- Fraunhofer IKTS

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME IKTS
GESCHÄFTSFELD
MATERIAL- UND
PROZESSANALYSE
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MATERIAL- UND
PROZESSANALYSE
I m Ge sc hä f t sf e ld » M a te ri a l - u n d P ro ze s s a n a ly s e« bi etet das F raunhofer I KTS A nwender n und H ers te ller n
vo n Rohst off e n, We rk s to ffe n u n d B a u te i l e n e i n umfas s endes Portfol i o an Tes t-, C harakteri s i erungs - und
Ana ly se m e t hode n fü r M a te ri a l e i g e n s c h a fte n und Produkti ons proz es s e. I m M i ttel punkt s tehen dabe i
kera m isc he We r k s to ffe , B a u te i l e u n d Ve rfa h ren für tec hni s c he A nwendungen ei ns c hl i eßl i c h L ei c htb au
s ow ie Ma t e r ia lie n fü r d i e M i k ro - u n d Na n o e l ektroni k, Photoni k und Bi omedi z i n.
Wie beeinflussen Gefüge und Zusammensetzung die makro-
Produkte, bei der Klärung komplexer Versagensmechanismen
skopischen Eigenschaften eines Werkstoffs und damit des
und beim Erreichen gesetzlicher und qualitativer Standards.
Produkts? Kann ein bestehender Werkstoff durch einen
Mit akkreditierten Laboren für die Kennwertermittlung an
kostengünstigeren ersetzt werden, ohne dass ein Produkt
Pulvern, Suspensionen, thermophysikalischen und elektrischen/
an Qualität verliert? Wie können Herstellungsprozesse
dielektrischen Eigenschaften von Werkstoffen, elektrischen
stabil, kosteneffektiv und nachhaltig eingerichtet werden?
Komponenten und Teilsystemen ist das Haus in der Lage,
Welche Qualitätsstandards müssen eingehalten werden?
vielfältige Aufgaben der Qualitätssicherung und Zertifizierung
Um diese und andere Fragen zu beantworten, die mit der
von Produkten und Prozessen bis hin zur Prototypenprüfung
Anwendung und Herstellung von Werkstoffen verbunden
im Kundenauftrag zu übernehmen.
sind, müssen komplexe Zusammenhänge zwischen Rohstoff,
Herstellungstechnologie, Werkstoffgefüge und Eigenschaften
Das Fraunhofer IKTS ist ein zuverlässiger, mehrfach akkredi-
sowie Einsatzbedingungen als Gesamtheit betrachtet werden.
tierter und auditierter Dienstleister für die Untersuchung und
Kennwerte werden dafür nicht nur ermittelt, sondern auch
Bewertung werkstoffwissenschaftlicher Grundlagen, anwen-
interpretiert.
dungsspezifischer Fragestellungen sowie messtechnischer
Entwicklungen.
Das Fraunhofer IKTS versteht sich als zentraler Anlaufpunkt für
alle Fragen der chemischen, thermischen, mikrostrukturellen,
mechanischen, tribologischen, elektrischen und elektrochemischen Analyse, Bewertung und Optimierung von Werkstoffen
und Bauteilen sowie den damit verbundenen Fertigungsverfahren. Neben allen notwendigen Standardanalysemethoden
stehen speziell für die Ermittlung des Hochtemperaturverhaltens weltweit einzigartige Untersuchungsmöglichkeiten zur
Verfügung. Auf Grundlage einer umfangreichen Prozess-,
Werkstoff- und Analysekompetenz unterstützt und berät das
Fraunhofer IKTS bei der Entwicklung neuer Werkstoffe und
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50 µm
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ANWENDUNGSBEREICHE
Rohstoffanalyse und Bewertung
produkten genutzt werden. Darüber hinaus dienen sie der
Etablierung von Methoden der Prozess- und Produktüber-
Für die Entwicklung und Optimierung von stabilen, wirtschaft-
wachung sowie als Basis für eine Prozessmodellierung.
lichen und nachhaltigen Herstellungsprozessen und somit
qualitativ hochwertigen Produkten ist eine detaillierte Kenntnis
Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung
der verwendeten Materialien und ihrer Verarbeitungseigenschaften entscheidend. Das Fraunhofer IKTS unterstützt
Um die Qualität und Langlebigkeit von Produkten auch unter
Kunden und Projektpartner in der Analyse und Bewertung von
extremen Belastungen zu gewährleisten, ist das Wissen über
Materialien vom nm- bis in den mm-Bereich, im Institut und
mikro- und nanoskalige Strukturen im Werkstoff und ihrer
vor Ort. Die Bandbreite an untersuchten Materialien reicht
Veränderungen durch eine Belastung unerlässlich. Hier ist das
von oxidischen und nichtoxidischen Keramiken, Hartmetallen
Fraunhofer IKTS in der Lage, die Gefüge und Eigenschaften
über Kohlenstoffe bis hin zu Glas und organischen Rohstoffen
von Werkstoffen sowie Bauteilen in einem breiten Temperatur-
(akkreditiert nach DIN EN ISO/EC 17025).
bereich zu analysieren. Das Fraunhofer IKTS begleitet
Kunden von der Probenpräparation bis zur Interpretation
Prozessbegleitende Charakterisierung
ermittelter Kennwerte. Darüber hinaus gibt es einen reichen
Erfahrungsschatz bei der Analyse und Bewertung von
Das Fraunhofer IKTS besitzt das Know-how und die apparati-
Alterungsprozessen und Schadensfällen. Damit lassen sich
ven Voraussetzungen für die prozessbegleitende Charakteri-
Hochleistungskeramiken, Hartmetalle und Cermets, superharte
sierung aller Prozessschritte keramischer, pulvermetallurgischer
Werkstoffe, gradierte Werkstoffe, Metall-Keramikverbunde
und verwandter Technologien – beginnend bei der Aufberei-
sowie Werkstoffe der Mikro- und Nanoelektronik optimieren.
tung und Konditionierung der Rohstoffe, Suspensionen und
Eine herausragende Kompetenz besteht für die Untersuchung
Pasten, über die Trocknung und Granulierung, die Form-
von Korrosionsphänomenen keramischer Werkstoffe sowie der
gebung sowie die thermischen Prozesse bis zur Finishbearbei-
Modellierung, Simulation und Optimierung von Werkstoffen
tung. Die dabei gewonnenen Daten können direkt zur Analyse
und Bauteilen unter Hochtemperatureinflüssen bei Tempera-
einzelner Prozessschritte und der Eigenschaften von Zwischen-
turen bis zu 2400 °C.
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Bauteil- und Systemverhalten
tungen und Geräteentwicklungen zu qualifizieren. Neben
hochauflösenden Verfahren der Ionen- und Elektronenmikro-
Die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Bauteilen kann
skopie und Röntgentechniken erforscht das Fraunhofer IKTS
nicht unabhängig von deren späteren Einsatzbedingungen
neue Ansätze, um mechanische Eigenschaften auf mikro- und
im Gesamtsystem betrachtet werden. Das Fraunhofer IKTS
nanoskaliger Ebene zu untersuchen. Weiterhin werden neue
bietet eine umfassende Bandbreite an thermomechanischen,
Methoden angewendet und weiterentwickelt, um in situ
chemischen, elektrischen, physikalischen und klimatischen
elektrische und mechanische Degradationsmechanismen zu
Prüfverfahren, um Versagensmechanismen aufzuklären,
charakterisieren.
Produkte zu optimieren und Zertifizierungen schneller zu
erreichen. Im Mittelpunkt stehen dabei struktur- und funk-
Modellierung und Simulation
tionskeramische Bauteile, Hartmetalle, Cermets, Komponenten der Leistungselektronik und Sensorik, Bauteile auf
Durch die Simulation von Werkstoffeigenschaften, Bauteilen,
Basis von Verbundwerkstoffen sowie Komponenten für
Fertigungstechnologien und Systemumgebungen können
Anwendungen in Filtration und Katalyse.
Entwicklungsrisiken minimiert und Produktzyklen wesentlich
verkürzt werden. Am Fraunhofer IKTS kann daher bereits in
Die umfassende Werkstoff- und Technologieexpertise
frühen Entwicklungsphasen auf eine Softwareausstattung
bildet die Basis für eine fundierte Schadensfallanalyse und
(FEM, CFD, Systemsimulation) für die Simulation von
ermöglicht eine Lebensdauerprognose von Bauteilen unter
thermischen, mechanischen, elektrischen, strömungs- und
den spezifischen Randbedingungen der Keramik. Neben der
reaktionstechnischen Vorgängen in Bauteilen und Systemen
Prüfplanung, -durchführung und -auswertung unterstützt
zugegriffen werden. Aufgrund langjähriger Erfahrungen und
das Fraunhofer IKTS Kunden im Bau spezifischer Inline- und
der Nutzung flexibler Programmtools können auch nutzerspe-
Offline-Teststände und bei hochspezialisierten, anwendungs-
zifische Modellbeschreibungen für neuartige Anwendungen,
spezifischen Prüfungen.
insbesondere mit gekoppelten Mechanismen (KoppelfeldAnalysen, Multiphysics), erstellt und analysiert werden.
Analytik für die Mikro- und Nanoelektronik
Ein Schwerpunkt am Fraunhofer IKTS stellt die anwendungsbezogene physikalische Mikro- und Nanoanalytik dar, mit
deren Hilfe technische und konzeptionelle Lösungen für die
1 Warmhärteprüfung (Rezi-
Mikro-, Nano- und Optoelektronik entwickelt werden. Neue
pient der Prüfanlage bei
Materialien und Fertigungstechnologien erfordern innovative
1000 °C).
Konzepte, um eine Leistungssteigerung und Zuverlässigkeit
2 REM-Aufnahme des Gefüges
immer komplexer werdender Elektronikanwendungen sicher-
einer Si3N4-Keramik.
zustellen. Das Fraunhofer IKTS besitzt langjährige Erfahrung
3 Hochspannungsprüfung.
und eine umfassende technische Ausstattung, um bekannte
4 Mikroelektronischer Schalt-
und eigens entwickelte Analysemethoden für Dienstleis-
kreis.
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METHODEN UND
TECHNISCHE AUSSTATTUNG
Keramische Rohstoff- und Prozessanalyse
- Chemische und Phasenzusammensetzung (XRF/XRD)
- Elektrische und dielektrische Eigenschaften (spezifischer
Widerstand von μΩcm bis 1015 Ωcm)
- Partikelgrößenanalyse, Partikelformkennzeichnung vom
Nano- bis in den mm-Bereich
- Suspensionscharakterisierung (rheologische Eigenschaften,
Oberflächenladung, Suspensionsstabilität)
- Thermische Analyse sowie thermophysikalische und
Korrosion und tribologische Eigenschaften
- Korrosion in Lösungen (T < 250 °C, Druck bis 35 bar) und
Gasen (T < 2000 °C), Heißgasprüfung (Brennerprüfstände
bis 1500 °C, Gasgeschwindigkeit bis 100 m/s)
chemische Eigenschaften (TG/DTA DSC, Dilatometrie
- Elektrochemische Charakterisierung
einschließlich Gasanalytik in verschiedensten Atmosphären
- Tribologie und Verschleiß (oszillierender Reibverschleiß bei
von 150 °C bis 2400 °C)
RT und höheren Temperaturen, Strahlverschleiß)
Struktur- und Gefügeanalyse
Qualitäts- und Sicherheitsprüfung
- Standardmethoden der keramografischen Präparation
- Klimakammern (-80 °C bis 1000 °C), Salznebelkammer
- Ionenstrahlpräparationstechniken (BIB/FIB)
- Ein- und Zweikammertemperaturschocker
- Hochaufgelöste Analyse von Gefügen und Oberflächen
- Schwingungsprüfstand für 600 kg und 200 g
mittels FESEM (EDX, WDX, EBSD)
- Spezifischer Durchgangswiderstand, Oberflächenwider-
- TEM-Querschnittsanalysen inklusive EDX, EELS, EFTEM
stand, Durchschlagsfestigkeit, Kriechwegbildung sowie
- Röntgen-Computertomographie im Mikro- und Nano-
dielektrische Eigenschaften
bereich, Röntgenmikroskopie
- Porenverteilung (Hg-Porosimetrie, Permeationsporosimetrie,
N2/Kr-Adsorption und N2/Kr-Desorption, Pyknometrie)
- Röntgendiffraktometrie von RT bis 1400 °C
Akkreditierte Labore (DIN EN ISO/EC 17025)
- Thermoanalyse und Thermophysik
- Partikel- und Suspensionscharakterisierung
- Labor für Qualitätssicherung und Zuverlässigkeit
Physikalische Eigenschaften von Werkstoffen und
Bauteilen von RT bis zu hohen Temperaturen
Modellierung und Simulation
- Festigkeit, Bruchzähigkeit, elastische Konstanten und Härte
- Finite-Elemente-Analyse (FEM): ANSYS (Emag/Mech),
bei RT bis zu 1550 °C
- Nanohärte, lokale elastische Eigenschaften (AFM, AFAM,
Nanoindenter), Schichthaftung
- Eigenschaften poröser und hochporöser Werkstoffe (z. B.
Membranen, Partikelfilter, Katalysatoren)
COMSOL Multiphysics, FlexPDE, Atila
- Strömungssimulation: Fluent
- Systemsimulation: Matlab/Simulink, Simulation X, Dymola/
Modelica
- Thermodynamische Simulation: Factsage
- Thermophysikalische Eigenschaften (u. a. Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, thermischer Ausdehnungskoeffizient)
5 Spannungsverteilung in
einer keramischen Feder.
KURZPORTRÄT DES
FRAUNHOFER IKTS
KONTAKT
Geschäftsfeld
Material- und
Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS betreibt anwen-
Prozessanalyse
dungsorientierte Forschung für Hochleistungskeramik. Die drei Institutsteile in Dresden
und Hermsdorf (Thüringen) formen gemeinsam das größte Keramikforschungsinstitut
Dr. Mathias Herrmann
Europas.
Fraunhofer-Institut für
Keramische Technologien
Als Forschungs- und Technologiedienstleister entwickelt das Fraunhofer IKTS moderne
und Systeme IKTS
keramische Hochleistungswerkstoffe, industrierelevante Herstellungsverfahren sowie
Winterbergstraße 28,
prototypische Bauteile und Systeme in vollständigen Fertigungslinien bis in den Pilotmaß-
01277 Dresden
stab. Das Institut arbeitet in acht marktorientierten Geschäftsfeldern, um keramische
Tel. +49 351 2553-7527
Technologien und Komponenten für neue Branchen, neue Produktideen und neue Märkte
mathias.herrmann@
jenseits der klassischen Einsatzgebiete zu demonstrieren und zu qualifizieren. Dazu gehö-
ikts.fraunhofer.de
ren keramische Werkstoffe und Verfahren, Maschinenbau und Fahrzeugtechnik, Elektronik
und Mikrosysteme, Energie, Umwelt- und Verfahrenstechnik, Bio- und Medizintechnik,
Dr. Sylvia Mucke
Optik sowie die Material- und Prozessanalyse.
Institutsteil
Materialdiagnostik
Der Institutsteil Materialdiagnostik erweitert das Forschungsportfolio um die Kompetenzen
Maria-Reiche-Straße 2,
Werkstoffdiagnose und -prüfung. Die Prüfverfahren aus den Bereichen Akustik, Elektro-
01109 Dresden
magnetik, Optik, Mikroskopie und Strahltechnik tragen maßgeblich zur Qualitätssicherung
Tel. +49 351 88815-680
von Produkten und Anlagen bei.
sylvia.mucke@
ikts.fraunhofer.de
ww w. i kts. frau n h o f e r.d e
T I T E L B I L D Rasterelektronenmikroskopie mit Zweistrahlgerät Zeiss NVision 40 mit EDXund EBSD-System.

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