Der Ofen

Der Hochtemperaturofen, der das Team rund um Prof. Dr. Dietmar Koch (Leiter des Lehrstuhls für Materials Engineering an der Universit?t Augsburg, Direktoriumsmitglied KI-Produktionsnetzwerk) unterstützt, erlaubt den Forschenden im Bereich der keramischen Verbundwerkstoffe den dafür n?tigen Vorgang der thermischen Hochtemperaturbehandlung genau zu untersuchen. Im Unterschied zu handelsüblichen Back?fen wird das Ger?t bis zu 2000°C hei?. Bei einem Hochtemperaturvorgang ist er mit Schutzgasen wie Stickstoff oder Argon gefüllt, damit Sauerstoff – ein hoch reaktives Gas – nicht Teil der chemischen Reaktion wird. Was ihn zudem besonders macht, sind seine Messsysteme, die es erm?glichen, jeden Schritt der Herstellung keramischer Verbundwerkstoffe mitzuverfolgen:

Keramische Verbundwerkstoffe

?Unser Ausgangsmaterial sind polymere Faserverbundwerkstoffe“, erkl?rt Professor Koch. Dabei handelt es sich um Verst?rkungsfasern aus Kohlenstoff oder um keramische SiC Fasern, die in einer Matrix – in diesem Fall ein Polymer, also einem Kunststoff ? eingebettet und damit verbunden sind. Diese werden in dem Hochtemperaturofen mit W?rme behandelt, von dem Polymer bleibt eine por?se Kohlenstoffstruktur zurück. ?Im Ofen schmelzen wir anschlie?end Silicium und geben die por?se Kohlenstoffstruktur hinein. Diesen Prozess nennt man Silicierung“, erl?utert Koch. Dabei entsteht Siliciumcarbid, eine keramische Matrix, die gemeinsam mit den Verst?rkungsfasern einen keramischen Verbundwerkstoff bildet. Er h?lt extrem hohen Temperaturen stand, ist leicht und weist hervorragende mechanische Eigenschaften auf – zum Beispiel ein schadenstolerantes Verhalten. Das bedeutet, dass keramische Verbundwerkstoffe nicht so leicht zerspringen wie der Porzellanteller zuhause. Grund hierfür sind die enthaltenen Fasern, die die Energie eines Schlages auffangen. Insgesamt macht all dies die Verbundkeramiken interessant für Luft- und Raumfahrt.

?Wir wollen verstehen, wie sich das Material ver?ndert und welche Parameter wichtig sind, um gute Bauteileigenschaften zu erhalten“, erkl?rt Koch weiter. Deshalb ist beispielsweise eine W?rmebildkamera integriert, welche die Temperaturverteilung auf der gesamten Oberfl?che des Werkstücks anzeigt sowie ein Pyrometer, das punktuell und exakt die Temperatur feststellt. Ein Infrarotspektrometer erlaubt es, austretende Gase zu erkennen und zu analysieren, w?hrend eine Waage Masse?nderungen – sei es Abnahme durch entweichende Gase oder Zunahme bei der Silicierung – im Auge beh?lt. Und auch die ?nderung der Probengeometrie, also grob gesagt des ?Aussehens“ eines Werkstücks, wird mitverfolgt.

Digitaler Zwilling

Um die entscheidenden Parameter aus der Datenmenge herauszufiltern, erhalten die Forschenden Unterstützung von einer KI, denn: ?Wenn ein Experiment eine hohe Festigkeit zum Ergebnis hat und man diesen Zustand wünschenswert findet, dann interessiert uns, welche Umst?nde hierzu geführt haben. Die Temperatur? Die L?nge des Hochtemperaturvorgangs? Die M?glichkeiten sind vielf?ltig“, konkretisiert Koch. Deshalb werden alle Daten aus dem Prozess sowie aus der ?berwachung des Werkstückes dazu verwendet, im Bereich ?Digitale Zwillinge für Produkt, Werkstoff, Prozess und Produktionsnetzwerk“ des KI-Produktionsnetzwerks einen ?digitalen Zwilling“ von ihm abzubilden. Dieser ?virtuelle Ofen“ kann alle M?glichkeiten durchprobieren und entsprechende Zusammenh?nge finden. ?Die Forschung um und mit dem Hochtemperaturofen zeigen, wie eng verzahnt die einzelnen Forschungsaspekte des KI-Produktionsnetzwerk sind und wie sie sich gegenseitig bereichern“, kommentiert der Direktor des KI-Produktionsnetzwerks, Prof. Dr. Markus Sause, den Neuerwerb.