Mikrostruktur und Eigenspannungen

Mit der maßgeschneiderten Werkstoffmikrostruktur zu innovativen Werkstofffunktionen und zuverlässigen Bauteilen.


Die Mikrostruktur eines Werkstoffs bestimmt seine mechanischen, thermischen, elektrischen und optischen Eigenschaften. Auch die Anfälligkeit für chemische Reaktionen, wie Korrosion oder Oxidation, wird durch die Mikrostruktur beeinflusst. Sie bestimmt, wie leistungsfähig und langlebig die Produkte sind. Durch die Aufklärung von Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen wird die Basis für eine zielsichere Werkstoffauswahl, die Optimierung von Werkstoff und Prozesskette und die Vorhersage des Betriebsverhaltens geschaffen. Wir untersuchen den Einfluss von Herstellungsverfahren und Betriebsbeanspruchungen auf die Mikrostruktur und den Eigenspannungszustand von Werkstoffen und Bauteilen.

Wir stellen die Verbindung her zwischen der gewünschten Funktion von Werkstoffen und Bauteilen und der erforderlichen Prozessführung. Wir klären auf, wie sich die Mikrostruktur im Betrieb und in Fertigungsprozessen entwickelt und wie die Mikrostrukturentwicklung gezielt beeinflusst werden kann. Wir verhelfen Ihnen mit maßgeschneiderten Werkstoffen wie gezielt strukturierten Funktionsmaterialien zu innovativen Produkten und zuverlässigen Bauteilen. Ein multi-hierarchischer Aufbau oder Porositäten in Funktionskeramiken oder Metallen erlauben es die Effizienz für Energiewandlungs-Anwendungen gezielt zu verbessern.

In diesen Anwendungsfeldern können wir Sie unterstützen

 

Qualitätssicherung in der Materialverarbeitung

Abweichungen oder Unregelmäßigkeiten bei Rohstoffen, Ausgangsmaterialien oder Halbzeugen in Form von Defekten, Kontaminationen, schwankenden Eigenschaften oder Eigenspannungen lassen sich nicht gänzlich ausschließen. Es braucht Strategien, diese zu erkennen, zu bewerten und letztlich damit umzugehen, denn sie haben in der Verarbeitung direkte Auswirkungen auf die finale Mikrostruktur und damit die Qualität von Endprodukten. 

 

Berechenbare thermische Prozesse

Um bei thermischen Prozessen, wie Schweißen, Gießen, Härten, Sintern oder Laserschmelzen die gewünschten mechanischen, chemischen und physikalischen Bauteileigenschaften zu erreichen, ist ein tiefgreifendes Verständnis des Zusammenhanges zwischen Temperaturhistorie und Eigenschaften erforderlich. Hierbei spielen insbesondere Phasenumwandlungen eine große Rolle.

 

Substitution kritischer Rohstoffe

Gesetzliche Vorgaben, schwierige Verfügbarkeit, veränderte Einsatzbedingungen oder neue Kundenwünsche fordern in vielen Anwendungen die Substitution kritischer Rohstoffe oder das Design neuer Werkstoff-funktionen. Nur mit der geeigneten Wissensbasis zu Eigenschaften und Verhalten können die technologischen Weichenstellungen auf dem Weg zu neuen Werkstofflösungen vollzogen und wirtschaftliche und ökologische Randbedingungen eingehalten werden.

 

Schadensaufklärung und Schadensvermeidung

Bei der Entstehung von Bauteilschäden wirken in der Regel der Werkstoff, die Prozesskette und Einsatzbedingungen zusammen. Für eine fundierte Ursachenforschung müssen mechanische, thermische, korrosive und tribologische sowie Medieneinflüsse und deren Zusammenwirken analysiert werden. Für die nachhaltige Vermeidung müssen Fertigungsfehler beseitigt und Materialunregelmäßigkeiten beherrscht und ggf. das Bauteildesign angepasst werden.

 

Wir machen Wekstoffe berechenbar.

FuE-Leistungen zur Mikrostruktur und Eigenspannungen

Analyse und Simulation der Mikrostrukturentstehung


Wir stellen die Beziehungen her zwischen der Mikrostruktur und den Eigenschaften des Werkstoffs und nutzen diese Informationen für die Entwicklung optimierter Werkstoffeigenschaften und für einen sicheren Werkstoffeinsatz. Durch Simulationen können wir Mikrostrukturen vorhersagen und bewerten diese im Hinblick auf die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Lebensdauer von Bauteilen. 

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Analyse und Simulation von Eigenspannungen

 

Wir ermitteln fertigungs- und einsatzbedingte Eigenspannungen und erarbeiten Empfehlungen für Bauteilauslegung, Werkstoffeinsatz und Fertigungsprozesse. Für unsere Auftraggeber realisieren wir eine wirtschaftliche Messstrategie, die auf die individuelle Problemstellung angepasst ist und gewährleisten eine ökonomische und zuverlässige Bewertung von Eigenspannungszuständen. 

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Kristallstruktur- und Phasenanalysen
 

Wir korrelieren mechanische, elektrische, magnetische Eigenschaften mit der Kristall- und Mikrostruktur und erklären Eigenschaftsänderungen in Folge von Hochtemperatureinsatz, Deformation oder Korrosion. Wir nutzen Röntgen-, Synchrotron- oder Neutronenstrahlung, um Informationen über die atomare Anordnung in einem polykristallinen Bauteil zu erhalten. Daraus lassen sich Aussagen zum Werkstoffverhalten ableiten oder Eingabeparameter für die Werkstoffsimulation erzeugen.  Im Labor lassen sich außerdem Zustände nachbilden, wie sie im realen Betrieb des Werkstoffs oder des Bauteils auftreten und detailliert analysieren.

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Schadenanalyse und Aufklärung von Schädigungsprozessen  


Wir ermitteln Schadensursachen und definieren Maßnahmen zur nachhaltigen Vermeidung technischer Schadensfälle. Bei Schadensanalysen betrachten wir fallspezifisch das gesamte Umfeld wie den Werkstoff, die Prozesskette und die Einsatzbedingungen. Wir analysieren die mechanischen, thermischen, korrosiven und tribologischen Einflussfaktoren sowie das Werkstoff- und Bauteilverhalten unter Medienatmosphäre. 

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Entwicklung und Herstellung poröser Funktionsmaterialien  


Wir entwickeln hochleistungsfähige Energiematerialien mit maßgeschneiderten und anforderungsspezifischen Eigenschaften (Porosität und Festigkeit) mit Hilfe neuer Fertigungsprozesse auf Basis von Kapillarsuspensionen (CapS). Damit realisieren wir Poren- und Werkstoffgradienten sowie komplexe Geometrien, die den Massenan- und -abtransport optimieren und die Effizienz der Energiewandlung erhöhen. Für den industriellen Einsatz bieten wir Technologietransfer und die Skalierung der CapS-Technologie an.

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Warum sollte mein Unternehmen bei Fragen zu Mikrostruktur und Eigenspannungen mit dem Fraunhofer IWM zusammenarbeiten? 

 

Wir machen Werkstoffe berechenbar

  • In kleinen und großen Projekten mit Unternehmen aus unterschiedlichen Industriebereichen beantworten wir die Fragen: WAS passiert im Inneren eines Werkstoffs? WARUM passiert es? WIE kann Einfluss darauf genommen werden? Unsere Expertise verhilft Ihnen zu fundierten Entscheidungsgrundlagen und zu Vorteilen im Wettbewerb.
  • Unser Fokus liegt auf der Mikrostruktur von Werkstoffen. Sie bestimmt über die Funktion und das Verhalten sowie die Lebensdauer von Bauteilen. Mit unseren hochspezialisierten Methoden zur Charakterisierung von Mikrostrukturen und zur Messung von Eigenspannungen (z. B. röntgenographisch, mittels Synchrotronstrahlung oder Neutronenbeugung), können wir die Mechanismen, die ihrer Entstehung und Veränderung zu Grunde liegen bewerten und Handlungsempfehlungen zur Optimierung ableiten.
  • Fertigungsprozesse wie Schweißen, Zerspanen, Wärmebehandlung oder additive Fertigung erzeugen Eigenspannungen und Gefügeveränderungen. Wir helfen, diese gezielt einzustellen oder zu minimieren, um Bauteilqualität und Lebensdauer zu steigern.
  • In unseren Projekten arbeiten wir an Fragestellungen aus der Automobil-, Energie-, Luft- und Raumfahrt- sowie Maschinenbauindustrie und können unsere Methoden und Erkenntnisse branchenübergreifend transferieren.

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Publikationen zum Thema Mikrostruktur und Eigenspannungen

 

Beiträge in Zeitschriften, Büchern und auf Konferenzen sowie Dissertationen und Projektberichte...