Verfahren zur Dichtebestimmung – Ein Exkurs

Was Sie hier erwartet:

1. Einleitung
2. Das Archimedes-Verfahren
3. Automatisierte Dichtebestimmung
4. Computertomographie (CT)
5. Schliffbild
6. Pyknometer
7. Fazit

Einleitung:

Für die Herstellung von Produkten aus keramischen oder metallischen Pulvern kommen meist thermisch intensive Fertigungsprozesse zum Einsatz. Ob es sich um ein modernes additives Fertigungsverfahren mit Pulverbett, ein Pulverspritzgussverfahren oder einen klassischen Sinterprozess mit Pulverpressen handelt; alle Herstellungsverfahren bergen das Risiko Bauteile zu produzieren, die auf den ersten Blick gut aussehen, aber interne Defekte aufweisen. So kann beispielsweise Gas oder unverarbeitetes Material im inneren eines Bauteils eingeschlossen werden. Durch falsch eingestellte thermische oder chemische Prozesse können sich zudem Risse durch Verzug bilden. In anderen Fällen können der Energieeintrag, Schwankungen in den Rohstoffchargen und falsch gewählte Parameter zu einer unerwünschten Stoffzusammensetzung im Endprodukt führen. Die Folge dieser Defekte: Das Bauteil erzielt nicht die gewünschten Eigenschaften und droht schlimmstenfalls sogar in seiner späteren Produktanwendung frühzeitig zu versagen.

Aus diesem Grund greift man zur Absicherung auf Verfahren zurück, mit denen sich die Dichte bzw. die Porosität des Bauteils bestimmen lässt. Diese Kennzahl gibt zuverlässig Aufschluss darüber, ob die “inneren Werte” des Teils in Ordnung sind.

In diesem Kontext werden die Funktionsprinzipien verschiedener Dichtebestimmungsverfahren vorgestellt. Diese Methoden reichen von traditionellen mechanischen Verfahren bis hin zu fortschrittlichen bildgebenden Techniken. In der Folgenden Übersicht möchten wir auf die prominentesten und effektivsten Methoden zur Dichtebestimmung eingehen und ihre Funktionsweisen erläutern. Ziel ist es, einen verständlichen Überblick für die Vielfalt und Komplexität der verfügbaren Technologien zu vermitteln und ihre Relevanz in der heutigen Forschungs- und Produktionslandschaft zu unterstreichen.

Das Archimedes-Verfahren:

Das Archimedes-Verfahren ist eine traditionelle und zerstörungsfreie Methode zur Dichtebestimmung. Es basiert auf dem Prinzip, dass ein Körper, der in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, eine Auftriebskraft erfährt, die dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit entspricht. Das Verfahren kann jedoch durch Umgebungsfaktoren beeinflusst werden, wie Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen. Für genaue und zuverlässige Ergebnisse sind spezielle Laborbedingungen und geschultes Personal erforderlich. Ein Hauptvorteil dieses Verfahrens ist der geringe zeitliche Aufwand, da lediglich zwei Gewichtsmessungen durchgeführt werden müssen und keine Bearbeitung des Probekörpers erforderlich ist.

Automatisierte Dichtebestimmung:

Die automatisierte Dichtebestimmung kombiniert das Archimedes-Verfahren mit moderner Automatisierungstechnologie. Die Proben werden in speziellen Bauteilträgern platziert, die durch einen Roboter durch die Anlage transportiert werden. Dieser automatisierte Prozess eliminiert den menschlichen Einfluss auf die Messung und gewährleistet eine konsistente Handhabung und Messung. Die Waagen sind schwingungsentkoppelt, und Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftdruck werden ständig überwacht und berücksichtigt, um maximale Genauigkeit zu gewährleisten. Dadurch werden Schwächen der klassischen, manuell durchgeführten Dichtebestimmung ausgeglichen und das Verfahren gemäß den Ansprüchen moderner Fertigungsverfahren verfügbar gemacht

Computertomographie (CT):

Die Computertomographie ist eine fortschrittliche bildgebende Technik, die detaillierte dreidimensionale Bilder eines Objekts liefert. Bei der Dichtebestimmung kann die CT verwendet werden, um die innere Struktur eines additiv gefertigten Teils zu visualisieren und Poren oder andere Unregelmäßigkeiten zu identifizieren. Durch die Bildgebung kann auch die Form und Verteilung der Poren analysiert werden. Jedoch können extrem kleine Poren und Fehler unterhalb der Auflösungsgrenze des Systems nicht mehr erkannt werden.

Schliffbild:

Das Schliffbild ist eine Methode, bei der ein Querschnitt des Materials unter einem Mikroskop analysiert wird. Es ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Mikrostruktur des Materials und kann verwendet werden, um Poren, Risse oder andere Defekte zu zu klassifizieren und näher zu untersuchen.

Pyknometer:

Die Dichtebestimmung von Festkörpern mit einem Pyknometer basiert auf Fluidverdrängung. Das Pyknometer, ein präzises Glasgefäß, wird zuerst mit einer Referenzflüssigkeit oder -gas gefüllt und gewogen. Nachdem der Festkörper hinzugefügt wurde, verdrängt er das Fluid. Durch erneutes Wiegen und unter Berücksichtigung des bekannten Volumens des Pyknometers kann die Dichte des Festkörpers berechnet werden. Diese Methode ist besonders für kleine oder pulverförmige Proben geeignet.

Fazit

Die Wahl der richtigen Methode zur Dichtebestimmung ist entscheidend für die Qualität und Funktionalität der gefertigten Bauteile. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, und es ist wichtig, die Methode zu wählen, die am besten zu den spezifischen Anforderungen der Qualitätssicherung passt. Ist man an einer detaillierten Untersuchung der Defekte interessiert, eignen sich eher Schliffbild oder CT. Möchte man eine schnelle Entscheidung treffen, ob ein Bauteil den gewünschten Qualitätsansprüchen genügt oder nicht, sind andere Verfahren besser geeignet.

Mit diesem Artikel möchten wir einen einfachen Überblick über die verschiedenen Methoden zur Dichtebestimmung bieten. Nähere Details zu den Verfahren finden Sie in unserem Whitepaper (LINK) oder unseren weiteren Blogartikeln (LINK). Bei weiteren Fragen oder Anmerkungen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung

Quelle: Analyse von Messverfahren zur Dichtebestimmung - Fraunhofer IAPT - Dimensionics Density GmbH