OptiMa

Optische Differenzkalorimetrie für die moderne Materialforschung bei hohen Temperaturen

Short Facts

  • Laufzeit: 01.10.2021 - 30.09.2024
  • Förderträger: Bundesministerium für Bildung und Forschung
  • Projektpartner: Techno Team Bildverarbeitung GmbH in Ilmenau, Heitronics Infrarot Messtechnik GmbH in Wiesbaden, Netzsch-Gerätebau GmbH in Selb, Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH, Ariane Group, Technische Universität Berlin, Center for Applied Energy Research e.V., Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Kurzzusammenfassung

Hier sehen Sie den Versuchsaufbau von OptiMa.

Methoden moderner Materialentwicklung sind für vorbereitende Simulation und zur Validierung erreichbarer Bauteil- und Prozesseigenschaften auf die exakte Kenntnis der Materialeigenschaften angewiesen. Gerade im Bereich Industrie 4.0 kommen verstärkt innovative Methoden der lasergestützten, additiven Fertigung zur schichtweisen Erzeugung komplexer Bauelemente und innovativer Strukturen zum Einsatz. Diese arbeiten bei sehr hohen Temperaturen, weit oberhalb des Schmelzpunktes der verwendeten Materialien, wo die Materialeigenschaften kaum bekannt, aber von entscheidender Bedeutung sind. Um hier exakte Voraussagen über die Funktionalität und die Qualität der so gefertigten Bauteile sowie über zu gewährleistende Sicherheitsmargen zu machen, müssen die Materialdaten bei diesen hohen Temperaturen mit ausreichender Genauigkeit verfügbar sein. Das Projekt OptiMa verfolgt den innovativen Ansatz, die Temperaturdifferenzmessung und die Temperaturregelung der DSC-Methode berührungslos mit optischen Methoden durchzuführen.

Projektziele und -inhalt

Wichtige thermophysikalische Materialeigenschaften, die z.B. Maximaltemperatur beim selektiven Laserschmelzen bestimmen, sind Temperaturleitfähigkeit und spezifische Wärme. Während es für die Temperaturleitfähigkeit valide Messmethoden für hohe Temperaturen bis >2000 °C gibt, sind solche validierten Methoden für die spezifische Wärme bei hohen Temperaturen nicht verfügbar, was insbesondere die Modellierung des selektiven Laserschmelzvorgangs einschränkt. Als gesichertes Verfahren zur Bestimmung der spezifischen Wärme bei Temperaturen < 1000 °C hat sich die Dynamische Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry, DSC) etabliert. Bei der DSC wird die Temperaturänderung einer Referenzprobe und einer miterhitzten Testprobe als Funktion der Temperatur aufgezeichnet. Bisher ist diese Methode aber nur bis zu Temperaturen von < 1000 °C zuverlässig einsetzbar, da die zur Temperaturmessung eingesetzten Thermoelemente bei höheren Temperaturen an Genauigkeit und Stabilität verlieren sowie zusätzlich unbekannte Wärmeverluste induzieren, was valide Messungen erschwert bzw. über 1500 °C unmöglich macht. Zudem haben die bei diesen Temperaturen eingesetzte, kostspieligen Wolfram/Rhenium Thermoelemente nur eine Lebensdauer von wenigen Tagen und können daher nur in ausgewiesenen Metrologie-Instituten eingesetzt werden.

Um dieses Problem zu lösen, gibt es seit geraumer Zeit Versuche, alternative Methoden zur DSC zu entwickeln, die aber bisher nicht erfolgreich waren. Auch Erweiterungen der DSC-Methode zu höheren Temperaturen wurden versucht, waren aber wenig erfolgreich. Wesentliches Problem bei der Messung thermophysikalischer Eigenschaften im Hochtemperaturbereich ist somit die konventionelle, berührende Temperaturbestimmung mit Thermoelementen. Das Projekt OptiMa verfolgt daher den innovativen Ansatz, die Temperaturdifferenzmessung und die Temperaturregelung der DSC-Methode berührungslos mit optischen Methoden durchzuführen. Dazu werden punktförmige und bildgebende Verfahren eingesetzt. Die berührungslose Temperaturmessung ermöglicht den Verzicht auf empfindliche Thermoelemente und erlaubt, die Einsatztemperatur der DSC-Methode auf >1000 °C bis >2000 °C zu erhöhen. Die berührungslose Messtechnik minimiert zudem unerwünschte Wärmeverluste und das bildgebende Verfahren kann die verbleibenden Verluste quantifizieren. Dazu wird zuerst eine, auf optischen Messmethoden basierende, dynamische Kalorimetrie-apparatur im Labor aufgebaut, die optische Labor-DSC (opLa-DSC), bei der auch eine berührungslose Heizung (induktiv oder optisch) angedacht ist. Die opLa-DSC soll auch für große Proben einsetzbar sein, z.B. zur Bestimmung von spezifischen Wärmen von Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) oder zur Kalorimetrie von Akkumulatoren. Bei hohen Temperaturen sind PCM als innovative Speichermaterialien für regenerativ gewandelte elektrische Energie geeignet, speziell Metall-Kohlenstoff Legierungen, die aktuell bereits intensiv untersucht werden.

Projektkontakt