigsten eingesetzt (ca. 95 % der Gesamtmenge an Composites) – entweder in Form von
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
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wird ein deutlich zunehmender Einsatz
erfolgen heute meist sehr zielgerichtet
Bereits gut etablierte Herstellungstech-
auch in der Serienfertigung, z.B. im
und anwendungsorientiert in Bezug auf
nologien werden sowohl verfahrens- als
Automobilbau, erwartet. Zukunftspoten-
Temperatur- und Alterungsbeständigkeit,
auch materialspezifisch laufend weiter-
tiale liegen hier einerseits in der Ver-
Chemikalien- und Korrosionsfestigkeit,
entwickelt oder miteinander kombiniert
wendung von Mischgeweben, mit
Schlagzäh- und Brandfestausrüstung
– erwähnt seien in diesem Zusammen-
deren Hilfe Verbundwerkstoffe hinsicht-
sowie Licht- und UV-Beständigkeit. Im
hang z.B. die Bemühungen um Reduk-
lich ihrer Steifigkeit und Zähigkeit exakt
Bereich der Reaktivharzsysteme kommt
tion der Zykluszeiten bei der Prepreg-
ausbalanciert werden können; anderer-
zudem der Optimierung der Aushär-
Verarbeitung (pre-impregnated fibers)
seits aber auch in der Ausgestaltung
tungsreaktionen (Harz-Reaktivität)
durch die „Quickstep“-Technologie,
bzw. Anfertigung innovativer textiler
wesentliche Bedeutung zu, sind sie
die Herstellung komplexer großflä-
Vorformlinge.
doch für die letztlich erzielbare Zyklus-
chiger Leichtbau-Formteile durch das
zeit von entscheidender Bedeutung. Bei
RRIM-Verfahren (Reinforced Reac-
Aramidfasern (aromatische Polya-
faserverstärkten Thermoplasten ist
tion Injection Moulding) oder aber
midfasern) werden im Bereich der FKV
neben dem derzeit überwiegend einge-
auch die Kombination von textilen
künftig verstärkt gemeinsam mit den
setzten Polypropylen ein zunehmender
Wickeltechniken mit Pultrusionsver-
vergleichsweise steifen Carbonfasern
Einsatz hochtemperaturbeständiger
fahren zur Herstellung thermoplasti-
eingesetzt werden. Diese dabei erhal-
Thermoplaste (z.B. aromatische Polya-
scher FKV-Endlosprofile. Daneben
tenen Composites zeichnen sich durch
mide, PEEK) festzustellen. Bisher aus-
entstehen aber auch immer wieder
sehr hohe Festigkeit, hohe Dehnung
schließlich Metallen vorbehaltene
neue Verfahrenstechnologien, mit deren
und exzellente Schlagzähigkeit aus und
Anwendungen können so zunehmend
Hilfe z.B. Leichtbauteile durch hochdefi-
eignen sich daher insbesondere für
auch mit FKV realisiert werden,
nierte Faserorientierung möglichst mate-
schlagbeanspruchte Bauteile.
treibende Faktoren sind vor allem die
rialsparend hergestellt werden können
Themen Kostenoptimierung, Funktions-
(z.B. TFP – Tailored Fiber Placement,
Speziell in den letzten Jahren werden
integration und Designfreiheit.
zunehmend auch Naturfasern (Hanf-,
FPP – Fiber Patch Placement, ATL – Automated Tape Laying).
Flachs-, Holz-, Sisal- oder Kokosnussfa-
Im Bereich der Fertigungstechnolo-
sern) im Bereich von FKV eingesetzt:
gien etablieren sich infolge steigender
Großes Entwicklungspotenzial wird
Zum einen wegen ihres Eigenschafts-
Stückzahlen und erhöhten Kostendrucks
auch Sandwichbauweisen zuge-
spektrums (geringe Dichte, hohe Zähig-
zunehmend automatisierte Verfahren
schrieben, in denen vermehrt nicht nur
keit, hohe Steifigkeit), insbesondere
und Prozesse, auch wenn dafür häufig
Harz und Fasern, sondern diverse
aber mit ökologischen Argumenten
ein vergleichsweise hoher Maschinen-
weitere Materialkomponenten, wie z.B.
(CO2-Bilanz).
einsatz erforderlich ist; offene und
Schaumkerne, gezielt zum Einsatz
manuelle Verfahren (Faserspritzen,
kommen. Für eine Vielzahl von Produkt-
Weiterentwicklungen im Bereich von
Handlaminieren etc.) geraten demge-
anwendungen wird zunehmend auf die
Harz- und Matrixsystemen
genüber zunehmend unter Kostendruck.
Weiterverarbeitung von Thermoplast-
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ACR INNOVATIONSRADAR
Im Bereich der Fertigungstechnologien etablieren sich infolge steigender Stückzahlen und erhöhten Kostendrucks zunehmend automatisierte Verfahren und Prozesse.
Halbzeugen (GMT / Organobleche)
lungen in der Fertigungstechnologie
Als technologischer Trend ist die Topo-
gesetzt. Vorteil ist die im Vergleich zu
konnten auch komplexere Geometrien
logie-Optimierung von Gusstücken
Prepregs unbegrenzte Haltbarkeit des
realisiert werden.
zu erwähnen: Die Geometrie von
strukturelle oder funktionelle Elemente
Die Weiterentwicklung von Gießpro-
dass an Oberflächen minimierte Span-
im Spritzgussprozess direkt anzubinden.
zessen und Gusswerkstoffen sowie
nungsspitzen auftreten – das Ergebnis
deren Einsatz in Kombination mit Nicht-
ist ein festigkeits- und gewichtsopti-
Vorprodukts sowie die Möglichkeit
Bauteilen wird hier derart gestaltet,
Als Beispiel, welches die Vorteile der
Gusswerkstoffen stellen in Hinblick auf
miertes Bauteil, welches oft dem
Weiterentwicklung in Bezug auf die
neue Anwendungen sowie gesteigerte
Vorbild der Natur nachgeahmt ist
Werkstoffe und die Fertigungstechno-
Anforderungen an Bauteile und
(bionische Herleitung). Mit diesem
logie verdeutlicht, ist die Ausführung
Konstruktionen eine Herausforderung
Trend einhergehend sind Verbesse-
der Fahrgastzelle des Lamborghini
für die Zukunft im Bereich der innova-
rungen im Bereich der Formfüllungs-
Aventador zu nennen. Durch Verwen-
tiven Bauteilherstellung durch
und Erstarrungssimulation zu nennen.
dung von Carbonfasern in einem Kunst-
Gießprozesse dar. Die Fahrzeugin-
stoffverbund (CFK) konnte im Vergleich
dustrie ist mit Abstand der größte Guss-
Metall-Verbunde als Bauteile der
zu herkömmlichen Werkstoffen das
anwender und auch der innovative
Zukunft werden sich dadurch
Gewicht reduziert und gleichzeitig
Treiber, wenn es darum geht, Gießpro-
auszeichnen, dass jeweils der für die
durch die hervorragenden Werkstoffei-
zesse und Gusswerkstoffe zu opti-
lokale Beanspruchung am besten
genschaften die Sicherheit der Insassen
mieren.
geeignete Werkstoff an der richtigen
erhöht werden. Durch Weiterentwick-
Stelle ein-gesetzt wird bzw. dass durch Funktionsintegration aus mehreren
Abbildung 2: Organoblech-Strukturbauteil (Bild: Fa. Engel)
Bauteilen ein einziges Bauteil entsteht. Dies kann durch Kombination von mehreren unterschiedlichen Werkstoffen erreicht werden. Getrieben wird diese Entwicklung sowohl aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten (Energieeinsparung, bessere Ressourcennutzung) als auch wegen verstärkter Berücksichtigung von Umweltaspekten. Metallverbunde können grundsätzlich entweder mittels Füge- oder Hybridfügetechniken, wie z.B. Schweißen, Löten, Nieten, Schrauben oder Kleben oder aber auch gießtechnisch hergestellt werden. Die
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
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Bei funktionsintegrierten Gussbauteilen geht es darum, elektronische und adaptronische Funktionselemente direkt im Druckgeißverfahren einzugießen.
gießtechnische Herstellung bietet
vorgefertigtes metallisches Teil in einem
gießverfahren mit einer Aluminiumlegie-
gegenüber den anderen Verfahren den
weiteren Schritt durch Gießen ein- bzw.
rung umgossen, sodass eine formschlüs-
großen Vorteil, dass selbst komplexeste
umgossen. Ein hervorragendes Beispiel
sige Verbindung entsteht.
Geometrien realisiert werden können.
dafür ist ein Verbundguss-Kurbelge-
Die Kombination unterschiedlicher
häuse aus einer Aluminium- und
Ein Metall-Keramik-Verbund ver-
Werkstoffe erfordert technisch
Magnesiumlegierung: Dabei wird das
deutlicht Möglichkeiten zur Gewichtsre-
anspruchsvolle Lösungen und es sind
innere, höher belastete Skelett aus einer
duktion im Automotive-Bereich durch
noch große Anstrengungen in
übereutektischen Legierung im Nieder-
Einsatz von Verbundwerkstoffen auf
Forschung und Entwicklung notwendig,
druckgießverfahren hergestellt und in
Aluminium- und Magnesiumbasis, die
um das gesamte Potential zu nutzen,
einem weiteren Schritt im Druckgießver-
durch keramische Komponenten höhere
das durch Werkstoffverbunde ermög-
fahren mit einer leichten Magnesiumle-
Festigkeiten bei geringerem Bauteilge-
licht wird. Während es für die Verbin-
gierung zum fertigen Motorblock
wicht erreichen. Bei Verbundwerk-
dung arteigener Werkstoffe meist
umgossen. Gegenüber einer reinen
stoffen aus Metall und Keramik (Metal
mehrere Möglichkeiten gibt und diese
Aluminium-Ausführung kann dadurch
Matrix Composites – MMC oder
auch weitgehend technisch beherrscht
eine Gewichtseinsparung von ca. 25%
Ceramic Matrix Composites – CMC)
werden, bedarf die Verbindung von
realisiert werden.
wird ein metallisches Trägermaterial mit
artfremden Materialien noch weiterer
keramischen Hartstoffpartikeln verstärkt.
Forschung und es ist erst mittelfristig mit
Weitere Metall-Metall-Verbunde, an
Die Leichtigkeit des Metalls lässt sich
serientauglichen Lösungen zu rechnen.
deren Herstellung derzeit geforscht
auf diese Weise mit der Beständigkeit
wird, ist z.B. hybrider Stahlblech-Leicht-
der Keramik kombinieren. Entweder
Bei der gießtechnischen Herstellung von
metall-Verbundguss: Dabei werden
werden die Keramikpartikel mit der
Metall-Metall-Verbunden wird ein
umgeformte Blechstrukturen im Druck-
metallischen Schmelze vergossen
Abbildung 3: Verbundguss-Kurbelgehäuse aus Aluminium und Magnesium (Abbildung: BMW AG, München)
10
ACR INNOVATIONSRADAR
Speziell der Fahrzeugbau wird immer wieder als Vorreiter bei der Einführung neuer Fügetechnologien angesehen.
(Partikelverstärkung) oder hochpo-
aktorische Funktionalitäten in Guss-
entsprechende Weiterentwicklung der
röse Keramik-Vorformlinge, sogenann-
teilen integriert werden. Die Anwen-
Fügetechniken. Leichtbau-Konstruk-
ten Preforms, beim späteren Gießen
dungspotenziale liegen beispielsweise
tionen sowie verschärfte wirtschaftliche
des Leichtbauteils von der Metall-
in der eindeutigen Gussteilkennzeich-
Rahmenbedingungen erfordern zuneh-
schmelze infiltriert (Kurz- oder Lang-
nung und Verfolgung mittels integrierter
mend den Einsatz und die Entwicklung
faserverstärkung). Ein Beispiel für
RFID-Transponder (Radiofrequenz-
innovativer Materialien bzw. Material-
eine derartige Anwendung ist die
Identifikation), in der Erkennung von
kombinationen und deren Verbindungs-
lokale Verstärkung der Zylinderlaufflä-
Bauteil-Überbelastung mittels inte-
methoden sowie den besten Werkstoff
chen im Motorblock der Porsche
grierter Piezo-Sensoren sowie in der
für den jeweiligen Einsatz. Schweißen,
Boxster und 911. Dabei werden kera-
Beeinflussung des Schwingungsverhal-
Clinchen, Stanznieten und Kleben sind
mische Preforms in eine metallische
tens von Bauteilen und deren Akustik
als anerkannte (Einzel-)Fügetechniken
Form eingelegt und im Druckgießver-
mittels integrierter Piezo-Aktoren.
bereits seit langem Stand der Technik.
fahren mit einer Aluminiumschmelze
Durch die zunehmende Komplexität
infiltriert und im Motorblock einge-
Speziell der Fahrzeugbau wird immer
neuer Leichtbauteile gelangt die
gossen.
wieder als „Trendsetter“ für die Einfüh-
Anwendung dieser Verbindungstech-
rung neuer Fügetechnologien ange-
niken jedoch zunehmend an die
Bei funktionsintegrierten Guss-
sehen. Der Einsatz unterschiedlichster
Grenzen der einzelnen Verfahren. Die
bauteilen geht es darum, elektroni-
Werkstoffe (Stahl, Aluminium, Magne-
folgenden Herausforderungen sind
sche und adaptronische Funktionsele-
sium, Kunststoffe, Faser-Kunststoff-
zukünftig zu bewältigen:
mente direkt im Druckgießverfahren
Verbunde etc.) sowie die Anwendung
• die Reduzierung des Bauteilgewichts
einzugießen. Dadurch können erwei-
innovativer Konstruktionsprinzipien
• die Effizienzsteigerung bei der
terte elektronische, sensorische oder
erfordert fast zwangsläufig auch eine
Bauteilfertigung
Abbildung 4: Motorblock mit keramischen Preforms zur lokalen Verstärkung (Siliziumkarbid) (Abbildung: KS Aluminium Technologie GmbH, Hafenstraße 25, DE-74172 Neckarsulm)
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
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• die Optimierung der Prozessbeherrschung • die Erhöhung der Langzeitbeständigkeit und Dauerfestigkeit von Bauteilen
Fügeverfahren (z.B. Falzen, Clinchen,
die Bänder zusammengewalzt und
Stanznieten, Punktschweißen) mit klebe-
können sodann umformtechnisch
technischen Prozessen kombiniert
weiterverarbeitet werden1, 2. Ziel dieser
werden. Auf diese Weise können alte-
Fügetechnik ist es, hochwertige Metall-
rungsbedingte Eigenschaftsverluste, wie
bleche mit preiswerteren Typen zu
sie z.T. bei reinen Klebeverbindungen
verbinden und so kostengünstigere
zu beobachten sind, vermieden werden.
Materialkombinationen mit hochwer-
Diese Anforderungen sind nur mithilfe
Umgekehrt übernehmen die mechani-
tigen Gesamteigenschaften zu
innovativer produktionstechnischer
schen Verfahrenskomponenten die
erzeugen. Auch können auf diese
Lösungen zu erreichen.
Fixierung der Fügepartner bis zur Kleb-
Weise bestimmte Materialkombina-
stoffaushärtung. Auch beim Fügen
tionen erzielt werden, die anders nicht
unedler Metalle, wie z.B. Aluminium-
oder nur sehr schwer herstellbar sind.
sowie • die Verbesserung der Recyclierbarkeit.
Das sogenannte Hybridfügen kann hier Abhilfe schaffen, weil es durch
und Magnesium-Legierungen, ist das
Bisher wird diese Technologie zur
gezielte Kombination zweier oder
Kleben bzw. Punktschweißkleben oft
Herstellung von Halbzeugen aus der
mehrerer Fügetechniken die Vor- und
die Fügetechnik der Wahl.
Kombination härtbarer Stähle zur Ferti-
Nachteile der jeweiligen Verfahren in
gung von Werkzeugen (z.B. Bohrer)
sinnvoller Weise ausgleicht. Ziel ist es
Beim Laserinduktionswalzplat-
eingesetzt und findet ihre Verwendung
dabei, die Stärken der jeweils inte-
tieren werden Metall-Bänder, die nicht
auch bei der Erzeugung von Teilen der
grierten Fügetechniken zu akkumulieren
zwangsweise geometrisch deckungs-
Antriebstechnik (z.B. Zahnräder, Spin-
und auf diese Weise deren Schwächen
gleich sein müssen, beim Einlaufen in
deln, Nocken). Weiters kann dieses
zu kompensieren. Besondere Bedeu-
den Walzstock zunächst induktiv vorge-
Verfahren auch zur Plattierung auf
tung haben in den letzten Jahren
wärmt. Unmittelbar vor dem Walzspalt
Bauteiloberflächen seine Anwendung
Hybridfügeverfahren erlangt, bei denen
erwärmt ein Linienlaser die Innenflä-
finden (z.B. Fertigung von Führungs-
umformtechnische oder thermische
chen der Bänder, anschließend werden
bahnen)3, 4. Zu erwähnen sind in
12
ACR INNOVATIONSRADAR
Intensiv wird auch an der Weiterentwicklung der so genannten „Bimetall-Doppelschweißtechnik“ gearbeitet: eine Technik zum Verbinden unterschiedlicher Metalle durch Verschweißen mit einer Bimetallkomponente.
diesem Zusammenhang auch Halb-
bigen kontinuierlichen Nahtverlauf und
gleichzeitig verdichtet; durch dieses
zeuge aus nicht oder nur schwer
dem damit universellen Einsatzgebiet.
Fügen in der festen Phase entsteht nach
schweißbaren Materialienkombina-
Als Hauptschwierigkeit ist die Verfüg-
dem Abkühlen eine feste Verbindung.
tionen (Ti-Al, Ni-Ti, Ni-Al) sowie
barkeit der jeweiligen Bimetalle anzu-
Ein Arbeiten unter Schutzgasatmo-
Verbinder aus Kupfer und Aluminium
sehen; letztere werden z.T. mittels Lase-
sphäre ist dabei nicht erforderlich,
rinduktionswalzplattieren hergestellt.
auch besteht durch die geringere
einer für den Leichtbau interessanten
An der jetzigen Umsetzung arbeitet die
Temperaturbelastung deutlich geringere
Kombination aus Stahl mit einer Alumi-
SZA in Kooperation mit der TU Wien.
Neigung zur Riss- und/oder Porenbil-
nium-Legierung, die in den kommenden
Aluminium und Stahl sollen kombiniert
dung in der Schweißnahtzone. Weitere
Jahren zur industriellen Umsetzung zur
werden (Abb. 5), als auch die Verbin-
Vorteile sind:
Verfügung stehen wird, wird gearbeitet.
dung anderer Materialkombinationen
für
Antriebskomponenten5, 6.
Auch an
(zur weiteren Optimierung von Design, Intensiv wird auch an der Weiterent-
Gewicht und Festigkeit von Bauteilen)9.
wicklung der Bimetall-Doppel-
• ein hoher Grad an Automatisierbarkeit • hohe Reproduzierbarkeit
schweißtechnik („TWIN-
Im Gegensatz zu konventionellen
• geringe Fehleranfälligkeit
Schweißen“) gearbeitet – eine
Schweißverfahren wird beim Rühr-
• gute Überwachbarkeit des Prozesses
Technik zum Verbinden unterschiedli-
reibschweißen (Friction Stir
cher Metalle (z.B. Stahl / Aluminium)
Welding – FSW) der Werkstoff nicht
durch Verschweißen mit einer Bimetall-
völlig aufgeschmolzen, sondern mit
komponente im
Schweißnahtbereich7, 8.
Die Vorteile liegen im nahezu belie-
sowie • Dauerfestigkeit der Verbindung10, 11.
Hilfe eines rotierenden, verschleißfesten
Ausgehend von Aluminium und seinen
Werkzeugs erwärmt (plastifiziert) und
Legierungen eignet sich das Verfahren
Abbildung 5: Links: Schematische Darstellung einer Bimetall-Doppel-Schweißung; Rechts: Stahl-Aluminium-Bimetall-Platinen DX54D - [DC01 - Al99] - AW6016 des JOIN-Projekts (Abbildung: SZA)
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
13
Für die Untersuchung struktureller und funktioneller Eigenschaften von Materialien und Bauteilen sind in den letzten Jahren viele neue innovative Charakterisierungsmethoden entwickelt worden.
insbesondere auch im Bereich von
Zukunft einen breiten Anwendungsbe-
Magnesium(legierungen), Kupfer, Stahl
reich abzudecken.
und Titan(legierungen); darüber hinaus
INNOVATIVE UNTERSUCHUNGSMETHODEN IN DER MATERIAL- UND BAUTEILPRÜFUNG
wurden in den letzten Jahren auch
Metallstifte (Pins), die auf Metalloberflä-
vermehrt Anstrengungen unternommen,
chen geschweißt werden (häufig ca.
das Rührreibschweißen auch für ther-
10 Pins/cm2), sind als weitere neuar-
moplastische Kunststoffe einzusetzen.
tige Verbindungstechnologie (lösbar
Für die Untersuchung struktureller und
Ein besonderer Vorteil der Anwendung
oder nicht lösbar) zu nennen. Verbin-
funktioneller Eigenschaften von Mate-
ergibt sich auch durch die Tatsache,
dungen zwischen verschiedenen Metal-
rialien und Bauteilen sind in den letzten
dass viele Materialkombinationen, die
len und die Möglichkeit, Metall mit
Jahren eine Vielzahl neuer, innovativer
üblicher Weise als nicht miteinander
Kunststoffen oder Keramik zu verbinden,
Charakterisierungsmethoden entwickelt
verschweißbar gelten, durch Rührreib-
sind auf diese Weise möglich (Abb. 6).
worden. Einige dieser Verfahren haben
schweißen erfolgreich verbunden
Dieses Verfahren bietet sich an als
bereits Eingang in die Qualitätskontrol-
werden können. Diese Technologie legt
Abstandshalter für definierte Distanzen,
le hochwertiger Bauteile bzw. Bauteil-
ihren Schwerpunkt auf qualitativ hoch-
Beschriftung von Bauteilen oder auch
komponenten erlangt und werden im
wertige Verbindungen und in die
lösbare Verbindungen; die Varianten-
Bereich der Schadensursachenfor-
Bereiche Leicht- und Hybridbau (Multi-
vielfalt liefert ein großes technologi-
schung mit Erfolg eingesetzt. Andere
Material-Design) und entwickelt sich in
sches Potential für Unternehmen und ist
wiederum stehen erst am Beginn ihrer
den letzten Jahren stetig weiter, um in
in ihrer Einsatzmöglichkeit noch nicht
Markteinführung, lassen jedoch ein
ausgeschöpft
12, 13.
erhebliches Entwicklungspotential erkennen.
Abbildung 6: Anwendungsbeispiel für Pins; Pin-Abstand: 10 mm (Abbildung: Fa. Fronius Österreich GmbH)
Wegen der zuneh-
TECHNOLOGISCHE TRENDS
menden Bedeutung von Verbundwerkstoffen in der Bautechnik und im Fahr-
zeugbau stieg in den letzten Jahren der Bedarf an Möglichkeiten, Bauteile aus diesen neuen Werkstoffen auf Defekte und Abweichungen zu prüfen. Der heterogene Aufbau und die meist anisotrope Struktur dieser Materialien stellen die Werkstoffprüfung und die Qualitätssicherung vor große Heraus-
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ACR INNOVATIONSRADAR
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
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forderungen, die mit herkömmlichen
der einzelnen Methoden verlangen, um
aus Kunststoffen, Metallen, Keramiken
Charakterisierungsmethoden oft nicht
diese Strukturen auch wirklich korrekt
und Verbundwerkstoffen ist einer der
mehr bewältigt werden können.
darstellen und charakterisieren zu
großen aktuellen Trends im Bereich der
können. Aber auch im Bereich der mikroskopisch kleinen Strukturen sind die Anforderungen an die Charakterisierungsmethoden dramatisch angestiegen – insbesondere durch den zunehmen-den
Material- und Bauteilcharakterisierung. Er beruht zum einen auf der Verfügbar-
ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFMETHODEN IN DER MATERIAL- & BAUTEILPRÜFUNG
Einsatz nanotechnologischer Beschich-
keit immer empfindlicherer Sensortechnik und zum anderen auf der Möglichkeit, riesige Mengen von anfallenden Primärdaten mit Hilfe von Software-unterstützten Verfahren auswerten
tungen und/oder Strukturen, die ein
Die zunehmende Anwendung zerstö-
und/oder korrelieren zu können –
immer höheres Auflösungsvermögen
rungsfreier Prüfmethoden für Bauteile
beides inzwischen durchaus innerhalb wirtschaftlich vertretbarer Rahmenbedingungen. Die Verfahren kommen
Abbildung 7: Thermogramm einer laminierten Solarzelle vor/nach Schadgaslagerung. Links: vor Lagerung; Mitte: nach Lagerung mit Delaminationen; Rechts: Lichtbild (Abbildung: OFI)
sowohl in Prüf- und Qualitätssicherungslaboratorien, zunehmend aber auch für die Prozesskontrolle direkt bei der Fertigung der Bauteile zum Einsatz. So kann neben einer Steigerung der Bauteilsicherheit oft auch ein Einsparpotenzial durch Verringerung von Produktionsschwankungen realisiert werden.
Abbildung 8: Puls-Phasen-Thermogramm einer laminierten Solarzelle mit Rückseitenkontakten bei unterschiedlicher Auswertefrequenz, entsprechend unterschiedlicher Messtiefe (Abbildung: OFI)
Bei der Wärmefluss-Thermografie wird dem Prüfobjekt Wärme zugeführt und mit einer hochempfindlichen Infrarotkamera mit hoher Bildfolge die zeitliche und örtliche Änderung der Temperaturverteilung registriert. Verborgene Defekte, wie Materialrisse, Inhomogenitäten, Faserbrüche oder Delaminationen stören den Wärmefluss im Prüfkörper und können daher auf diese Weise detektiert werden. Unterschiede in der Wärmeableitung können bei
16
ACR INNOVATIONSRADAR
hoch-empfindlichen Systemen auch zur
ling anzuregen, sind sehr vielfältig:
werden. Die Belastungsart ist stark vom
visuellen Darstellung des Inneren eines
Neben Strahlern und optischen Blitzen
vermuteten Fehlertyp abhängig und
Prüflings genutzt werden.
kann auch eine Anregung mittels Ultra-
wird daher meist bauteilspezifisch
schall erfolgen, bei der die Wärme
gewählt (z.B. Druck, Vakuum, thermi-
Abbildung 7 zeigt beispielsweise die
nicht von außen auf das zu prüfen-de
sche Belastung). Shearografie-Systeme
Anwendung der aktiven Thermografie
Werkstück aufgebracht wird, sondern
stehen auch in mobiler Ausführung zur
mit Blitzanregung an einer laminierten
im Prüfling selbst (über die eingelei-
Verfügung, sodass großflächige
Solarzelle mit Rückseitenkontaktierung.
teten Ultra-schallschwingungen) indu-
Verbundbauteile vergleichsweise
Im Bild ist das mit dem bloßen Auge
ziert wird. Dabei können teilweise
einfach und rasch geprüft werden
visuell nicht erkennbare Haftversagen
auch Materialdefekte festgestellt
können. Durch Einbindung in automati-
der Schutzschicht nach Lagerung des
werden, die mittels optischer Anregung
sche Prüfabläufe mit Roboteranbindung
Moduls in Schadgasatmosphäre zu
nicht detektiert werden können.
wird die Methodik auch zur 100%-
sehen.
Speziell im Metallbe-reich kommt auch
Prüfung von Verbundbauteilen (z.B.
induktive Erwärmung der Prüflinge zur
Rotorblätter von Helikoptern oder von
Abbildung 8 zeigt als weiteres Beispiel
Anwendung. Insbesondere für den
Windkraft-anlagen) eingesetzt.
für eine abbildende Darstellung mittels
Bereich der Verbundwerkstoffe wurden
Wärmefluss-Thermografie einen kohlen-
in den letzten Jahren auch Verfahren
Elektrisch oder magnetisch leitfähige
stofffaserverstärkten Kunststoff (CFK -
entwickelt, die Kombinationen aus ther-
Materialien sind online im Wirbel-
schwarz), eingebettet in eine Harzma-
mografischen Prüfmethoden mit
strom-Prüfverfahren zerstörungsfrei
trix (weiß), bei dem mittels Thermo-
anderen zerstörungsfreien Verfahren
bis in Tiefen von mehreren Millimetern
grafie die Faserverflechtung visualisiert
nutzen, wie z.B. Thermografie & Rönt-
prüfbar. Das Verfahren kann sowohl
wurde.
gentechnik oder aktive Thermografie &
berührungslos oder im Kontakt durch-
digitale Shearografie.
geführt werden und detektiert oberflä-
Die Prüfung von Verbundmaterialien ist
chennahe Defekte oder Gefügefehler.
mittlerweile eine der wichtigsten
Bei der Shearografie wird das Prüf-
Diese zerstörungsfreie Prüfmethode
Anwendungen der Wärmefluss-Thermo-
objekt mit kohärentem Laserlicht
findet ihre Anwendung häufig bei der
grafie geworden und auch Gegenstand
beleuchtet und das Bild mittels CCD-
Prüfung von Materialien (z.B. Rohre), in
aktueller Forschungsprojekte. Die
Kamera (charge-coupled device) aufge-
der Prozesssicherung des Schweißens
Empfindlichkeit der Kamerasysteme
zeichnet. Durch interferometrischen
sowie im Bereich der Qualitätssiche-
liegt dabei oft um Größenordnungen
Vergleich eines Bildes unter (vergleichs-
rung in der Automobilindustrie und bei
über jener von herkömmlichen Thermo-
weise geringer) Belastung mit einem
Wartungsprüfungen. Aktuelle Entwick-
grafie-Systemen, welche im Bereich des
Referenzbild ohne Belastung können
lungen im Bereich der Prüfung von
Bauwesens (z.B. zum Er-kennen von
Defekte, Schädigungen und Verfor-
Carbon-Fiber-Composites nutzen die
Kältebrücken) eingesetzt werden. Die
mungen – Letztere mit einer Größe von
Leitfähigkeit der Fasern für die Untersu-
Möglichkeiten, den Wärmefluss im Prüf-
nur wenigen Mikrometern – erkannt
chung mittels hochauflösender Wirbel-
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
17
Die Röntgen-Computer-Tomografie ermöglicht es, Poren, Risse und Einschlüsse in Bauteilen leicht zu erkennen und bezüglich ihrer Größe und Form zu quantifizieren.
stromtechnik. Mit Hilfe von scannenden,
Voxel) zur Visualisierung und weiterfüh-
die Ergebnisse aus der RCT für Simula-
abbildendenden Verfahren können
renden Auswertungs- und/oder Verar-
tionen oder CAD-Anwendungen
Delaminationen, Faserbrüche so-wie
beitungsschritten zugänglich gemacht
genutzt werden können. Dadurch wird
Produktionsfehler im Bereich der
werden können. Interessant ist in
auch ein Soll/Ist-Vergleich von Geome-
Gelege oder auch die Faserausrichtung
diesem Zusammenhang z.B. die Über-
triedaten möglich. Da das Verfahren
an Prüflingen erfasst werden14. Die
führung des Voxel-Modells in Oberflä-
materialunabhängig ist, wird es in
Entwicklungen betreffen nicht nur die
chennetze oder Punktwolken, wodurch
vielen Bereichen wie z.B. Keramik- und
Prüfung von fertigen Verbund-materialien, sondern auch die Prüfung von Zwischenprodukten, wie zum Beispiel die zur Verstärkung eingesetzten Gewebe. Vor allem wegen der Möglichkeiten der 3D-Visualisierung kommt der Röntgen-Computer-Tomografie (RCT), die auf der Durchstrahlung von Bauteilen mit Röntgenstrahlen basiert, steigende Bedeutung zu. Durch den Einsatz der kurzwelligen Strahlung ist hohe Material-durchdringung kombiniert mit einer Auflösung von deutlich unter 1 µm möglich. Damit können innere Materialdefekte wie z. B. Poren, Risse und Einschlüsse detektiert und bezüglich ihrer Größe und Form quantifiziert werden. Mit diesem zerstörungsfreien Blick ins Innere von Materialien und Bauteilen können wesentliche neue Erkenntnisse hinsichtlich Eigenschaften und Herstellprozessen gewonnen werden. Die Bilderfassung erfolgt mittels spezieller Hochleistungsdetektoren, sodass die dabei generierten elektronischen Daten (Volumen-Pixel =
18
ACR INNOVATIONSRADAR
Abbildung 9: Röntgen-Computer-Tomografie (RCT) an einem Gussteil zur Visualisierung von Poren (Abbildung: ÖGI
Baustoffindustrie, Kunststoffe oder
Die bei der Terahertz-Tomografie
(OCT) dar: Sie ist eine kontakt- und
Archäologie zunehmend zur Prüfung
eingesetzte Strahlung (0,1 bis 10 THz
zerstörungsfreie Methode zur Visuali-
herangezogen. Als ein mögliches
entsprechen einer Wellenlänge von
sierung mittels Infrarotlicht. Die
Anwendungsbeispiel ist nachfolgend
1mm bis 10 µm) ist vergleichsweise
Methode detektiert kleinste Brechungs-
ein mittels RCT untersuchtes Gussteil
energiearm und nicht ionisierend,
index-Unterschiede im Beobachtungsvo-
dargestellt. In der transparenten
sodass sie auch in Bereichen eingesetzt
lumen. Durch interferometrische Überla-
Darstellungsweise sind deutlich die im
werden kann, in denen Röntgen-
gerung von Infrarotwellen, die aus
Gussteil vorhandenen Poren ersichtlich
strahlen aus Gründen des Arbeitneh-
verschiedenen Probentiefen zu-rück
(Abb. 9).
merschutzes nicht angewendet werden
gestreut werden, mit einer Referenz-
können (z.B. in industriellen Produkti-
welle, kann aus dem detektierten
Strukturen mit nur geringen Dichteunter-
onsumgebungen). Kunststoffe, Papier,
Signal auch In-formation über die Posi-
schieden lassen sich im Röntgen-
viele Keramiken und nichtpolare
tion des Streubereiches in der Tiefe des
Absorptions-kontrast nur schwer
Substanzen sind für THz-Strahlung
untersuchten Bauteils erhalten werden.
sichtbar machen. Für derartige Anwen-
weitestgehend transparent, während
Derzeit wird die OCT im industriellen
dungsfälle wurde die Röntgen-Phasen-
Metalle die Strahlung reflektieren.
Bereich zur Defektanalyse bei Glas-
kontrasttomografie entwickelt, die –
Substanzen mit polaren Gruppen
faser-Verbundwerkstoffen, Untersu-
wie in der optischen Mikroskopie – die
absorbieren charakteristische Frequenz-
chungen von Einzelschichten in Mehr-
räumliche Kohärenz des „weißen Rönt-
bereiche, wo-durch eine tomografische
schichtfolien, zur Schichtdickenmessung
genlichts“ für Phasenkontrastmessungen
Bildgebung und Identifizierung der
und zur Visualisierung von inneren
ausnutzt und so in vielen Fällen auch
bestrahlten Materialien möglich wird.
Strukturen in Spritzgussbauteilen einge-
die Darstellung von Strukturen mit mini-
Durch Terahertz-Tomografie, die ein
setzt.
malsten Absorptionsänderungen
hohes Durchdringungsvermögen hat,
möglich macht. Für tomografische
wird die Aufklärung und Visualisierung
Ultraschallmikroskopie und
Untersuchungen in der Material- und
innerer makroskopischer Strukturen von
Ultraschallprüfung zählen mittler-
Bauteilprüfung wurden bisher meist
(Verbund-) Werkstoffen ermöglicht. In
weile zu den klassischen und etab-
Systeme auf der Basis von Röntgen-
der industriellen Qualitätssicherung ist
lierten Verfahren in der zerstörungs-
strahlung eingesetzt. In neuerer Zeit
Terahertz-Spektroskopie von beson-
freien Bauteilprüfung. Die nur punktför-
stehen geeignete gepulste Quellen
derem Interesse zur 3D-Rekonstruktion
mige Durchführbarkeit der Messungen,
bestehend aus Femtosekundenla-
von Bauteilen aus verschiedenen Werk-
die im Fall von Bauteilprüfungen ein
sern zur Verfügung, mit denen Tera-
stoffen und dem Lokalisieren von darin
langwieriges Abrastern der Prüflinge
hertz-Strahlen von ausreichender Inten-
verborgenen Anomalien und Abwei-
erforderlich macht, sowie die in der
sität erzeugt und für tomografische
chungen von Fertigungs-toleranzen.
Regel notwendige Einbringung der
Untersuchungen herangezogen werden können.
Proben in Wassertauchbäder, können Eine Weiterentwicklung der CT stellt die
nachteilig sein. Die Prüfung mittels
Optische Kohärenztomografie
Ultraschall stellt speziell bei massiven
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
19
Ultraschallmikroskopie wird heute nicht nur zur Detektion von Anomalien eingesetzt, sondern auch zur Bestimmung von physikalischen Parametern und Materialkonstanten und in weiter Folge zur Lebensdauerabschätzung.
Bauteilen mit hohen Wandstärken aller-
möglich sind. Abbildung 10 zeigt
mit mehreren Messköpfen unterschiedli-
dings oft die einzig mögliche zerstö-
einen Ausschnitt von einem Gewebe
cher Frequenzbereiche systematisch
rungsfreie Prüfmethode dar. Umgekehrt
aus Kohlefaserbündeln in einem faser-
abzutasten, um auf diese Weise die
lassen sich heute mit bildgebender
verstärkten Werkstoff. Auch in der
variierenden Materialkonstanten bezüg-
Ultraschall-Mikroskopie im Wasser-
Oberflächentechnik kann Ultraschallmi-
lich Reflexion und Dämpfung berück-
tauchbad hochpräzise tomografische
kroskopie im Zuge von beschleunigten
sichtigen zu können. Hier kommt die
Aufnahmen von Bauteilen aus Verbund-
Bewitterungsversuchen zur frühzeitigen
Phased Array Technologie zum
werkstoffen mit lateralen Auflösungen
Detektion von Schäden vorteilhaft
Einsatz, bei der der Prüfkopf aus einer
von weniger als 5 µm erzielen. Zum
eingesetzt werden. Abbildung 11 zeigt
Reihe von einzelnen Schwingerele-
Beispiel können an Carbon Composites
zum Beispiel visuell nicht erkennbare
menten besteht. Durch variable elektro-
bei Schlagbeanspruchung Schäden
Unterwanderungen an einer zu
nische Ansteuerung kann das Schallfeld
entstehen, die, anders als bei Metallen,
prüfenden Beschichtung mit Ritzverlet-
gezielt moduliert werden und so
nicht durch Beulen oder Risse an der
zung auf Stahlblech nach 500 Stunden
mehrere Einschallwinkel oder Prüf-
Oberfläche visuell erkennbar sind.
Kondenswasserlagerung15.
zonen (Sectorscans) erzeugt werden.
Ultraschallmikroskopie kann hier einen
Phased Array-Prüfköpfe werden zur
Beitrag zur Prüfung von derartigen
Bei Prüfungen im Feld ist es aus techni-
Schweißnahtprüfung, zur Prüfung von
Materialien leisten, da auch Untersu-
schen oder wirtschaftlichen Gründen
Metallen und zum Untersuchen von
chungen unterhalb der Oberfläche
meist nicht möglich, einen Prüfkörper
Bauteilen aus Verbundwerkstoffen, wie
Abbildung 10: Akustische Abbildung von Kohlefaserbündeln unter der Oberfläche in einem faserverstärkten Material. Die Abbildung zeigt einen quadratischen Ausschnitt von 10mm Kantenlänge (Abbildung: OFI).
20
ACR INNOVATIONSRADAR
Abbildung 11: Visuell nicht erkennbare Unterwanderungen von Beschichtungen an einer Ritzverletzung (unterschiedliche Proben), die mittels akustischer Mikroskopie abgebildet werden können (Abbildung: OFI)
glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK)
erzeugt, mit deren Hilfe Störstellen
Die Lasertriangulation ist ein in der
oder carbonfaserverstärkten Kunst-
erfasst werden können. Der große
Qualitätssicherung und Prozessüberwa-
stoffen (CFK), eingesetzt. Das Verfahren
Vorteil der LUS ist somit das berüh-
chung einsetzbares, berührungsloses
ermöglicht eine Aussage darüber, in
rungslose Prüfen, z.B. wenn ein
optisches Messverfahren, das auf trigo-
welcher Tiefe die Fehler im Bauteil oder
Kontakt mit Ultraschallkoppelmittel
nometrischen Zusammenhängen beruht.
in der Schweißnaht liegen. Diese Tech-
(Wasser) nicht möglich ist
Es trägt dem Faktum Rechnung, dass
nologie wird stetig weiterentwickelt,
(heiße/glühende Medien, nicht rost-
die in vielen Fällen geforderte 100%-
sodass nicht nur die klassischen
freier Stahl) oder wenn extrem schwer
Kontrolle im Fertigungstakt der Bauteile
Einsatzgebiete wie Luftfahrt, Schweiß-
zugängliche Stellen untersucht werden
nicht mehr mit Hilfe manueller Messver-
naht- oder Korrosionsprüfung und die
sollen: Da die Probe selbst (über den
fahren (z.B. mit Lehren) oder mittels
Charakterisierung komplexer Geome-
eingebrachten Laserimpuls) der Ultra-
Koordinatenmessmaschinen vorge-
trien und schwer zugänglicher Bauteil-
schall-Erzeuger ist und die Ausbrei-
nommen werden kann. Beim soge-
bereiche abgedeckt und verbessert
tungsrichtung der Wellen bestimmt, ist
nannten Laserlicht-Schnittver-
werden, sondern es erschließen sich
es nebensächlich, unter welchem
fahren wird z.B. eine Laserlinie auf
auch immer wieder neue Möglichkeiten,
Winkel der Laserstrahl auf die Probe
das Messobjekt projiziert, von einer Kamera erfasst und mit einem Rechner
z.B. im Bereich der Niederdrucktur-
auftrifft16.
binen, der Überprüfung von Pipelines
sungen (z.B. zur Beurteilung von sehr
ausgewertet. Fehler (z.B. Poren, Poro-
oder bei Verbundwerkstoffen von Rake-
dünnen Schichten) notwendig, so kann
sität) ändern die Entfernung des auftref-
tendüsen.
das sogenannte modulierte Laser-
fenden Laserstrahls zur Kamera und
Sind extrem hohe Auflö-
Ultraschall-Verfahren zum Einsatz
können so auch automatisiert detektiert
Die Ultraschallmikroskopie wird heute
kommen: Dabei werden bestimmte
werden18. Durch den vergleichsweise
nicht nur zur Detektion von Anomalien
Frequenzen des Lasers amplitudenmo-
einfachen Messaufbau, die geringen
eingesetzt, sondern auch zur Bestim-
duliert und mit einem entsprechenden
Kosten und einer relativ kurzen Mess-
mung von physikalischen Parametern
frequenzangepassten Detektor ausge-
dauer ist das Verfahren heute schon
und Materialkonstanten und in weiterer
wertet. Diese Methode findet auch
weit verbreitet. Das Anwendungsgebiet
Folge zur Lebensdauerabschätzung.
Einzug bei der Schichtdickenbestim-
dieser Messmethode liegt in der Quali-
Während bei klassischen Ultraschall-
mung und der Ermittlung von elasti-
tätskontrolle elektronischer Bauteile
Messverfahren die Probe de facto in
schen Eigenschaften von dünnen
sowie in der fertigungsintegrierten
direktem Kontakt mit dem Messkopf
Schichten und Beschichtungen. Bisher
Vermessung von Schweißnähten und
stehen muss, er-folgt bei der soge-
wurde diese Technologie noch kaum
Faserverbundbauteilen. Vorteile liegen
nannten Laser-Ultraschall-Techno-
industriell eingesetzt, jedoch wird an
in der Robustheit und der hohen Auflö-
logie (LUS) die Energieübertragung
der Technologie und Umsetzung derzeit
sung bei der Vermessung von Schweiß-
durch einen Laserlicht-Impuls im Nano-
noch im Rahmen verschiedenster
nähten, die wiederum ein großes
oder Pikosekundenbereich, welcher im
Entwicklungsprojekte gearbeitet17.
Inspektionsfeld und eine hohe Verarbei-
Probenmate-rial selbst Ultraschallwellen
tungsgeschwindigkeit ermöglichen.
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
21
Dieses Messverfahren liefert ein Instru-
rial deutlich. Metallische Bauteile
Die dynamischen Eigenschaften von
ment zur Qualitätssicherung und
werden mittels piezoelektrischer
Elastomeren sind von verschiedenen
Prozessüberwachung, wobei auch
Ultraschallgeber zu Schwingungen
Größen (z.B. Frequenz, Lastamplitude,
automatisierte Lösungen, die die
angeregt. Über Spektralanalyse des
Temperatur) abhängig, die wiederum
Prozesse selbständig überwachen,
Schwingungsspektrums werden sodann
großen Einfluss auf die Betriebsfestig-
einsetzbar sind.
Materialkennwerte (E-Modul, Schub-
keit des Bauteils haben. Elastomerbau-
modul, Poissonzahl) in Abhängigkeit
teile unterliegen im realen Betrieb mehr-
Bei der Schwingungsprüfung
von der Temperatur ermittelt. Diese
achsigen Belastungen. Einachsige
werden Proben zu Schwingungen
speziell für Finite Elemente Berech-
Prüfungen weichen von den Versuchser-
angeregt und aus der Schwingungsana-
nungen notwendigen Kenngrößen
gebnissen mehrachsiger Experimente
lyse Informationen über z.B. Material-
können somit belastungsunabhängig
jedoch häufig ab. Typische Prüfobjekte
kennwerte oder die zu erwartende
und insbesondere auch für Composite-
für multiaxiale Lebensdauerprüfung
Lebensdauer abgeleitet. Die Verfahren
Werkstoffe ermittelt werden.
sind Elastomer-Verbundbauteile bei
unterscheiden sich je nach Probenmate-
22
ACR INNOVATIONSRADAR
Schienenfahrzeugen. Diese Bauteile
Ein wichtiger Trend in der modernen Werkstoffentwicklung ist die Bauteilgestaltung nach dem Vorbild der Natur, die Bionik.
unterliegen häufig relativ großem
Rohdichte eine entscheidende Rolle.
Zeitpunkt Informationen zur Qualität
Verschleiß und sind zudem oft sicher-
Während die Rohdichte mit geringem
eines Rundholzes zur Verfügung,
heitsrelevant. Um die Sicherheit der
Aufwand bestimmbar ist, konnte die
welche wiederum Rückschlüsse auf die
Produktqualität zu gewährleisten sind
Festigkeit bisher nur durch zerstörende
wahrscheinlich zu erwartenden Quali-
daher mehrachsige Betriebsfestigkeits-
Versuche genau bestimmt werden.
täten des Schnittholzes zuließen.
prüfungen
unumgänglich19.
Damit diese auch zerstörungsfrei abgeschätzt werden kann, wird (neben
Der Einsatz entsprechender maschi-
In der Holzwirtschaft stellen Schwin-
anderen Verfahren) die Schwin-
neller Sortiersysteme bietet die
gungsprüfungen und damit zerstörungs-
gungsmessung eingesetzt. Anhand
Möglichkeit, die natürliche Streuung
freie Prüfungen ebenfalls eine Möglich-
zahlreicher Versuche wurde ein guter
des Holzes „in den Griff“ zu
keit der Materialcharakterisierung dar.
Zusammenhang zwischen dem dynami-
bekommen. Es wird möglich, das
Aktuelle Entwicklungen zeigen, dass
schen Elastizitätsmodul und der Festig-
Ausgangsmate-rial entsprechend der
das Aufkommen von Laubholz in den
keit bestätigt. Das Grundprinzip der
Qualität einzuteilen und auf diese
nächsten Jahrzehnten ansteigen wird.
Schwingungsmessung ist dabei die
Weise die Wertschöpfung aus einem
Laubhölzer weisen aufgrund ihrer unter-
Ermittlung der Eigenfrequenz, um den
Stamm zu erhöhen. Da nicht alle
schiedlichen Struktur und Ausprägung
dynamischen Elastizitätsmodul eines
Schnitthölzer, die „schön aussehen“
deutlich unterschiedliche Festigkeits-,
Rund- oder Schnittholzes zu bestimmen.
auch fest sind und sich für den
Steifigkeits- und Rohdichtekennwerte
In der Praxis wird das zu untersu-
tragenden Einsatz eignen, bietet die
auf. Die Zusammenhänge können bei
chende Holz durch einen Schlag auf
maschinelle Sortierung eine objektive
unterschiedlichen Laubholzarten deut-
die Stirnseite zu Schwingungen ange-
Möglichkeit zur Qualitätserkennung.
lich voneinander abweichen. Mit
regt und diese durch Laser oder Mikro-
Darüber hinaus ist es möglich, den
Verbesserungen im Bereich der zerstö-
fone erfasst. Nachteilig wirkt sich hier
Anteil von nicht weiter verwendbarem
rungsfreien Untersuchungsmethoden ist
derzeit die Feuchte- und Temperaturab-
Schnittholz zu senken und damit die Ausbeute zu erhöhen.
auch mit einem Einsatz von Laubholz
hängigkeit des dynamischen Elastizi-
als Konstruktionswerkstoff zu rechnen.
tätsmoduls auf die Vorhersage der
Der Rohstoff Holz weist von vornherein
Festigkeitswerte aus. Maschinelle
eine natürliche Streuung seiner Eigen-
Systeme werden solche Abhängigkeiten
schaften auf, die die Streuung von tech-
z.B. über die Bestimmung des Anteils
nisch hergestellten Produkten bei
an gefrorenem Wasser im Holz berück-
weitem übersteigt. Um Holz überhaupt
sichtigen müssen, damit die Vorhersa-
im Bauwesen verwenden zu können,
gegenauigkeit gesteigert werden kann.
muss dieser Streuung durch Sortierung
Aktuell wird an der Anwendung der
des Schnittholzes begegnet werden.
Schwingungsmessung auch an Rundhölgearbeitet20.
Dadurch stünden im
Dabei spielen die drei Kennwerte
zern
Festigkeit, Elastizitätsmodul und
Sägewerk zu einem wesentlich früheren
ZERSTÖRENDE WERKSTOFFPRÜFUNG BEI RAUM-, TIEF- UND HOCHTEMPERATUR Ein wichtiger Trend der modernen Werkstoffentwicklung beschäftigt sich mit Bauteilgestaltungen nach dem
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
23
Vorbild der Natur (Bionik) und mit der
Mit diesen Prüfmaschinen können erst-
Daher steigt die Bedeutung der mikro-
Optimierung der Materialeigenschaften
mals wichtige Themen in der Werkstoff-
skopischen Untersuchungsmethoden in
mittels Finite Elemente Berechnungen.
prüfung behandelt werden: Bei
der praktischen Materialforschung und
Dafür werden exakte Kenntnisse über
verschiedenen Materialklassen wie z.B.
in der Schadensfallanalytik.
die mechanischen Eigenschaften
hochfesten oder spröden Werkstoffen
der Werkstoffe über einen weiten
können die mechanischen Eigen-
In den letzten Jahren wurden neue
Temperaturbereich benötigt. Mit
schaften bei tiefen und hohen Tempera-
Methoden der Lichtmikroskopie entwi-
modernen Prüfanlagen können die
turen nur mittels dehnungsgeregelter
ckelt, die in der Materialcharakterisie-
mechanischen Eigenschaften von Mate-
Prüfmaschinen ermittelt werden. Ebenso
rung bereits umfassend eingesetzt
rialien bei Raumtemperatur bzw. hohen
verlangen neue Zugprüfnormen (EN
werden. Dazu zählt das konfokale
(bis 900°C) oder niedrigen (bis –80°C)
ISO 6892-1, EN ISO 6892-2)
Laser-Scanning-Mikroskop
Temperaturen geprüft werden. Dazu
Messungen mit dehnungsgeregelter
(CLSM), das vor allem in der Biologie
werden Proben aus den zu prüfenden
Prüfgeschwindigkeit.
und in der medizinischen Forschung
Werkstoffen bzw. Materialien mecha-
verwendet wird. In der Materialfor-
nisch auf Zug, Druck oder Biegung
schung werden für die Untersuchung
belastet und dabei die Kräfte und die
der Oberflächentopografie zunehmend
Verformung mit höchster Auflösung gemessen. Mit den modernen elektronisch gesteuerten Prüfmaschinen
MIKRO- UND NANOANALYTISCHE UNTERSUCHUNGSMETHODEN
3D-Lichtmikroskope eingesetzt, die das Problem der geringen Schärfentiefe von Lichtmikroskopen dadurch eliminieren, indem ein Stapel von Bildern
können auch ganze Bauteile statisch über einen weiten Temperaturbereich
Die Eigenschaften von Werkstoffen,
von der untersten bis zur obersten
geprüft werden und die Prüfgeschwin-
Funktionsmaterialien und Bauelementen
Fokusebene aufgenommen wird.
digkeit kann direkt über die Dehnungs-
werden in hohem Ausmaß auch von
Aufgrund dieser Fokus-Variation gene-
messung geregelt werden.
der Mikro- und Nanostruktur beeinflusst.
riert das Messgerät sowohl die topo-
24
ACR INNOVATIONSRADAR
Die Bedeutung der mikroskopischen Untersuchungsmethoden in der praktischen Materialforschung und in der Schadensfallanalytik steigt.
grafische Information als auch Farbin-
kroskopie (AFM) durch den quantita-
Im Falle organischer Materialien, wie
formation einer Probenoberfläche mit
tiven dreidimensionalen Charakter
etwa Kunststoffe oder Biomaterialien,
einer vertikalen Auflösung von etwa 10
inzwischen ein zentrales Element der
können mit Hilfe von Infrarot- oder
Nanometern21.
Oberflächencharakterisierung darstellt.
Raman-Mikroskopen wichtige
Im AFM wird eine feine Sonde in sehr
Erkenntnisse über lokale Änderungen
Für die lateral aufgelöste Visualisierung
kleinen Schritten über die Oberfläche
chemischer Bindungen, Materialzusam-
der Oberflächenmorphologie (Rauigkeit,
gerastert und mit funktionalisierten
mensetzungen und/oder kristalliner
Topografie) können auch Profilometer
Sonden können auch magnetische,
Strukturen erzielt werden („chemical
und die verschiedenen Methoden der
elektrische und chemische Eigen-
imaging“). Speziell im Bereich von
Rastersondenmikroskopie eingesetzt
schaften auf der Nanometerskala
Phasengrenzflächen können auf diese
werden. Aufgrund der kurzen Mess-
detektiert werden. Das AFM funktioniert
Weise z.B. Stoffübergänge (Weichma-
zeiten sind Profilometer nahezu
unter Umgebungsbedingungen gleicher-
cher-Wanderungen etc.) zwischen den
ideal für die Messung von Linienpro-
maßen wie in Flüssigkeiten und im
einzelnen Phasen oder z.B. auch die
filen, während die Rasterkraftmi-
Vakuum22.
Eindringtiefe chemischer und/oder
Abbildung 12: Charakterisierung eines polymeren Multimaterialverbundes (links) vor und nach Alterung mittels Infrarot-Imaging (rechts oben) sowie Raman-Imaging (rechts unten) (Abbildungen: OFI Wien und ZFE Graz)
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
25
Bei mikro- und nanoanalytischen Untersuchungsmethoden spielt die Elektronenmikroskopie eine zentrale Rolle.
oxidativer Oberflächenschädigungen
neuen Teilchenmessgeräts, in das ein
Kristallstruktur, den physikalischen
nachgewiesen werden. Das laterale
Raman-Spektrometer integriert wurde,
Eigenschaften und der chemischen
Auflösungsvermögen der beiden
verspricht hier einige wesentliche
Zusammensetzung verknüpft werden
Methoden liegt in der Regel bei etwa
Vorteile. Pulver und Stäube mit einem
kann. In der Materialforschung hat
10 µm, im Falle der konfokalen Raman-
Durchmesser von etwa einem Mikro-
insbesondere die Rasterelektronen-
Mikroskopie werden Tiefenauflösungen
meter bis zu einigen Millimetern
mikroskopie (REM) sehr weite
von unter 2 µm erreicht. Die Infrarot-
können automatisch in Bezug auf die
Verbreitung gefunden. Sie ermöglicht
und Raman-Mikroskopie werden inzwi-
Teilchen-größe und Teilchenform analy-
die mikroskopische Untersuchung von
schen in vielen Industriebereichen wie
siert werden und gleichzeitig liefert die
Materialoberflächen mit einer wesent-
z.B. der Kunststoff-, Lack- und Pharma-
Raman-Spektroskopie die chemische
lich besseren Auflösung und Schärfen-
industrie eingesetzt, finden aber auch
Zusammensetzung der Partikel. Die
tiefe als die klassische Lichtmikroskopie.
steigendes Interesse in der Halbleiter-
Einsatzbereiche erstrecken sich von der
In Verbindung mit der energiedisper-
und Baustoffindustrie.
Zementforschung über die Mineralin-
siven Röntgenspektroskopie (EDX) kann
dustrie bis zur Umweltanalytik.
die chemische Zusammensetzung von
Die quantitative Charakterisierung
Materialien mit Mikrometer-Auflösung
von Partikeln in Pulvern,
Bei den mikro- und nanoanalytischen
rasch und effizient analysiert werden.
Stäuben und Umweltproben ist
Untersuchungsmethoden spielt die
Ein für KMU interessanter Trend besteht
einerseits die Grundvoraussetzung für
Elektronenmikroskopie eine
in der Einführung von kleinen, güns-
die Beurteilung von Gesundheitsge-
zentrale Rolle, dies nicht nur wegen
tigen REM (so genannte „table-top“-
fahren, andererseits hat sie eine große
der Auflösung, die bis in atomare
Geräte), die jedoch nicht an die Leis-
Bedeutung bei industriellen Fertigungs-
Dimensionen reichen kann, sondern
tungsfähigkeit herkömmlicher REM´s
prozessen. Die Entwicklung eines
weil die Bildinformation direkt mit der
herankommen, sondern häufig in einem
Abbildung 13: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme und Elementverteilung einer Aluminium (blau) - Silizium (gelb) - Eisen-Nickel (orange) - Legierung. (Abbildungen: ZFE).
26
ACR INNOVATIONSRADAR
Rasterelektronenmikroskopie ermöglicht die mikroskopische Untersuchung von Materialoberflächen mit einer wesentlich besseren Auflösung und Schärfentiefe als die klassische Lichtmikroskopie. Spezielle Erweiterungen erlauben die Untersuchung feuchter Proben und dynamische „in situ“-Analysen.
ähnlichen Vergrößerungsbereich wie
Für die Erfassung lokal eng begrenzter
können aus Werkstoffen und Bauele-
bei der Lichtmikroskopie eingesetzt
Phänomene, wie z.B. die Chemie an
menten in sehr kleinen Probenberei-
werden. Mit Einführung des „Environ-
inneren Grenzflächen, die Charakteri-
chen (lokale Defekte) zielgenau Proben
mental“-Rasterelektronenmikro-
sierung von Sekundärphasen in Festkör-
entnommen und im TEM analysiert
skops (ESEM) konnte der Anwen-
pern und deren Wechselwirkung mit
werden (z.B. Analyse von Materialde-
dungsbereich des REM auf feuchte
der Festkörpermatrix oder aber auch
fekten, Korngrenzen in Stählen und
Proben und dynamische mikroskopi-
für die Charakterisierung der Struktur
Legierungen, Aufbau von elektroni-
sche Untersuchungen erweitert werden.
von einzelnen Nanoteilchen ist die
schen Bauelementen, Materialbeschich-
Bei dieser „in-situ“-Mikroskopie kann
Auflösung der bisher genannten mikro-
tungen und Biomaterialien).
der Ablauf physikalischer und chemi-
skopischen Methoden in vielen Fällen
scher Prozesse bei Vergrößerungen im
nicht ausreichend. Mit Hilfe der Trans-
Die Erweiterung des Transmissionselek-
Mikro- und Nanobereich direkt beob-
missionselektronenmikroskopie
tronenmikroskops (TEM) mit einem
achtet werden. Typische praktische
(TEM), deren Auflösung im Bereich von
abbildenden Energiefilter ermöglicht es
Anwendungen sind etwa die Hochtem-
100 Pikometern (100 Milliardstel Milli-
die Vorteile des Energiefilterungs-
peraturkorrosion von Stählen, das
meter) liegt, können derartige Phäno-
TEM (EFTEM) zu realisieren. Von
Bruchverhalten von Kunststoffen und
mene umfassend charakterisiert werden
besonderer Bedeutung ist dabei die
Biomaterialien oder Quellvorgänge in
– teilweise sogar mit atomarer Auflö-
Möglichkeit die zweidimensionale
Textilien.
sung23.
Verteilung verschiedener chemischer
In Verbindung mit der
Focused-Ion Beam Methode (FIB)
Elemente mit einer lateralen Auflösung
Abbildung 14: Nanoanalytische Untersuchung von Zweitphasen in einer degradierten Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)-Kathode (rot = Strontium, grün = Cobalt, blau = Lanthan) (Abbildung: ZFE)
PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
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von etwa einem Nanometer (1 Milli-
AutorInnen
onstel Millimeter) zu messen. Die
Heinz Haider; Udo Pappler;
EFTEM-Methode liefert neuartige
Volker Uhl (OFI)
Einblicke in den chemischen Aufbau
Gerhard Schindelbacher (ÖGI)
von Festkörpern, Halbleitern und Struk-
Heinz Basalka;
turwerkstoffen und zählt inzwischen zu
Katharina Umlaub (SZA)
den wichtigsten Methoden der Nanoa-
Ferdinand Hofer (ZFE)
nalytik. Ein typisches Beispiel einer
Koordination
EFTEM-Untersuchung wird in Abbildung
Julian Wagner (ZFE)
14 gezeigt: Es handelt sich dabei um die Nanoanalyse von Ausscheidungen in einer Stahlprobe. Die Elementverteilungsbilder von Titan, Nickel und Chrom wurden in einem RGB-Bild übereinandergelegt und liefern die Information über die chemische Zusammensetzung der Ausscheidungen. Der Informationsgewinn gegenüber einer konventionellen TEM-Untersuchung ist klar ersichtlich. Aufgrund der aufwendigen Probenpräparation, der teuren und schwierig zu bedienenden Mikroskope müssen TEM und FIB in speziellen Labors mit kritischer Größe z.B. an Universitäten und Forschungszentren aufgebaut werden, die in den meisten Fällen dann auch für KMUs zur Verfügung stehen.
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ACR INNOVATIONSRADAR
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PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
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