Qualitätssicherung von Hochleistungskeramik

Hochleistungskeramiken liefern Schlüsselkomponenten für die Flüssigfiltration, für Sensoren oder Festelektrolyt-Hochtemperatur-Energiespeicher – jedoch nur, wenn sie defektfrei sind. Um Ausschuss frühzeitig zu erkennen, entwickelten Forschende am Fraunhofer IKTS eine schnelle Prüfmethode.

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Hochleistungskeramiken sind in vielen Anwendungsbereichen etabliert. Trotz optimierter Fertigungstechnologien ist die Herstellung bisweilen fehleranfällig. Risse, Ausbrüche oder Einschlüsse beeinflussen die Qualität des Bauteils negativ. Deshalb gilt es, diese Fehler so früh wie möglich im Herstellungsprozess, im Idealfall vor dem teuren Sintern, zu erkennen. Bisher gibt es keine befriedigende automatisierte Lösung um Bauteile – vom Grünkörper bis zum gesinterten Material – zu prüfen. Abhilfe verspricht ein am Fraunhofer IKTS entwickeltes Sensorkonzept auf Basis der Laser-Speckle-Photometrie (LSP). Mit dieser werden oberflächennahe Defekte von technischen Keramikbauteilen zerstörungsfrei bestimmt. Nach Anregung durch einen kurzen Laser-Impuls erwärmt sich die Oberfläche um wenige Kelvin. Dadurch entsteht ein dynamisches Speckle-Muster aus dessen charakteristischer Änderung im Zeitverlauf sich Fehler im Material erkennen lassen, ohne dass das Bauteil beeinflusst wird. Das System besteht aus Laserdiode, Digitalkamera und Anregungsquelle. Dieser kleine und zugleich robuste Aufbau zeichnet sich durch geringe Kosten und eine sehr schnelle Messung aus: Je nach Auflösung und Rechentechnik wird beispielsweise ein Bauteil der Größe 30 x 30 mm² in 60 Sekunden geprüft. Dabei können fast alle gängigen Materialien, wie Al₂O₃, TiO₂ , ß-Al₂O₃ , MgO oder SiC, untersucht werden. Am Fraunhofer IKTS wurde im IGF-Projekt "OptiKer" (Industrielle Gemeinschaftsforschung: Entwicklung eines optischen Inline-Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung keramischer Hochleistungsbauteile) neben einem modularen Demonstrator ein kompatibles Software-Kit entwickelt. Die robotergestützte Sensorführung ermöglicht die Prüfung sowohl planarer als auch dreidimensionaler Bauteile. Das System kann mit verschiedenen Objektiven bestückt werden und maximal 10 μm optisch auflösen.