Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das REM wurde von den Lehrstühlen LPT und LFT der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) für die Erarbeitung von grundlagen-wissenschaftlichen Erkenntnissen in zahlreichen Forschungsprojekten eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeiten erfolgten insbesondere Untersuchungen im Bereich Werkstoff- und Versagenscharakterisierungen sowie der Tribologie. Zudem wurde das Messgerät genutzt, um für die Entwicklung maßgeschneiderter Bauteile die mikrostrukturellen Eigenschaften zu identifizieren und bei neuen Methoden der Oberflächennanostrukturierung das Verhalten von Werkstoffen zu bestimmen. Ein Einsatzgebiet des REMs war die Analyse des Gefüges von Mikrobauteilen (DFG EN 196). Aufgrund veränderter Randbedingungen sowie auftretender Größeneffekte ist eine direkte Übertragung von Erkenntnissen aus dem konventionellen Makro- und Mikrobereich auf die Mikromassivumformung nicht möglich. Um ein grundlegendes Verständnis von fundamentalen Zusammenhängen zwischen Mikrostruktur und resultierenden mechanischen Bauteileigenschaften gefertigter Kleinstteile vom Band zu erarbeiten, wurde daher die Korngröße der Bauteile mithilfe der Elektronenrückstreubeugung (EBSD) ausgewertet. Im DFG Schwerpunktprogramm 1327 ist eine neue Oberflächenstrukturierungsmethode, die über optisch positionierte Mikrolinsen eine Bearbeitung der Werkstückoberfläche mit einer Strukturauflösung im 100 nm-Bereich ermöglicht, untersucht worden. Da diese Strukturen unterhalb der Auflösungsgrenze optischer Mikroskope sind, musste ein Großteil der AnalysenStrukturanalysen und die Geometriebestimmungen an diesem REM durchgeführt werden. In verschiedenen DFG, BFS sowie FOSTA Projekten wurde die chemische Zusammensetzung von verschlissenen Oberflächen mittels Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) charakterisiert, um das Verständnis über die Verschleißmechanismen und tribologischen Bedingungen zu erweitern. In diesem Zusammenhang wurde das adhäsive Verschleißverhalten in der Kalt- (SPP1676) und Warmumformung (BFS1117-14 und FOSTA P871) untersucht, indem die Elementzusammensetzung der Werkzeugoberfläche vor und nach der Versuchsdurchführung erfasst wurde. Um schmierstofffreie Tiefziehprozesse (SPP1676) zu realisieren, wurde die Elementkonzentration von unterschiedlichen Werkzeugbeschichtungen bestimmt. Zudem wurden das EDX-Verfahren genutzt, um an strukturierten Oberflächen nachzuweisen, ob durch die verwendeten Strukturen die Haftvermittlungsschicht oder das Substratmaterial freigelegt wurde. Im Bereich der Warmumformung (BFS1117-14) wurde die Elementverteilung von legierten Werkzeugen ermittelt, um den Einfluss der chemischen Affinität auf die Neigung zu Adhäsionsverschleiß abzuleiten. Durch REM-Aufnahmen war es zudem möglich anhaftende Aluminium-Silizium Partikeln infolge einer Materialübertragung von metallischen Kontaktpaarungen zu messen (FOSTA und BFS1117-14). In diesem Zusammenhang wurde durch EDX Analysen die AlSi Partikel infolge von Adhäsionsverschleiß nachgewiesen. Um die Umformbarkeit von hochfesten Multiphasenstählen (INI.FAU) zu beurteilen, wurden EDX-Messungen zur Erfassung der chemischen Zusammensetzung für einen Legierungsund Chargenvergleich durchgeführt. Zudem wurden EBSD-Messungen verwendet, um die Gefügeorientierung an umgeformten Bauteilen zu charakterisieren. Im Rahmen von ultraschalunterstütztem Umformen und Verstemmen (BMBF‐UltraCaulk) erfolgten durch den Einsatz des REMs eine detaillierte Untersuchung der Korngröße und Kornorientierung sowie der Gefügezusammensetzung von Aluminium- und Stahlwerkstoffen. Im Rahmen des ZIM-AiF Forschungsprojekt GenNiTiF (KF2305718CK3) wurde elementares Nickel und Titan in verschiedenen generativen Fertigungsverfahren verarbeitet und damit Bauteile aus Formgedächtniswerkstoff erzeugt. Anhand von EDX-Messungen wurden die folgenden intermetallischen Phasen detektiert: NiTi, Ni3Ti und Ti2Ni. Insbesondere wurde die Ausbildung von Titan-reichen Bereichen (in erster Linie die Ti2Ni-Sprödphase) in Abhängigkeit von den Prozessparametern untersucht, da die thermische Spannungen zur Initiierung von Rissen führen. Mithilfe des REMs wurde eine objektive Klassifizierung des Versagensverhaltens von Blechwerkstoffen durchgeführt (DFG 2043/59_1). In diesem Zusammenhang tritt eine Defektinitiierung durch eine Blechdickenreduktion, durch Mikrorisse oder durch eine Aufrauhung der Oberflächen auf. Ziel der Analyse war dabei die Identifizierung des stabilen Defektwachstums bis zu Einschnürung und Riss. Für Ermüdungsuntersuchungen durch Aufnahmen von Bruchflächen sowie für die Klassifizierung der Defektarten, wurden die Messergebnisse des REMs für die Entwic klung von komplexen, anwendungs- und beanspruchungsangepassten Funktions- und Strukturbauteilen aus Feinblech verwendet (TR73, A2). In diesem Zusammenhang war es möglich Rückschlüsse auf Bruchursachen zu ziehen. Zusammenfassend wurden durch den Einsatz des neuen Großgerätes hinsichtlich umfangreicher Struktur- und Gefügeanalysen signifikante wissenschaftliche Erkenntnisse erzielt. Durch diese Ergebnisse wurde in den verschiedenen Projekten ein erweitertes Prozess- und Werkstoffverständnis erzielt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Accumulative Roll Bonding of precipitation-hardenable aluminum alloys of the 6000 series in a warm rolling process. ASMET, Rolling Conference (2016)
M. Merklein, J. Herrmann
- Effect of a local laser heat treatment on the formability of multi-layered 6000 series aluminum alloys. Physics procedia 83 (2016)
M. Merklein, J. Herrmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.08.058) - High Temperature Laser Based Drop on Demand Micro Joining of Thin Metallic Layers or Foils using Bronze Braze Preforms. Journal of Laser Micro/Nanoengineering 11(1), (2016)
S. Stein, J. Heberle, M. Suchy, F. Tenner, F. Hugger, S. Roth, M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.2961/jlmn.2016.01.0021) - Influences on incubation in ps laser micromachining of steel alloys. Journal of Laser Applications (2016), 0226051-0226056
T. Häfner, J. Heberle, M. Dobler, M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.2351/1.4944445) - Laser pyrolysis of an organosilazane-based glass/ZrO2 composite coating system. Materials and Design 109 (2016)
K. Tangermann-Gerk, G. Barroso, B. Weisenseel, P. Greil, T. Fey, M. Schmidt, G. Motz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.07.102) - A process chain for integrating piezoelectric transducers into aluminum die castings to generate smart lightweight structures. Results in Physics 7C (2017)
S. Stein, J. Wedler, S. Rhein, M. Schmidt, C. Körner, A. Michaelis, and S. Gebhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.rinp.2017.07.034) - Effect of picosecond laser based modifications of amorphous carbon coatings on lubricant-free tribological systems. Journal of Laser Micro/Nanoengineering 12(2) (2017)
T. Häfner, J. Heberle, H. Hautmann, R. Zhao, J. Tenner, S. Tremmel, M. Merklein, M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.2961/jlmn.2017.02.0015) - Effects of process conditions on mechanical behavior of aluminium wrought alloy EN AW-2219 (AlCu6Mn) additively manufactured by Laser Beam Melting in powder bed. Micromachines (2017)
M. Karg, B. Ahuja, S. Wiesenmayer, S. Kuryntsev, M. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/mi8010023) - Investigation of the influence of process parameters on adhesive wear under hot stamping conditions. International Deep Drawing Research Group (2017)
P. Schwingenschlögl, M. Weldi, M. Merklein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1742-6596/896/1/012048) - Metallographic Analysis of Nakajima Tests for the Evaluation of the Failure Developments. Procedia Engineering 183, (2017)
E. Affronti, M. Merklein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.04.015)
