Automatisierte und präzise Eigenspannungsmessungen mit der cos alpha Methode am Fraunhofer IWM
Simulationen des LPBF- Prozesses für maßgeschneiderte lokale Bauteileigenschaften
Werkstoff- und Bauteilforschung für sichere Wasserstofftechnologien
Vorstellung des Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM
Charakterisierung von Werkstoffen unter Wasserstoffeinfluss mit der Hohlprobentechnik
Wir am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM tragen mit innovativen Mess- und Bewertungsmethoden dazu bei, dass hochbelastete Bauteile sicher eingesetzt werden können. Durch gezielte Oberflächenmodifikation lassen sich zudem Einsatzzeiten verlängern, wodurch Produkte nachhaltiger betrieben werden können.
Dieses handliche Diffraktometer ermöglicht erstmals eine Messzeit von einer Minute zur punktuellen Bestimmung von Eigenspannungen. Dies ist im Vergleich zu einer Stunde bei konventionellen Methoden deutlich schneller und ermöglicht nun erstmals engmaschige und großflächige Mappings in Verbindung mit einem Roboterarm. Diese Mappings können eine Seitenlänge bis zu einem halben Meter haben und in beliebiger Orientierung im Raum durchgeführt werden.
Hiermit ergeben sich völlig neue Möglichkeiten flächig Eigenspannungsfelder automatisiert zu ermitteln. Es können z.B. Eigenspannungsgradienten in Schweißverbindungen detailliert untersucht werden, Oberflächen additiv gefertigter Komponenten können großflächig gemessen und bewertet werden. Die Messungen können an verschiedensten Werkstoffen wie Metalle (Stahl, Aluminium) oder Keramiken durchgeführt werden.
Aufgrund der geringen Größe des Gerätes und der angewendeten Methode können nun an Stellen, die für herkömmliche Geräte schwer zu erreichen sind, Eigenspannungen bestimmt werden.
In diesem Prozess wird ein Pulver punktuell mit einem Laser erhitzt; das Pulver verschmilzt und bildet nach Abkühlen das fertige Bauteil. Das ist das was man sieht. Was uns am Ende aber interessiert sind die mechanischen Bauteileigenschaften und diese hängen von der Mikrostruktur ab. Der Zusammenhang zwischen Pulver, Schmelzen, Mikrostruktur und Bauteileigenschaften ist sehr komplex. Die Simulationen vom Fraunhofer IWM helfen unseren Kundinnen und Kunden die Mikrostruktur ihrer Bauteile zu verstehen. Hierfür zeigen wir Ihnen im Folgenden eine Reihe von Beiträgen, in denen wir detailliert auf alle Aspekte des Prozesses und der Simulation eingehen.
Wasserstoff spielt in allen Zukunftsszenarien der Energiewirtschaft eine prominente Rolle. Als verbindendes Element zwischen unterschiedlichen Bereichen der Energieversorgung trägt Wasserstoff zu einer nachhaltigen Umwandlung, Speicherung und Nutzung von Energie bei. Wasserstofftechnologie unterstützt den Ausbau erneuerbarer Energiesysteme und die Vermeidung des CO2-Ausstoßes.
Fertigungs- oder betriebsbedingt kann Wasserstoff in atomarer Form eingelagert werden und strukturelle Schädigungsmechanismen in Gang setzen, die Bauteilversagen bewirken. Daher sind bei vielen Materialien, insbesondere Hochleistungswerkstoffen im Kontakt mit Wasserstoff, während der Entwicklung, der Fertigung und des Einsatzes Diffusions-, Reaktions- und Schädigungsprozessen zu beachten, um einen sicheren Betrieb und eine lange Lebensdauer von Systemen im Kontakt mit Wasserstoff zu gewährleisten.
Programmierbare Materialien sind Materialien oder Materialverbünde, deren Struktur so aufgebaut ist, dass sich ihre Eigenschaften gezielt kontrollieren und reversibel ändern lassen. In programmierbaren Materialien können komplexe und lokal unterschiedliche Funktionen einprogrammiert werden. Je nach Anwendung und Situation nimmt das Material dann von externen Triggern initiiert verschiedene Zustände und Materialeigenschaften an. Programmierbare Materialien eröffnen ein einzigartiges Potenzial für neue Systemlösungen, da sie wesentliche Systemfunktionalitäten selber übernehmen und so zusätzliche Systemteile wie Sensoren oder Aktoren überflüssig machen.
Die Bewertung der Sicherheit und der Gebrauchseignung von Bauteilen mit hohen sicherheitstechnischen Anforderungen unter betriebsrelevanten Beanspruchungen stehen im Mittelpunkt unseres Aufgabenspektrums. Die Palette der Anwendungen reicht von Sicherheitsnachweisen von Kraftwerkkomponenten über den Nachweis der Fehlertoleranz von Bauteilen der Raumfahrt, der Lebensdaueranalyse von thermomechanisch beanspruchten Komponenten in Kraftwerken und Automobilen bis zur Crashanalyse von Fahrzeugkomponenten, wobei neben dem Einsatzverhalten moderner Werkstoffe auch Fügeverbindungen und Hybridbauweisen von zentraler Bedeutung sind. Wir entwickeln und nutzen mechanismenbasierte Werkstoffmodelle zur Beschreibung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Bauteilen unter thermischer und mechanischer Beanspruchung.
Wasserstoff kann durch unterschiedliche Prozesse in die Werkstoffe gelangen – durch Beladung mit gasförmigem Wasserstoff und durch elektrochemische Prozesse wie Korrosion oder galvanische Beschichtung. Zunehmende Bedeutung gewinnt das Thema Wasserstoffversprödung von Metallen im Verkehrs- und Energiebereich, da Wasserstoff als einer der wichtigen zukünftigen Energieträger angesehen wird. Die damit verbundene Entwicklung neuer Technologien zur Herstellung, Verteilung und Einsatz von Wasserstoff als Energielieferant erfordert die Qualifizierung vorhandener und neu zu entwickelnder Werkstoffe für diese Anwendungen. Darum hat das Fraunhofer IWM neuartige Prüfstände zur Wasserstoffversprödung in Metallen entwickelt – einen Hohlprobenprüfstand und einen Autoklav für Wasserstoffbeladung mit in situ-Prüfung von Proben.
Werkstoffdaten und Werkstoffinformationen bergen ein riesiges Potenzial für Wertschöpfung und Innovation. Der Schlüssel zum Erfolg besteht darin, Werkstoffe mit ihren Eigenschaften, ihren Funktionen und ihrem Verhalten digital abzubilden. Indem Informationen zu veränderlichen Werkstoffeigenschaften im Produktlebenszyklus durchgängig verfügbar sind und die materialwissenschaftliche Bewertung Eingang in die Produktion findet, ergeben sich neue Gestaltungsmöglichkeiten bei der Zuverlässigkeit und Funktionalität von Bauteilen und der Effizienz von Fertigungsprozessen.
Das Fraunhofer IWM hat sich zum Ziel gesetzt, den Umgang mit Werkstoffinformationen zu vereinheitlichen und zu erleichtern. Gemeinsam mit strategischen Projektpartnern werden in aktuellen Leuchtturmprojekten hierfür erste Frameworks erarbeitet. Damit sollen dezentrale Materialdaten einheitlich strukturiert und zugänglich werden – natürlich unter Gewährleistung der Datensicherheit und der Datensouveränität.
Atomistische Simulationsmethoden können dabei helfen, Werkstoffe wie seltene Erden durch die Suche nach alternativen Werkstoffen zu ersetzen. Mit Simulationen, basierend auf der Festkörperphysik, und werkstoffmechanischen Experimenten klären wir Materialverhalten auf und sagen Materialeigenschaften vorher. Dadurch können wir Materialstrukturen und -funktionen gezielt gestalten. Wir nutzen diese Erkenntnisse, um ressourcen- und energieeffiziente Kombinationen von Werkstoffen zu identifizieren, die technische Systeme nachhaltig verbessern.
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
