Das Ziel der Prozessanalytik ist die effiziente Optimierung des Wärmebehandlungsprozesses. Durch ein vertieftes Verständnis der thermochemischen Vorgänge während des Entbinderns und Sinterns, aber auch anderer Wärmebehandlungsprozesse, können wir die Bauteilqualität verbessern und regelmäßig die Prozessdauer verkürzen und damit die Prozessführung wirtschaftlicher gestalten. Und das häufig nach nur wenigen Versuchen.
Die Messinstrumente zur Prozessgaszusammensetzung sind mobil einsetzbar. Wir können Sie daher auch bei Ihnen vor Ort unterstützen mit:
Den Zugang zu verschiedensten thermochemischen Vorgängen liefert die Prozessgasanalyse mittels Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie. Mit dieser Methode kann am Fraunhofer IFAM direkt im Ofen und in Echtzeit die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre gemessen werden. So erhält man temperaturgenau Aufschluss über Beginn und Ende von Zersetzungs- oder Reduktionsprozessen.
Während der Messung wird ein Infrarotstrahl durch die Ofenatmosphäre geleitet (s. Abb. 1). Verschiedene Moleküle absorbieren durch ihre Schwingungen unterschiedliche Wellenlängen. Die so nicht mehr am Detektor ankommenden Strahlungsanteile werden als Absorbanz über der Wellenlänge (bzw. der Wellenzahl) aufgetragen. Aus der Integration über einen definierten Bereich können wir die integrierte Absorbanz als Maß für die in der Atmosphäre vorhandene Stoffmenge im Prozessverlauf auftragen.
Damit können Wärmebehandlungsprozesse wie z. B. Entbinderung-, Reduktions- und Sinterprozesse zuverlässig charakterisiert und effizient ausgelegt oder optimiert werden. An einem Beispielprozess ist dies in Abbildung 2 dargestellt. Bei diesem Prozess tritt nach etwa einer Stunde ein erster, stark ausgeprägter Peak der Zersetzungsprodukte auf. Diese starke Gasfreisetzung führt zu Riss- und Blasenbildung im Bauteil. Durch eine niedrigere Temperatur der Haltestufe konnte dies verhindert werden. Die Temperatur der zweiten Haltestufe wurde für eine saubere und vollständige Entbinderung dagegen erhöht. Zwischen beiden Peaks fanden ursprünglich über etwa 2 Stunden keinen Zersetzungsprozesse statt. Mit der Verkürzung dieses Prozessschrittes konnte neben der verkürzten Prozesszeit und reduziertem Energiebedarf eine deutlich geringere Konzentration an Verunreinigungen an Kohlenstoff und Sauerstoff erreicht werden.
Derartige Messungen können sowohl in unseren Laboröfen als auch häufig an kontinuierlichen und Batch-Produktionsanlagen vor Ort durchgeführt werden. Unter bestimmten Voraussetzungen ist die ortsaufgelöste Messung der Gasatmosphäre möglich.
Die direkte in-situ Prozessgasphasenanalyse erfolgt mittels optischer Methoden:
Die in-situ FTIR-Spektroskopie kann mit einer parallelen Prozessgasphasenanalyse mittels Massenspektrometer (MS) kombiniert werden. Zusätzlich stehen in separaten Laboratorien thermische Analyse (DSC, DTA, TG), Elementaranalyse (H, C, N, O, S), Metallographie und mechanische Prüfung (Härte, Zug-, Druck- und Biegefestigkeit) zur Bewertung der Ergebnisse zur Verfügung.
Die Analysen werden am Fraunhofer IFAM Dresden in einem Rohrofen sowie einem integrierten Enbinder- und Sinterofen angeboten, können aber in der Regel auch an den Öfen des Kunden vor Ort durchgeführt werden.
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM