Die Resonanzfrequenz- und Dämpfungsanalyse (RFDA) ist eine leistungsstarke Methode zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften von Werkstoffen, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Die Integration von Laser-Doppler-Vibrometern (LDV) mit der QTec-Technologie von Polytec erweitert die Möglichkeiten der herkömmlichen mikrofonbasierten Messtechnik. LDV ermöglicht eine zuverlässige und kontinuierliche Datenerfassung auch unter extremen Bedingungen, die durch hohe Dämpfung und komplexe Mikrostrukturen des Probenmaterials gekennzeichnet sind. Der Einsatz der QTec-Technologie optimiert die Signalzuverlässigkeit, indem sie die akustische Dämpfung und temperaturbedingte Störungen vermeidet, die die mikrofonbasierte Messung beeinträchtigen, und eignet sich daher besonders für die nahtlose Integration in die Materialcharakterisierungs- und Produktprüfsysteme von IMCE NV.
Einleitung: Motivation für RFDA
Für Ingenieure und Forscher, die sich mit feuerfesten oder Hochtemperaturkeramiken befassen, ist das Verständnis elastischer Parameter und Dämpfungsmechanismen entscheidend, um sowohl eine zuverlässige Leistung als auch Materialinnovationen zu gewährleisten. Herkömmliche RFDA-Implementierungen stützen sich oft auf akustische Sensoren (Mikrofone), die unter Bedingungen erhöhter Dämpfung und schneller mikrostruktureller Veränderungen häufig an ihre Grenzen stoßen. Diese Einschränkungen verstärken sich oberhalb von 1200 °C und schränken eine zuverlässige Datenerfassung ein.
LDV-basierte RFDA-Systeme umgehen diese Herausforderungen, indem sie Schwingungen direkt an der Probenoberfläche messen. So werden die Signalqualität verbessert sowie zuverlässige Modul- und Dämpfungsmessungen auch unter Bedingungen ermöglicht, unter denen die akustische Erfassung schwierig wird. Die Integration in kommerzielle Systeme von IMCE NV gewährleistet die Kompatibilität mit etablierten Arbeitsabläufen und Standards.
Methoden: RFDA und LDV mit QTec-Technologie
RFDA basiert auf der Impulse Excitation Technique (IET), einem zerstörungsfreien Verfahren, bei dem ein Prüfkörper mechanisch angeregt und sein Eigenschwingungsverhalten analysiert wird. Aus den Resonanzfrequenzen lassen sich elastische Eigenschaften wie der Elastizitätsmodul und der Schermodul bestimmen, während der Schwingungsabklingvorgang Aufschluss über die Materialdämpfung gibt. Das Verfahren ist in den Normen EN 820-5, EN 843-2, ASTM E1876, ASTM C1259 und ASTM C1548 standardisiert.
IMCE-RFDA-Systeme kombinieren kontrollierte Impulsanregung, Signalerfassung und spezielle Analysesoftware. Mit Hochtemperatursystemen lassen sich diese Eigenschaften während des Aufheiz-, Halte- und Abkühlzyklus kontinuierlich überwachen.
Traditionell werden die Schwingungen akustisch mit einem Mikrofon erfasst. Die größte Herausforderung, insbesondere bei hohen Temperaturen, besteht darin, dass eine zunehmende Materialdämpfung die Schwingungsamplitude und die Abklingzeit stark verringern kann. Mikrofone verlieren aufgrund von Schallabschwächung, Luftbewegungen und Temperaturgradienten an Signaltreue.
IMCE hat bereits Anfang der 2000er Jahre die LDV-Erfassung eingeführt, um RFDA-Messungen auf höhere Temperaturen, insbesondere unter Vakuumbedingungen, auszuweiten.
Laser-Doppler-Vibrometer erfassen Schwingungen an der Probenoberfläche berührungslos. Durch die Verwendung von Licht als Sensor kann die Dämpfung von Schallwellen durch das heiße Gas umgangen werden.
Mit der Mehrkanal-Interferometrie (QTec) von Polytec gelang es IMCE, die Empfindlichkeit der Lasermessung gegenüber Umwelteinflüssen zu minimieren. QTec bietet eine robustere optische Erfassung unter anspruchsvollen Bedingungen wie Oberflächenrauheit, verminderter Reflektivität oder schnellen thermischen Übergängen. Die Technologie gewährleistet zudem eine hohe Datenzuverlässigkeit bei mikrostrukturellen Ereignissen (z. B. Phasenbildungen, Mikrorisse und Sinterprozesse). LDV-basierte RFDA-Messsysteme erzielen robuste Messergebnisse und sind sowohl in der Forschung als auch in der Produktion breit einsetzbar.
Anwendungsbeispiele und Ergebnisse
LDV-basierte RFDA-Messsysteme wurden an einer Vielzahl von Keramik- und Feuerfestproben untersucht:
- Bei dichtem, polykristallinem Aluminiumoxid lieferten beide Sensortypen, akustische und optische, vergleichbare Ergebnisse. Das LDV lieferte bei erhöhten Temperaturen deutlich länger ein qualitativ hochwertigeres Signal, obwohl beide Sensoren bis zu 1550 °C in der Lage blieben, die relevanten Frequenz- und Dämpfungsdaten zu erfassen.
- Bei zementarmen Feuerbetonen (Ultra-Low Cement Castables, ULCC) mit extrem geringem Zementanteil übertraf das LDV das Mikrofon bei Proben mit hoher Dämpfung und Glasphasenbildung deutlich und erfasste weiterhin Resonanzdaten unter Bedingungen, unter denen akustische Sensoren versagten.
- Bei komplexen, mehrkomponentigen Keramiken ermöglichte das QTec-LDV-System eine kontinuierliche Verfolgung der Resonanzfrequenz, die andernfalls nicht beobachtbar gewesen wäre. Die gewonnenen Daten bilden eine Grundlage für die gezielte Materialoptimierung.
Diese Ergebnisse zeigen, wie die Integration der LDV-Sensoren von Polytec in die RFDA-Messsysteme von IMCE eine zuverlässige, zerstörungsfreie Materialbewertung während kritischer thermischer Zyklen und unter anspruchsvollen industriellen Bedingungen ermöglicht.
Fehlerbehebung und bewährte Verfahren
Für eine optimale LDV-Leistung ist eine sorgfältige Ausrichtung am zentralen Schwingungsbauch der Probe erforderlich. Bei klassischen LDV-Systemen sollten Reflexionsverluste durch präzise Laserausrichtung minimiert werden. Die Oberflächenvorbereitung ist weniger kritisch, da QTec Speckle und thermische Drift aktiv mindert und somit Datenaussetzer reduziert. Häufige Fehlerquellen wie eine schlechte Sensorausrichtung, ungeeignete Halterungen oder fehlende Schwingungssignale aufgrund kurzer Abklingzeiten werden durch die Redundanz der Mehrkanal-Erfassung und die fortschrittliche Signalverarbeitung von QTec behoben.
Messbare Erfolgskriterien
Der Erfolg der LDV-basierten RFDA-Integration in IMCE-Plattformen zeigt sich in der kontinuierlichen Ermittlung von Elastizitätsmodulen und Dämpfung über den gesamten Temperaturzyklus (z. B. 25 °C bis 1550 °C) für verschiedene Materialtypen. Dies ermöglicht eine effektive Identifizierung von Mikrostrukturmerkmalen wie Phasenübergängen und Mikroschäden anhand von Änderungen der Frequenz und der Dämpfung.
Danksagung für die wissenschaftliche Zusammenarbeit
Dieser Artikel basiert auf einer begutachteten wissenschaftlichen Veröffentlichung, die aus einer Zusammenarbeit zwischen akademischen Forschungsgruppen und Partnern aus der Industrie hervorgegangen ist, die sich der Weiterentwicklung der Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen verschrieben haben. Die Forschung wird zudem durch Beiträge führender Universitäten und multidisziplinärer Labore untermauert, deren Fachwissen und Ressourcen von unschätzbarem Wert waren, um das Potenzial der fortschrittlichen RFDA für die moderne Materialwissenschaft auszuschöpfen.
Das Team bestand aus Andrea Salerno, Kwasi Addo Boateng, Marc Huger von der Universität Limoges, Institut de Recherche sur les Céramiques, Jean-Michel Auvray vom Imerys Centre Technologique, Paul Leplay, Amelie Bigeard von Saint-Gobain Research sowie den Autoren dieses zusammengefassten Artikels, Jörg Sauer von der Polytec GmbH und Bart Bollen von IMCE NV. Besonderer Dank gilt den Teams der Polytec GmbH, deren innovative QTec-Technologie maßgeblich zu dieser Messtechnik beigetragen hat, sowie der IMCE NV, deren Systeme die LDV-Lösung nahtlos in standardisierte Arbeitsabläufe für Forschung und industrielle Inspektion integriert haben.
Fazit
Die Kombination von RFDA mit der QTec-Laser-Doppler-Vibrometrie erweitert RFDA-Messungen über die Grenzen hinaus, an die herkömmliche akustische Detektion unter Bedingungen hoher Temperaturen und starker Dämpfung stößt.
Die direkte Integration der LDV-Sensoren von Polytec in die RFDA-Systeme von IMCE verbessert die Signalrobustheit und die Datenkontinuität und unterstützt damit die fortgeschrittene Materialforschung und die industrielle Qualitätskontrolle.
