Next Level LandBW 2024/25 – Quantensensorik in Materialcharakterisierung und -prüfung

Projektbeschreibung

Die Optimierung von Materialien, das Verständnis von Ermüdung und die Vermeidung von Ausfällen sind für viele Branchen entscheidend, darunter Automobilsektor, Robotik, Raumfahrtindustrie und erneuerbare Energien. Magnetfelder werden seit langem als Werkzeug für die zerstörungsfreie Prüfung eingesetzt. Bisher lag der Schwerpunkt auf technisch erzeugten Magnetfeldern ab der Stärke des Erdmagnetfeldes (50 μT und mehr) zur Durchdringung und Überwachung von Materialien und Bauteilen. Jüngste Fortschritte bei ultrahochempfindlichen Magnetometern auf Basis quantenmechanischer Systeme, wie NV-Zentren in Diamant oder optisch gepumpte Magnetometer (OPM), haben schwächere Felder in den Fokus der Forschung gerückt. Sowohl NV-Magnetometrie als auch OPM sind nicht-invasiv und ermöglichen die Messung von Magnetfeldern, ohne das untersuchte System zu stören.

Das Fraunhofer-Projekt NextLevel baute auf früheren Forschungsarbeiten im Projekt QMag auf, bei denen verschiedene Materialien (ferritischer Stahl, Elektrostahl und Reineisen) mit NV- und OPM-Magnetometern untersucht wurden. Diese Quantensensoren ermöglichen absolute Magnetfeldmessungen und Bildgebung im Mikrobereich, wodurch bisher unzugängliche magnetische Strukturen sichtbar werden.

Das NextLevel-Projekt zielte darauf ab, diese Quantensensor-Fähigkeiten für die Materialcharakterisierung und -prüfung zu nutzen, einschließlich der Entwicklung einer Magnetfeldkamera der nächsten Generation.

Dieser Prozess der Untersuchung und Identifizierung führte zu einem Fingerabdruck-Konzept für Materialien, bei dem jede Probe einzigartige magnetische Strukturen aufweist. Untersucht wurde u.a., wie diese magnetischen Signaturen gruppiert und mit Materialtyp und -eigenschaften (wie Phasenumwandlung, Steifigkeitsänderung, Versprödung) korreliert werden können. Ziel war es, Materialverbesserungen und Methoden zur Ermüdungserkennung, -vorhersage und -prävention zu entwickeln. Die Untersuchung von Proben mit unterschiedlichen Ermüdungsgraden ermöglichte die Erkennung von Ermüdungsmustern, die Charakterisierung ermüdungsbedingter Magnetfeldänderungen sowie Einblicke in die Rissentstehung durch spezifische magnetische Mikrostrukturen.

Teilvorhaben Fraunhofer IWM: Mikromechanische Prüfung und Materialcharakterisierung mit Quantensensoren

Im Fraunhofer-Leitprojekt QMag hat das Fraunhofer IWM seine Kompetenzen um die magnetische Materialprüfung an Mikroproben mit optisch gepumpten Magnetometern (OPM) erweitert. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPM wurden Sensoren und Methoden weiterentwickelt und verifiziert. Erste Ergebnisse zu hochfesten Stählen und Elektroblechen wurden in Koss et al. (2022) [1] und Philipp et al. (2023) [2] veröffentlicht und auf Konferenzen vorgestellt. Zudem wurden mit dem Fraunhofer IAF erste Arbeiten mit NV-Magnetometern durchgeführt.

Um die Quantensensorsignale interpretieren zu können, führte das Fraunhofer IWM im Projekt NextLevel zusätzlich mikromagnetische Simulationen durch, die die Magnetfeldveränderungen im Material nachbilden. Dafür wurden Finite-Elemente- und Finite-Differenzen-Methoden angewendet, um mechanische und magnetische Belastungen sowie deren kombinierte Effekte abzubilden. Ziel war das zuverlässige und reproduzierbare Verständnis sowie die Darstellung der Materialveränderungen durch Defekte oder plastische Beschädigungen, sowohl experimentell als auch in Simulationsmodellen.

AP2: Magnetometrie zur Charakterisierung und Prüfung von Materialien  

• Gewinnung von Informationen über die magnetische Domänen- und Subdomänenstruktur und das mikrostrukturelle Magnetisierungsverhalten mit OPM und NV an verschiedenen, unermüdeten Materialien (FeSi, Fe).
• Bewertung der Entwicklung der plastischen Schädigung mit Quantensensoren (OPM und NV) und Untersuchung von Materialproben mit unterschiedlichen Ermüdungsgraden.

AP3: Materialstudie für einen Studienfall: Formgedächtnislegierungen (Pseudoelastizität)

• Herstellung und Vorbereitung von Proben aus einer Formgedächtnislegierung (NiTi)
• Quasi-statische und zyklische Zugtests an Formgedächtnislegierungen
• Bewertung von deren magnetischen Signaturen mit OPM und NV 

_{[1] Koss, P. A.; Durmaz, A. R.; Blug, A.; Laskin, G.; Pawar, O. S.; Thiemann, K.; Bertz, A.; Straub, T.; Elsässer, C., Optically pumped magnetometer measuring fatigue-induced damage in steel, Applied Sciences 12/3 (2022) Art. 1329, 11 Seiten Link} 

_{[2] Philipp, S.; Mathes, N.; Feuerhelm, M.; Durmaz, A. R.; Deldar, S.; Soldativ, I.; Schäfer, R.; Vidal, X.; Straub, T., Diamond-based magnetic widefield-microscopy of domain patterns in electrical steel, Proc. of SMSI 2023 – Sensor and Measurement Science International Conference; AMA Verband für Sensorik und Messtechnik e. V. (Hrsg.); AMA Service GmbH, Wunstorf (2023) 75-76 Link}