Neue 3-D-Techniken machen das Innerste von Materialien sichtbar
Mit Röntgengeräten und Tomographen kann man nicht nur Menschen durchleuchten, sondern auch Materialien. Am Computer werden die Aufnahmen dann zu dreidimensionalen Bildern zusammengesetzt, die dank verbesserter Gerätetechnik und ausgefeilter Rechenverfahren immer brillanter werden. Das Innere von Materialien wird dadurch bis zur atomaren Ebene hin auch räumlich sichtbar. Dies hilft dabei, Werkstoffe besser zu verstehen und ihre Eigenschaften gezielt zu verändern. Auf einer internationalen Tagung in Saarbrücken diskutieren vom 2. bis 4. November erstmals Materialforscher, Informatiker und Mathematiker gemeinsam, wie man die Strukturen von Materialien mit neuen 3-D-Techniken analysieren kann.
Bisher wissen die Entwickler bei vielen Materialien oft nicht genau, welche Substanz eine gewünschte Eigenschaft ausgelöst hat. Motorblöcke aus Aluminium zum Beispiel sollen Fahrzeuge leichter machen. Aluminium ist jedoch ein sehr weiches Material, das erst durch die Zugabe von Silizium fester wird. Damit das Aluminium eine gleichförmige Struktur erhält, werden aber noch ganz wenige Atome eines weiteren Stoffes benötigt. „Die Zugabe von nur einigen Millionstel Anteilen Strontium verändert das dreidimensionale Siliziumnetzwerk völlig und macht am Ende den Motorblock wesentlich fester. Dies konnten wir nur mit Hilfe einer neuen 3-D-Technik, der Nano-Tomographie, nachweisen", erläutert Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Saar-Uni und einer der Organisatoren der Saarbrücker Tagung.
Materialforscher interessieren sich sowohl für die chemische Zusammensetzung eines Werkstoffes als auch für seine innere Struktur, denn beide zusammen bestimmen die Eigenschaften von Werkstoffen. „Mit verschiedenen Methoden können wir heute die oft komplexe Geometrie eines Materials sichtbar machen und diese nicht nur in winzigen Mikro- und Nanodimensionen untersuchen, sondern bis zum einzelnen Atom hin“, erläutert Professor Mücklich. Dabei spielt die räumliche Darstellung eine entscheidende Rolle, denn bisher konnte man viele Materialien nur zweidimensional erfassen, so dass wichtige Informationen fehlten. „Wenn man zum Beispiel im Gusseisen nach unerwünschten Luftbläschen sucht, reicht es nicht, den Werkstoff nur an einigen Stellen scheibchenweise zu durchleuchten. Dann hat man nur Zufallstreffer, aber kein vollständiges Bild der fehlerhaften Stellen“, sagt der Materialforscher.
Die verbesserte 3-D-Gerätetechnik wirft aber neue Fragen auf, die nur von Informatikern und Mathematikern beantwortet werden können. „Bei Röntgenbildern etwa entstehen viele Schatten, die aus den Bildern herausgerechnet werden müssen. Bei komplexen Strukturen ist es außerdem hilfreich, wenn der Computer automatisch wiederkehrende Muster erkennt und einzelne Substanzen schon genau zuordnen kann“, erläutert Philipp Slusallek, Professor für Computergraphik der Saar-Uni. Dabei entstünden jedoch schnell riesige Datenmengen, die nur durch ausgeklügelte Algorithmen, also Rechenverfahren, bewältigt werden können. „Die anschauliche Visualisierung von Materialien wird künftig wesentlich dazu beitragen, dass man neuen Werkstoffen bestimmte Eigenschaften zuweist, sie also zum Beispiel besonders hart, biegsam oder reibungsarm werden“, meint der Saarbrücker Forscher.
An der Saarbrücker Tagung zum Thema „3-D-Mikrostrukturen“ werden über 60 Wissenschaftler vor allem aus Deutschland und Frankreich teilnehmen. Die Vorträge beschäftigen sich beispielsweise mit der Analyse von Tomographie-Aufnahmen in Nanodimensionen, der Vorhersage von Strukturen in Metallschäumen und der Charakterisierung von Bauteilen einer Brennstoffzelle. Die erstmals stattfindende Tagung wird von Frank Mücklich, der auch Direktor des Steinbeis-Forschungszentrums für Werkstofftechnik ist, gemeinsam mit Philipp Slusallek, Informatik-Professor und wissenschaftlicher Direktor am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, sowie der Mathematikerin Katja Schladitz vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik in Kaiserslautern organisiert.
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