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, zerstörungsfreie und inlinefähige Prüfmethode auf Basis der Laser-Speckle-Photometrie (LSP).

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.

Neuer Lösungsansatz für Qualitätssicherung: Laser-Speckle-Photometrie (LSP)

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.

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 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.

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.

Das System kann 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. Das System gibt die Ergebnisse in Echtzeit aus und weist 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.

Dies und andere Trends stellt das Fraunhofer IKTS am 15. und 16. September 2021 auf der Ceramitec in München vor.