Qualitätssicherung 15.09.2021, 13:21 Uhr

Inline-Prüfung von Hochleistungskeramik in Echtzeit

Hochleistungskeramiken liefern Schlüsselkomponenten für viele Anwendungen. Mit der Laser-Speckle-Photometrie soll nun Ausschuss frühzeitig erkannt werden.

Am Fraunhofer IKTS werden keramische Materialien mit der Laser-Speckle-Photometrie zerstörungsfrei auf Defekte geprüft. Der kompakte Messaufbau besteht aus Laserdiode (oben links), Digitalkamera (oben Mitte) und Anregungsquelle (oben rechts). Foto: Fraunhofer IKTS

Am Fraunhofer IKTS werden keramische Materialien mit der Laser-Speckle-Photometrie zerstörungsfrei auf Defekte geprüft. Der kompakte Messaufbau besteht aus Laserdiode (oben links), Digitalkamera (oben Mitte) und Anregungsquelle (oben rechts).

Foto: Fraunhofer IKTS

Hochleistungskeramiken sind in vielen Anwendungsbereichen etabliert. Wie das Fraunhofer IKTS ausführt, ist die Herstellung trotz optimierter Fertigungstechniken bisweilen fehleranfällig. Risse, Ausbrüche oder Einschlüsse beeinflussen die Qualität des Bauteils negativ (IKTS: Institut für Keramische Technologien und Systeme). Deshalb gelte es, diese Fehler so früh wie möglich im Herstellungsprozess, im Idealfall vor dem teuren Sintern, zu erkennen. Bisher gebe es keine befriedigende automatisierte Lösung um Bauteile – vom Grünkörper bis zum gesinterten Material – zu prüfen.

Neuer Lösungsansatz: Laser-Speckle-Photometrie

Abhilfe verspricht den Angaben zufolge 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 × 30 mm2 in 60 s geprüft. Dabei können fast alle gängigen Materialien, wie Al2O3, TiO2, ß-Al2O3, MgO oder SiC, untersucht werden, heißt es weiter.

Verschiedene Messungen mit einem System

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.

Defekte an Keramiken werden mit dem LSP-Sensorkonzept des Fraunhofer IKTS schnell und kontrastreich dargestellt: zum Beispiel (a) Risse in Al2O3 (ungesintert), (b) Loch mit Farbfleck in Na-ß-Aluminat (gesintert) oder (c) Loch in Al2O3 (gesintert). Aufnahmen jeweils links mit Lichtmikroskop, rechts mittels Laser-Speckle-Photometrie.

Foto: Fraunhofer IKTS

Das System kann, so das IKTS weiter, mit verschiedenen Objektiven bestückt werden und maximal 10 μm optisch auflösen. „Bisher standen uns Proben mit Defekten von minimal 70 μm zur Verfügung, die wir mit diesem Demonstrator problemlos erfasst haben. Es sind aber auch kleinere Defekte nachweisbar. Die Bestimmung der Fehlergröße ist relevant, da die zulässige Belastung des Bauteils vom Volumen des maximalen Fehlers abhängt. Neben Fehlern im Material wurde auch die Porosität, im konkreten Projekt die von Al2O3, bestimmt. Damit bietet die Methode die Möglichkeit, in Inline-Anwendungen verschiedene Aufgaben mit einem einzigen Messaufbau zu realisieren , erläutert Lili Chen, Wissenschaftler in der IKTS-Gruppe Speckle-basierte Systeme.

Qualifizierung für Fertigungslinien

Mit diesem Demonstrator können Industriepartner Messungen als Dienstleistung beauftragen, führt das IKTS aus. Das System gebe die Ergebnisse in Echtzeit aus und weise Defekte zuverlässig nach. Um die Fehler zukünftig automatisiert bewerten zu können, arbeiten die Beteiligten an der Entwicklung von Algorithmen für die Klassifizierung sowie an Konzepten für Inline-Inspektionssysteme.

Von Fraunhofer IKTS/Udo Schnell

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