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Labor für Werkstoffprüfung der FH Bielefeld hat neues Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop

Feinsten Rissen auf der Spur

Bielefeld

Minimale Schäden oder Verschleißerscheinungen, die mit bloßem Auge niemals zu erkennen wären, können im Labor für Werkstoffprüfung der Fachhochschule Bielefeld künftig entlarvt werden. Möglich macht das ein neuartiges „Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop“.

Über eine Kamera im Inneren des Mikroskops können die Forscher sehen, ob die Probe richtig ausgerichtet ist und sie bei Bedarf verschieben. Im Labor für Werkstoffprüfung wird das Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop eingesetzt. Foto: Patrick Pollmeier/FH BielefeldPatrick Pollmeier/FH Bielefeld

Zwei Nanometer – also zwei Milliardstel Meter, was etwa dem Durchmesser einer DNA-Doppelhelix entspricht – beträgt die Auflösung, die mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) bei Metallen maximal erreicht werden kann. Angeschafft wurde es im Zuge eines Großgeräteantrags bei der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG). „Wir freuen uns sehr, das Gerät bei uns im Einsatz zu haben und von der neuen Technologie profitieren zu können“, sagt Prof. Dr.-Ing. Thomas Kordisch vom Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik (IuM).

Ein Rasterelektronenmikroskop, erläutert Dipl.-Ing. Michaela Klöcker, taste eine Probe Punkt für Punkt und Zeile für Zeile mit dem Elektronenstrahl ab. Durch das Auftreffen der Elektronen auf die Probe werden wiederum Elektronen freigesetzt, dann durch Detektoren aufgefangen und ausgewertet. Auf diese Weise kann die Oberflächenstruktur in einem Computerprogramm abgebildet werden.

Röntgenstrahlen entlarven Elemente einer Probe

„Daneben werden auch Röntgenstrahlen freigesetzt, die durch einen so genannten EDX-Detektor ebenfalls aufgefangen und analysiert werden. Aus den Daten können wir dann schließen, um welche Elemente es sich bei oder auf der Probe handelt“, sagt Kordisch.

Voraussetzung für das Gelingen der Untersuchung ist ein Hochvakuum. „Befindet sich Luft zwischen Probe und Elektronenstrahl, erhalten wir ein falsches oder schlechteres Signal, was die Analyse deutlich erschwert und verfälscht“, erklärt Klöcker.

Die Bindenaht von Spritzgussproben oder die Verschleißmechanismen bei beschichteten Stahlproben können an der FH künftig ebenso genau betrachtet werden wie das Korrosionsverhalten und die Schädigungsmechanismen von nichtrostenden Stählen in wässrigen Elektrolyten unterschiedlicher Zusammensetzung. „Einige weitere sehr interessante Möglichkeiten sind die Untersuchung von Knochenstrukturen in der Medizintechnik oder die Analyse von Schadensfällen bei verschiedensten Werkstoffen“, sagt Kordisch.

Im Labor für Werkstoffprüfung wird das Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop eingesetzt. Foto: Patrick Pollmeier/FH Bielefeld

Ein weiterer Neuzugang im Labor ist das so genannte In-situ-Biegemodul, das im REM eingesetzt werden kann. Die Prüfvorrichtung wird im Vakuum der Probenkammer betrieben, um das Verhalten von Proben unter Biegebelastung zu untersuchen. „Dieses System ermöglicht es, minimale Veränderungen der Probe unter Belastung zu erfassen und die dabei auftretenden Schädigungen im REM zu untersuchen“, erklärt Klöcker. Das kann etwa ein Riss sein, der von außen unsichtbar in die Probe hineinwächst und letztlich zum Ermüdungsbruch führt – was außerhalb des Labors katastrophal sein kann.

An der Bruchstelle können die Wissenschaftler erkennen, was die Ursache war – und welche Materialien sich unter Belastung gut und vor allem dauerhaft einsetzen lassen. „Wir hoffen, so viele Fragestellungen rund um das Thema des ressourceneffizienten und intelligenten Einsatzes von Werkstoffen beantworten zu können“, sagt Kordisch.

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