Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines optischen Inline-Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung keramischer Hochleistungsbauteile

Trotz optimierter Fertigungstechnologien treten bei der Herstellung von Keramik noch viele Fehler wie Risse, Ausbrüche und Einschlüsse auf, deren Beseitigung sehr zeit- und kostenintensiv ist. Eine übliche Qualitätsprüfung dieser Fehler am Bauteil ist zur Zeit die Sichtkontrolle, bei der die Erkennbarkeit der Fehler subjektiv und größenabhängig ist. Es besteht jedoch ein hoher wirtschaftlicher Bedarf an Verfahren, die schnell und zuverlässig arbeiten und in Produktionslinien integriert werden können, um wichtige Qualitätskenngrößen lokal zu überprüfen und Fehlstellen zu detektieren.

Die zeitaufgelöste Laser-Speckle-Photometrie (LSP) als neues optisches Verfahren, das auf der Auswertung der zeitlichen Veränderung von Speckle-Mustern basiert, eröffnet die Möglichkeit, die Porosität und Oberflächendefekte verschiedener Art und Größe ohne größeren Aufwand zu ermitteln. Die extrem kurzen Messzeiten prädestinieren es für den inline-Einsatz in der industriellen Produktion und für in-situ-Messungen bei Wartungs- und Reparaturaufgaben. Im Vorhaben sollen am Beispiel von hochporösem Al2O3 für die Flüssigfiltration, porösem Cordierit für Katalysatoren oder Abgasfilter, hochdichten, verschleißfesten und temperaturbeständigen Al2O3-Keramikbauteilen für Sensoren oder Reaktoren bzw. dichtem Na-ß‘‘-Aluminat als Festelektrolyt-Hochtemperatur-Energiespeicher das Potential der LSP untersucht und entwickelt werden.

Durch die Projektergebnisse können die KMUs ihre Wertschöpfungsketten durch die optimierte Qualitätssicherung für einen Wettbewerbsvorsprung innovativ ergänzen, Ressourcen effizienter durch Senkung von Ausschussraten nutzen sowie die Bauteilsicherheit durch rechtzeitige Ermittlung von schwer erkennbaren Fehlern erhöhen (Gewährleistung).

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt OptiKer wurde ein neues Konzept zur Qualitätsüberwachung keramischer Werkstoffe auf Basis des innovativen Prinzips der Laser-Speckle-Photometrie entwickelt. Zunächst wurden Strategien entwickelt, mit denen definierte Defekte in Keramik-Vorprodukte eingebracht werden können. Die minimale Defektgröße in den bereitgestellten Proben betrug ungefähr 70 µm. Ein Messaufbau wurde definiert und kompatible Auswertealgorithmen, basierend auf der Differenzkorrelationsfunktion, entwickelt, um die Defekte zu erkennen und die Porosität in den Keramikproben zu charakterisieren. Durch die Untersuchungen im Projekt wurde nachgewiesen, dass die LSP-Technologie nicht nur für die Sinterkeramik, sondern auch für die nicht gesinterte Keramik verwendet werden kann. Auf diese Weise kann die LSP für Inspektionen in fast allen Phasen des Produktionsprozesses angewendet werden. Das Endergebnis von OptiKer wurde in Form eines modularen Demonstrator-Messsystems veranschaulicht. Es wurde eine kompatible Software entwickelt, um den Demonstrator zu steuern und die Echtzeitergebnisse während der Messungen darzustellen. Der LSP-Demonstrator beinhaltet einen Tischroboter, der sich mit einer mechanischen Auflösung von 30 µm frei in alle drei Richtungen bewegen kann. Damit kann zurzeit eine Probe mit einer Größe von bis zu 20 x 20 cm² mit einem definierten Scanfenster vermessen werden. Bei Verwendung verschiedener Objektive beträgt die maximale optische Auflösung des LSP-Systems ca. 10 µm. Nach den Ergebnissen des Projekts scheint die Anwendung der LSP-Sensortechnologie zur Überwachung technischer Keramik vielversprechend zu sein. Dies gilt sowohl im Bereich der zerstörungsfreien Materialcharakterisierung (Materialparameter, Fehlerverfolgung) als auch bei der Entwicklung von Testsystemen.