Beim Erstarren von Metallen zuschauen

Materialwissenschaftler wollen mithilfe der 3D-Röntgentomoskopie das dendritische Wachstum besser verstehen und dafür die Geschwindigkeit zur Aufnahme von Röntgentomogrammen auf das Zwanzigfache erhöhen.

26. März 2019
Beim Erstarren von Metallen zuschauen
Das Team von Prof. Dr. John Banhart (rechts) hält den Weltrekord in der 3D-Röntgentomoskopie. 50 Tomogramme pro Sekunde können die Mitarbeiter im Moment aufnehmen. (Bild: TU Berlin/Felix Noak)

Wenn Metall erstarrt, sieht es so aus, als ob lauter kleine Bäume wachsen. Diese Strukturen werden Dendriten genannt, abgeleitet aus dem griechischen Wort déndron für Baum. Deshalb spricht die Wissenschaft auch von dendritischem Wachstum. Der Prozess des Erstarrens ist hochkomplex und teilweise noch unverstanden. Wer zuschauen will, benötigt Röntgenstrahlen. Für die Entschlüsselung des Prozesses steht jetzt mit der 3D-Röntgentomoskopie eine geeignete Methode zur Verfügung.

1.000 Tomogramme pro Sekunde

Die 3D-Röntgentomoskopie ist extrem schnell. 50 Tomogramme pro Sekunde können die Mitarbeiter von Prof. Dr. John Banhart im Moment aufnehmen. Das ist Weltrekord. »Aber für das Dendritenwachstum ist es noch nicht schnell genug«, sagt der Leiter des TU-Fachgebietes Struktur und Eigenschaften von Materialien. »Wir wollen 1.000 Tomogramme pro Sekunde schaffen und damit erstmals die Tomoskopie auf den Erstarrungsprozess von Metallen anwenden.« Den Begriff der Tomoskopie hat Banharts Team geprägt. Die Wissenschaftler wollen damit die Schnelligkeit ausdrücken, die sie mittlerweile erreichen, und sich von der langsameren Vorstufe – der 3D-Tomografie – sprachlich absetzen.

Bei der 3D-Tomoskopie werden dreidimensionale Röntgentomogramme in Bruchteilen von Sekunden aufgenommen und zu einem 3D-Film verarbeitet. Mit der Anwendung der 3D-Röntgentomoskopie auf die Untersuchung von Metallschäumen haben John Banhart und seine Arbeitsgruppe bereits Erfahrungen. Angewendet wird dieses Material zum Beispiel für Dämpfungselemente im Maschinenbau und im Leichtbau. Es gibt auch Ansätze, Motoren in Elektrofahrzeugen in Metallschaum zu verpacken, um sie vor eindringenden Gegenständen zu schützen, die einen Kurzschluss und damit eine Explosion auslösen könnten.

Ziel: Beständiger Metallschaum

Wie fast jeder Schaum ist Metallschaum nicht beständig. Die Unbeständigkeit macht Materialwissenschaftlern wie Prof. Dr. Banhart zu schaffen. Metallschäume werden aus einem Metallpulver und einem Treibmittel hergestellt. Das Treibmittel ist ebenfalls ein Pulver aus Metall und Wasserstoff. Beides wird miteinander vermischt, verdichtet und erhitzt – dabei setzt das Treibmittel Wasserstoff frei, wodurch das Gemisch aufgeschäumt wird. Während des Erstarrungsprozesses platzen die Blasen und wachsen zu größeren an. »Das ist ein unerwünschter Prozess, weil sich dadurch die mechanischen Eigenschaften des Materials verschlechtern«, erklärt John Banhart. Mit der 3D-Tomoskopie ist es seiner Gruppe gelungen zu beschreiben, warum die Blasen platzen: Die Ursache sind lokale Druckerhöhungen um die Treibmittelteilchen herum. »Deshalb forschen wir daran, ein neues Treibmittel zu finden, das sich gleichmäßiger im Metall verteilt«, so Banhart.

Eine weitere Anwendung der Tomoskopie sind Prozesse, bei denen Metall mit einem Laserstrahl geschmolzen wird. Das kann das Laserstrahlschweißen und -schneiden sein, aber auch die additive Fertigung. Hier will John Banharts Arbeitsgruppe die 3D-Röntgentomoskopie herausfinden, was in der kurzen Zeit des Aufschmelzens und Wiedererstarrens passiert.