Was ist Materialcharakterisierung?

Das Verständnis der in einem physischen Gerät verwendeten Materialien ist für jede Produktentwicklung von grundlegender Bedeutung. Bei diesem Prozess, der als Materialcharakterisierung bezeichnet wird, handelt es sich um eine systematische Messung der physikalischen Eigenschaften, der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur eines Materials. 

Werkstoffingenieur*innen und Wissenschaftler*innen nutzen eine Vielzahl von Analyse- und Testverfahren, um wertvolle Informationen zu gewinnen. Diese Informationen dienen als Grundlage für Designentscheidungen, ermöglichen präzise Simulationen und unterstützen forensische Untersuchungen. Charakterisierungsverfahren lassen sich in zwei Kategorien unterteilen. Die erste Kategorie ist die Mikroskopie, bei der verschiedene Geräte eingesetzt werden, um atomare, molekulare und kristalline Strukturen zu untersuchen. Die zweite Kategorie umfasst makroskopische Prüfverfahren, bei denen die Vollmaterialeigenschaften gemessen werden. 

Das Verhalten eines Materials wird maßgeblich durch die darin enthaltenen Elemente sowie deren Anordnung auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene bestimmt. Dieses Verhalten ist entscheidend, da es die Leistungsfähigkeit und Robustheit des Produkts bestimmt. Obwohl Normen existieren, die die ideale Beschaffenheit eines Materials definieren, können Schwankungen bei der Verarbeitung und fertigungsbedingte Einflüsse zu Abweichungen führen, die das Materialverhalten verändern. Die Materialcharakterisierung dient dazu, diese Abweichungen zu erfassen und Details zu ermitteln, die über die Normvorgaben hinausgehen.

Zu den wesentlichen Vorteilen dieses wichtigen Bereichs der Materialwissenschaft gehören:

Förderung von Innovationen bei neuen Materialien

Ein tiefgreifendes Verständnis von Bindungen in Polymeren, der Kristallstruktur von Metallen oder der magnetischen Permeabilität einer neuen Legierung kann Forschern den Weg zu neuen Rezepturen und Verfahren der Materialsynthese ebnen. 

Unterstützung bei der Werkstoffauswahl

Anstatt sich auf kostspielige Versuchsreihen mit Prototypen (Versuch-und-Irrtum-Verfahren) zu verlassen, hilft das Verständnis der Werkstoffeigenschaften Ingenieur*innen dabei, den optimalen Werkstoff für die anspruchsvollsten Anwendungen auszuwählen.

Bereitstellung von Eigenschaftsdaten für Simulationen

Virtuelle Prototypen sind nur so genau, wie die in das Modell eingegebenen Daten. Präzise und detaillierte Materialeigenschaften ermöglichen umfassende Simulationen, die die Produktentwicklung vorantreiben und das Verständnis des Produktverhaltens vertiefen. 

Einblicke in Ausfälle oder unzureichende Leistung

Wenn ein Produkt nicht die erwartete Leistung erbringt oder ausfällt, gilt es zunächst, die Ursachen zu verstehen. Forensische Analysen, die eine Werkstoffcharakterisierung beinhalten, können zu einem tieferen Verständnis der Grundursachen führen und den Weg für notwendige Änderungen aufzeigen. Führen Ausfälle zu Rechtsstreitigkeiten, kann eine fachgerechte Werkstoffcharakterisierung über den Ausgang des Verfahrens entscheiden. 

Festlegung von Anwendungsgrenzen

Produkte werden so konzipiert, dass sie bestimmte Spezifikationen erfüllen. Schwankungen in der Werkstoffstruktur und den Werkstoffeigenschaften können jedoch die Lebensdauer oder den Einsatzbereich eines Produkts verringern oder erweitern. Die Kenntnis dieser Schwankungen ermöglicht in Verbindung mit Simulation und Tests die Festlegung zulässiger Betriebsbereiche.

Die Anwendungsbereiche der Materialcharakterisierung sind ebenso vielfältig wie die messbaren Eigenschaften. Eine gut ausgestattete Einrichtung zur Materialcharakterisierung kann ein breites Spektrum an Messungen durchführen – von der Anordnung der Atome in einer dünnen Schicht auf einem Halbleiter-Wafer bis hin zur Oberflächenhärte einer Keramik.

Im Mittelpunkt stehen jedoch meist Messungen der Materialzusammensetzung, der mikroskopischen Struktur und der physikalischen Eigenschaften; diese Aspekte lassen sich für umfassende Erkenntnisse kombinieren – etwa bei der Materialcharakterisierung im Kontext der Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile.

Werkstoffzusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung eines Werkstoffs ist ein wesentlicher Faktor für dessen Leistungsfähigkeit. Bereits wenige Aluminiumatome in einer Titanlegierung können Steifigkeit und Streckgrenze drastisch verändern. Die Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer Legierung – sei es in der Entwicklungs- oder Produktionsphase – mittels geeigneter Spektrometer ist gängige Praxis.

Auch mittels Spektroskopie und Beugungsverfahren lässt sich die strukturelle Anordnung der Zusammensetzung erfassen. Messungen, die beispielsweise die Position verschiedener Atome im Kristallgitter oder den Vernetzungsgrad von Polymeren bestimmen, sind erforderlich, um das Vollmaterialverhalten zu erfassen. Zur Analyse der Zusammensetzung können zudem verschiedene Mikroskopiearten unter Einsatz von Kontrastmitteln genutzt werden.

Mikroskopische Struktur

Die Eigenschaften eines Werkstoffs werden auch durch seine mikroskopische Struktur bestimmt. Bei Metallen beeinflusst die Kristalltopologie zahlreiche mechanische und elektrische Eigenschaften. Die Anordnung der verschiedenen Kristalle sowie die Geometrie der Kristallgrenzen – die sogenannte Kornstruktur – stellen weitere wichtige Werkstoffmerkmale auf mikroskopischer Ebene dar. Korngröße und -struktur haben maßgeblichen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit und die Streckgrenze.

Zur Untersuchung mikroskopischer Strukturen kommen vorwiegend Licht- und Elektronenmikroskope zum Einsatz. Auch Beugungsverfahren eignen sich zur Analyse des Werkstoffinneren Die Ergebnisse werden in der Regel als Bild dargestellt, das Materialwissenschaftler*innen Aufschluss über den inneren Aufbau der Werkstoffe gibt.

Physikalische Eigenschaften

Die meisten Ingenieur*innen – abgesehen von Materialwissenschaftler*innen – befassen sich mit physikalischen Eigenschaften, die das mechanische, thermische, elektrische und elektromagnetische Gesamtverhalten beschreiben, unabhängig von der jeweiligen Geometrie. Werte wie der Elastizitätsmodul, die Poisson-Zahl, die Dichte, die elektromagnetische Permeabilität, die Wärmeleitfähigkeit, die Bruchzähigkeit, die Oberflächenrauheit und der elektrische Widerstand sind bekannte Kennwerte, die bei manuellen Berechnungen und in Simulationen verwendet werden.

Die Prüfung physikalischer Eigenschaften erfolgt mit verschiedenen gängigen Geräten, etwa Zugprüfmaschinen, Thermoelementen, elektrischen Messgeräten und Sonden zur Messung elektromagnetischer Felder (EMF). Für die meisten Eigenschaften wurden von Normungsgremien Standardprüfverfahren festgelegt, sodass jedes Labor, das eine Prüfung durchführt, zu denselben Ergebnissen gelangt.

Materialcharakterisierung für die Zuverlässigkeit von Elektronik

Ein eindrucksvolles Beispiel für die Materialcharakterisierung ist deren Anwendung im Bereich der Zuverlässigkeit der Elektronik. Hierbei werden Messungen der Werkstoffzusammensetzung, der mikroskopischen Struktur und der physikalischen Eigenschaften kombiniert, um Ingenieur*innen bei der Entwicklung von elektronischen Gehäusen zu unterstützen – vom IoT-Sensor auf einer flexiblen Leiterplatte bis hin zur Mehrprozessor-Hauptplatine. 

Elektronische Baugruppen bestehen aus Dutzenden bis Hunderten verschiedener Bauteile, die ihrerseits aus einer Vielzahl von Werkstoffen gefertigt sind. Sowohl während der Fertigung als auch im späteren Betrieb sind diese Komponenten Einflüssen wie Temperaturschwankungen, Stößen, Vibrationen, Biegebelastungen, elektromagnetischen Feldern, Feuchtigkeit und bisweilen UV-Strahlung ausgesetzt. Und alle diese Werte müssen im Zeitverlauf gemessen werden. 

Ziel dieses Teilbereichs der Materialcharakterisierung im Rahmen der Reliability Engineering Services ist es, die Zuverlässigkeit des Systems zu verstehen und zu verbessern. Dies geschieht durch die elektrische, mechanische und auf Zuverlässigkeit ausgerichtete Charakterisierung der elektronischen Bauteile sowie der flexiblen oder starren Leiterplatten, auf denen diese montiert sind. 

Da die meisten Zulieferer diese Informationen nicht bereitstellen, ist diese Art der Prüfung üblicherweise ein fester Bestandteil des Produktentwicklungsprozesses. 

Ganz gleich, ob Sie Materialanalysen an einer staatlichen Universität oder in einem industriellen Labor zur Materialcharakterisierung durchführen – das Ziel ist stets dasselbe: mithilfe von Prüfgeräten eine physikalische Eigenschaft, die Zusammensetzung oder die innere Geometrie eines Materials zu bestimmen.

Die folgende Tabelle führt die gängigsten Charakterisierungsverfahren sowie die dabei erfassten Merkmale auf.

Obwohl die Materialcharakterisierung ein etablierter Teilbereich der Materialwissenschaften ist, der sowohl in der akademischen Forschung als auch in der Industrie täglich Anwendung findet, bestehen weiterhin einige wesentliche Herausforderungen für ihren effektiven Einsatz. Viele dieser Herausforderungen sind auf die komplexe Physik und die empfindlichen Messgeräte zurückzuführen, die für Messungen auf atomarer oder mikroskopischer Ebene erforderlich sind. Die makroskopische Messung von Materialeigenschaften kann auch schwierig oder teuer sein, wenn sie nicht korrekt eingesetzt wird.

Im Folgenden finden Sie eine Liste von sieben der häufigsten Herausforderungen.

1. Investitionskosten

Aufgrund der Komplexität von Ausrüstung und Sensoren sind viele der für die Materialcharakterisierung benötigten Geräte kostspielig. Zudem verursacht die erforderliche Infrastruktur – etwa Reinräume, Reingase, Vakuumpumpen und mehr – beträchtliche Anschaffungskosten, noch bevor der erste Test überhaupt durchgeführt wird. Die Zusammenarbeit mit externen Partnern oder die Nutzung universitärer Ressourcen kann helfen, Investitionskosten einzusparen.

2. Abstimmung von benötigten Informationen und Charakterisierungsverfahren

Ob bei der Entwicklung eines neuen Materials oder bei der forensischen Analyse eines ausgefallenen Bauteils: Eine häufige Herausforderung besteht darin, die geeigneten Charakterisierungsmethoden zu identifizieren, die aussagekräftige Informationen liefern. Ziehen Sie einen Experten hinzu, der gemeinsam mit den Teams für Materialentwicklung, Produktentwicklung oder Qualitätssicherung das passende Analyseverfahren festlegt.

3. Materialvariabilität

Die meisten Werkstoffproduktionsprozesse erzeugen eine Variabilität bei den zu messenden Materialeigenschaften. Dies erfordert oft eine große Probenanzahl für jede Analyse, was wiederum Kosten und Durchlaufzeiten erhöht. Ein frühzeitiges Verständnis der Variabilität in Verbindung mit geeigneten statistischen Verfahren kann dazu beitragen, den Probenumfang zu minimieren.

4. Interpretation der Ergebnisse

Die Ergebnisse der meisten Verfahren zur Materialcharakterisierung bestehen nicht aus einer einfachen Zahl. Häufig handelt es sich um Datensätze, die statistisch analysiert und aufbereitet werden müssen. Alternativ dazu entstehen bei vielen mikroskopischen Verfahren große Mengen an Bildmaterial, das von Experten interpretiert werden muss. In beiden Fällen ist es notwendig, dass sich Experten Zeit für die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse nehmen – Experten, die diese Resultate zudem in nutzbare Informationen übersetzen können.

5. Begrenzter Anwendungsbereich der einzelnen Verfahren

Ein Grund für die Vielzahl unterschiedlicher Technologien zur Materialcharakterisierung liegt darin, dass die meisten dieser Verfahren nur einen sehr begrenzten Anwendungsbereich haben. Sie eignen sich beispielsweise nur für Nanomaterialien oder dünne Proben oder messen elektromagnetische Felder lediglich in einem bestimmten Frequenzbereich. Dies bedeutet, dass zur umfassenden Charakterisierung eines Materials mehrere Verfahren erforderlich sind. Um die Auswirkungen dieser Herausforderung zu minimieren, empfiehlt es sich, die erforderlichen Analysen zu priorisieren und die Auswertungen auf das absolut Notwendige zu beschränken.

6. Lange Durchlaufzeiten

Viele der Verfahren erfordern eine zeitaufwendige Probenvorbereitung, langwierige Testprozesse sowie eine fachkundige Interpretation der Ergebnisse. Dies führt zusammen mit einem möglichen Rückstau bei bestimmten Geräten zu langen Durchlaufzeiten im Bereich von Wochen und sogar Monaten. Durch eine geeignete Zeit- und Ressourcenplanung lassen sich die Auswirkungen auf den Zeitplan verringern.

7. Kategorisierung, Speicherung, Abruf und Weitergabe von Materialeigenschaften

Technologien zur Materialcharakterisierung erzeugen große Datenmengen, die sachgerecht kategorisiert, an einem zugänglichen Ort gespeichert, bei Bedarf schnell abgerufen und – sofern erforderlich – an andere Benutzer weitergegeben werden müssen. Zur Verwaltung Ihrer Materialinformationen sollten geeignete Verfahren und ein System für das Materialdatenmanagement eingerichtet werden.

Das Verständnis der Werkstoffe, die erforscht, ausgewählt oder in der Produktion eingesetzt werden, wird oft als selbstverständlich vorausgesetzt. Dies gilt insbesondere für werkstoffbezogene Informationen zu Komponenten, die von Zulieferern bezogen werden. Die Ermittlung, Erfassung und Nutzung dieser entscheidenden Informationen sollte fester Bestandteil der Prozesse für Produktentwicklung und Lebenszyklusmanagement sein.

Die Bereitstellung geeigneter Lösungen und Dienstleistungen zur Werkstoffcharakterisierung kann einem Unternehmen oder einer Forschungseinrichtung einen erheblichen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Auch wenn dies wichtig ist, erweisen sich der Aufbau und die Aufrechterhaltung umfassender interner Kompetenzen oft als unpraktikabel. Daher ist es entscheidend, den richtigen Partner für Lösungen und Dienstleistungen im Bereich der Werkstoffcharakterisierung zu finden.

Ansys bietet erstklassige Materialcharakterisierung im Rahmen seiner Reliability Engineering Services an. Dieses erfahrene Team führt Charakterisierungen in den Bereichen Elektrik, Mechanik und Zuverlässigkeit durch. Als weltweit führendes Unternehmen im Bereich Simulation weiß unser Team genau, wie die richtigen Informationen gewonnen werden, um Ihre simulationsgestützte Produktentwicklung oder Fehleranalyse voranzutreiben.

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