Hitachi Vulcan: LIBS Handgerät für Metallanalyse

Hitachi Vulcan: LIBS Handgerät für Metallanalyse. Bild: Hitachi High-Tech

| von Mikko Järvikivi, Hitachi High-Tech

Die strenge Gesetzgebung zu CO2-Emissionen treibt den Wandel in der gesamten Automobil-Lieferkette voran. Da die CO2-Emissionen um 8,5 g pro 100 km für jede 100 kg geringeres Gewicht sinken, bleibt die Gewichtsreduzierung Priorität. Der Ersatz von Stahl durch leichtere Materialien macht hierbei den größten Unterschied. Der Weg zum Leichtbau bringt jedoch entscheidende Herausforderungen in der Materialanalyse und Qualitätskontrolle mit sich.

Es gibt drei Schlüsseltechnologien für die Metallanalyse: laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), optische Emissionsspektroskopie (OES) und Röntgenfluoreszenz (RFA). Alle drei sind vielseitig einsetzbar, insbesondere für die Identifizierung von Metallen und ihre Qualitäten.

Mit sehr hohen Anforderungen an die Komponenten, von der Notwendigkeit, Energie bei einem Aufprall zu absorbieren, bis hin zur Hitzebeständigkeit und strukturellen Steifigkeit, werden Aluminium- und Magnesiumlegierungen immer mehr eingesetzt, da sie leicht und relativ kostengünstig sind und die notwendigen Eigenschaften bieten.

Aluminium

Die Automobilindustrie wird bis 2025 ein Viertel des gesamten Aluminiumverbrauchs (30 Millionen Tonnen) ausmachen, ein durchschnittliches Auto wird fast 100 kg Aluminium enthalten.

Es zeichnet sich eine neue Generation von Legierungen ab, die zu einem integralen Bestandteil verschiedener Komponenten werden könnten und geringe Dichte, Festigkeit, Steifigkeit und Schadenstoleranz kombinieren. Lithium wird hinzugefügt, um die Festigkeit zu verbessern, und Phosphor und Schwefel, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Sie können sich allerdings auch nachteilig auf die Korrosionsbeständigkeit auswirken und dürfen daher nur in kleinen Mengen eingesetzt werden.

Mit der Weiterentwicklung von Aluminium werden entsprechende Technologien für die Materialanalyse und Qualitätskontrolle benötigt. Moderne Analysegeräte können Lithium in Aluminiumlegierungen und Bor-Aluminiumlegierungen messen. Die bevorzugte Wahl ist ein LIBS Handgerät oder OES für sehr niedrige Nachweisgrenzen. Ein Funkenspektrometer kann Li in Al bis auf 0,0005 % identifizieren, ebenso wie Bor, Phosphor und Schwefel. RAF Handgeräte sind nicht geeignet, da sie weder Bor noch Lithium messen können.

Hitachi OE750: Funkenspektrometer für die Schmelz- und Qualitätskontrolle
Hitachi OE750: Funkenspektrometer für die Schmelz- und Qualitätskontrolle. Bild: Hitachi High-Tech

Magnesium

Magnesium ist leichter als Aluminium und hat das höchste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aller Strukturmetalle. Da es reichlich vorhanden und leicht recycelbar ist, hat es Stahl und Aluminium in einigen Komponenten ersetzt und wird in großem Umfang in Legierungen verwendet.

Magnesium ist spröde und hat nicht die Kriechfestigkeit von Aluminium, aber Innovationen können dieses Problem lösen. Forscher können die Mikrostruktur von Magnesium so verändern, dass es bei Raumtemperatur ohne Rissbildung komprimiert werden kann, und somit auch seine Energieaufnahme und Duktilität verbessern.

Für die Analyse von Legierungen mit niedrigsten Nachweisegrenzen liefert die OES die genauesten Ergebnisse. Die neue Generation der Funkenspektrometer ist für die schnelle, zuverlässige und kostengünstige Analyse aller wesentlichen Legierungselemente und die Identifizierung sehr niedriger Gehalte an Begleit-, Spuren- und Behandlungselementen ausgelegt.

Der Weg vor uns

Das hohe Innovationstempo in der Industrie bringt entscheidende Herausforderungen für die Qualitätskontrolle in der gesamten Automobil-Lieferkette mit sich. Als Reaktion darauf hat sich der Bereich der Materialanalyse schnell verändert. Die kontinuierliche Entwicklung und Anwendung von Technologien wie OES, XRF und LIBS vereinfacht die Analyse und birgt ein enormes Potenzial für die Erschließung wirtschaftlicher Werte. Die Auswahl der richtigen Technologien für jede Phase des Entwicklungsprozesses im Fahrzeugbau ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Analyse mit den sich ändernden gesetzlichen Anforderungen Schritt hält.

Wenn Sie mehr über die Materialanalyse im Fahrzeugbau erfahren möchten, können Sie hier einen Leitfaden herunterladen.

Autor: Mikko Järvikivi, Head of Product Management bei Hitachi-High Tech

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