3D Röntgenmikroskopie (XRM)

Am ZBT steht mit dem 3D-Röntgenmikroskop ZEISS Xradia 620 Versa ein hochauflösendes System zur zerstörungsfreien Material- und Bauteilanalyse zur Verfügung. Die 3D-Röntgenmikroskopie ermöglicht detaillierte Einblicke in das Innere von Proben und macht Strukturen sichtbar, die mit konventionellen zweidimensionalen oder zerstörenden Methoden nur eingeschränkt zugänglich sind.

Eingesetzt wird das System am ZBT insbesondere zur Untersuchung von Materialien und Komponenten für Wasserstofftechnologien. Dazu gehören Brennstoffzellenkomponenten, poröse Transportschichten, Membran-Elektroden-Einheiten, spritzgegossene Bauteile und additiv gefertigte Strukturen. Die Methode verbindet hochauflösende Bildgebung mit quantitativer Struktur-, Defekt- und Schadensanalyse.

3D-Röntgenmikroskop am ZBT - Zentrum für BrennstoffzellenTechnik zur Untersuchung von Wasserstofftechnologien

Anwendungen der 3D-Röntgenmikroskopie

Mit XRM-Messungen können Materialstrukturen zerstörungsfrei in 3D erfasst, visualisiert und quantitativ ausgewertet werden. Die Methode unterstützt sowohl wissenschaftliche Untersuchungen als auch industrielle Entwicklungs- und Qualitätssicherungsprozesse.

Typische Anwendungsbereiche am ZBT sind:

  • Strukturaufklärung poröser Materialien
  • Untersuchung von Brennstoffzellen- und Elektrolyseurkomponenten
  • Qualitätskontrolle spritzgegossener oder additiv gefertigter Bauteile
  • Analyse von Defekten, Rissen und Inhomogenitäten
  • Untersuchung von Degradation, Frostschäden und Alterungseffekten
  • Datengrundlage für strukturaufgelöste Simulationen

Was lässt sich mit XRM untersuchen?

Reale 3D-Strukturen für Simulation und Modellierung

Poröse Strukturen beeinflussen Stofftransport, Wasserverteilung, Gastransport und Leistungsfähigkeit in elektrochemischen Systemen. Mit der 3D-Röntgenmikroskopie können reale Porengeometrien gemessen und für strukturaufgelöste Simulationen genutzt werden.

Dadurch lassen sich idealisierte oder stark vereinfachte Modelle durch gemessene 3D-Strukturen ersetzen. So können Transportpfade, lokale Sättigung, Engstellen und leistungsbegrenzende Bereiche genauer analysiert werden. Am ZBT wurde dieser Ansatz unter anderem für komplexe poröse Komponenten und Grenzflächen in Brennstoffzellen- und Elektrolyseurkontexten eingesetzt.

Qualitätskontrolle von Spritzguss- und Fertigungsprozessen

XRM-Messungen ermöglichen die zerstörungsfreie Untersuchung technischer Bauteile auf unterschiedlichen Längenskalen. Bei spritzgegossenen Komponenten lassen sich innere Inhomogenitäten, Defekte, Füllstoffverteilungen oder Partikelorientierungen sichtbar machen.

Diese Informationen können genutzt werden, um Fertigungsprozesse gezielt zu optimieren, etwa im Hinblick auf Temperatur, Druck, Geschwindigkeit oder Materialzusammensetzung. Gleichzeitig hilft die Analyse der Mikrostruktur dabei, Materialeigenschaften wie thermische Leitfähigkeit oder mechanische Stabilität besser zu verstehen.

Analyse von Degradation und Frostschäden in Brennstoffzellen

Brennstoffzellenkomponenten sind im Betrieb anspruchsvollen Belastungen ausgesetzt. Besonders Kaltstartbedingungen und Frost-Tau-Zyklen können die Materialstruktur von Membran-Elektroden-Einheiten und angrenzenden Schichten verändern.

Die 3D-Röntgenmikroskopie ermöglicht es, solche Veränderungen im Inneren des Mehrschichtsystems zerstörungsfrei zu untersuchen. Sichtbar werden zum Beispiel Rissbildung, Ablösungen, strukturelle Umlagerungen oder feuchte- und eisinduzierte Schädigungen. Dadurch können Alterungsmechanismen besser verstanden und Materialien, Komponenten sowie Betriebsstrategien gezielt weiterentwickelt werden.

Was lässt sich mit XRM untersuchen?

Mit der 3D-Röntgenmikroskopie lassen sich innere Strukturen und Materialmerkmale sichtbar machen, vermessen und auswerten. Je nach Probe und Fragestellung können qualitative Visualisierungen, quantitative Strukturparameter oder datenbasierte Analysen erstellt werden.

Untersucht werden können unter anderem:

  • Porenstrukturen, Porosität und Porengrößenverteilungen
  • Risse, Delaminationen und innere Defekte
  • Schichtaufbau und Strukturveränderungen in Mehrschichtsystemen
  • Partikel-, Faser- oder Füllstofforientierungen
  • Wasserverteilung und Transportpfade in geeigneten Probenaufbauten
  • innere Geometrien technischer Bauteile
  • Alterungs-, Frost- und Feuchteschäden
  • additiv gefertigte Strukturen, Düsen, Verbundwerkstoffe und technische Proben mit komplexer Innengeometrie

Technische Spezifikationen

Für die 3D-Röntgenmikroskopie nutzt das ZBT das ZEISS Xradia 620 Versa. Das System eignet sich für hochauflösende 3D-Analysen technischer Materialien und Bauteile und kann für unterschiedliche Probengrößen und Fragestellungen eingesetzt werden.

  • Maximale Auflösung: bis zu 0,5 µm
  • Leistung: 25 W
  • Spannungsbereich: 30 – 160 kV
  • Verfügbare Objektive: 0.4x, 4x, 20x, 40x
  • Maximales Probengewicht: 25 kg
  • In-situ Messungen möglich

Messprinzip

  • Radiografie: Röntgentransmission der Probe wird in sichtbares Licht umgewandelt und auf eine CCD-Kamera projiziert.

  • Tomografie: Radiografien werden aus verschiedenen Rotationswinkeln aufgenommen, um eine 3D-Struktur zu berechnen.

  • Software: Datenanalyse mit statistischen Methoden, Segmentierung oder maschinellen Lernalgorithmen.

3D-Röntgenmikroskop

Simon Dondrup
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Porträt von Simon Dondrup.

3D-Röntgenmikroskop

Dr. Viktor Mackert
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Portrait eines Manns mit Brille, Anzug und Krawatte