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Fortschrittliche Bildgebung trifft auf KI

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Die Analyse von Wärmedämmschichten mit dem Apreo ChemiSEM verändert sich

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Die Materialcharakterisierung ist in vielen Industriezweigen der Schlüssel zu Leistung und Sicherheit, doch herkömmliche Methoden sind oft unzureichend. Das Apreo ChemiSEM-System von Thermo Scientific bietet eine vollständige und effektive Lösung durch die Integration fortschrittlicher Bildgebung mit KI-gesteuerter Analyse, wodurch die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Materialbewertung erheblich verbessert wird.

Wärmedämmschichten (TBCs), die in einer dünnen Schicht auf die Oberfläche eines Bauteils aufgetragen werden, können die Lebensdauer von Bauteilen verlängern, indem sie die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, Korrosion und mechanische Beanspruchung erhöhen.1 Aus diesem Grund haben sich TBCs in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet. Die Charakterisierung und Optimierung dieser Materialien bleibt jedoch aufgrund ihrer komplexen Strukturen und Leistungsanforderungen eine Herausforderung. Das Apreo ChemiSEM-System von Thermo Scientific bietet eine Lösung, indem es einen korrelativen Mikroskopieansatz verwendet, der verschiedene Techniken mit KI-gestützter Bildanalyse integriert, um diesen Charakterisierungsprozess zu rationalisieren.

Problem: Die Beschränkungen traditioneller Methoden bei der Materialcharakterisierung

Industrien, die TBCs einsetzen, verlangen in der Regel, dass die Komponenten extremen Bedingungen standhalten, während sie Menschenleben und teure Fracht tragen. Ein Beispiel hierfür sind Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, wo Turbinenschaufeln und Triebwerksteile bei Temperaturen von fast 1800 °C arbeiten müssen.

Herkömmliche Methoden der Materialcharakterisierung, wie die manuelle Probenvorbereitung und die ausführliche Datenanalyse, können langsam und fehleranfällig sein. Dies führt zu Verzögerungen bei der Materialentwicklung und zu Ineffizienzen bei der Qualitätskontrolle, was sich letztlich auf die Leistung und Sicherheit auswirkt.

TBCs bestehen in der Regel aus einer keramischen Deckschicht, einer Haftschicht und thermisch gewachsenen Oxiden. Die Morphologie, die chemische Zusammensetzung sowie die physikalischen und mechanischen Eigenschaften dieser Schichten können die Wirksamkeit der TBC direkt beeinflussen. Die Komplexität von mehrschichtigen Materialien wie diesen stellt eine Herausforderung für herkömmliche Bildgebungsverfahren dar, da die traditionellen Probenvorbereitungsmethoden, wie Schneiden, Schleifen und Polieren, einen erheblichen manuellen Aufwand erfordern. Darüber hinaus ist die manuelle Verarbeitung und Interpretation von Rasterelektronenmikroskopie-Bildern und die Analyse der Zusammensetzung über große Flächen hinweg arbeitsintensiv und kann zu einer Verzerrung durch den Benutzer führen, was den Prozess weiter erschwert.

Die Lösung: Der integrierte Ansatz des Apreo ChemiSEM von Thermo Scientific

Das Apreo ChemiSEM-System wurde entwickelt, um diese Herausforderungen zu meistern, indem es hochauflösende Bildgebung, integrierte chemische Analyse und fortschrittliche Automatisierung kombiniert, um den Materialcharakterisierungsprozess zu rationalisieren. Nachfolgend werden die notwendigen Schritte zur Bewältigung dieser zentralen Herausforderungen beschrieben:

1. Effiziente Probenvorbereitung

Um zeit- und arbeitsintensive Probenvorbereitungsmethoden zu vermeiden, ist das Apreo ChemiSEM-System mit dem CleanMill Broad Ion Beam System kompatibel, um die Probenvorbereitungszeit von bis zu 13 Stunden auf nur 90 Minuten zu reduzieren. Dadurch wird sichergestellt, dass selbst komplexe Materialien wie TBCs effizient vorbereitet werden können, ohne die Datenqualität zu beeinträchtigen.

2. Hochauflösende Bildgebung für große und komplexe Proben

Das Trinity-Detektionssystem des Apreo ChemiSEM ermöglicht selbst bei komplexen Proben eine hochauflösende Bildgebung, indem es gleichzeitig Oberflächen-, topografische und Zusammensetzungsinformationen erfasst und so einen umfassenden Satz an Informationen auf einmal liefert. Ein Arbeitsablauf wie der beschriebene, der für maximale Automatisierung optimiert ist, um die zuverlässigsten Ergebnisse zu gewährleisten, ist besonders in industriellen Umgebungen wertvoll. In diesen Umgebungen kann die Fähigkeit, große Proben schnell und genau zu analysieren, zu leistungsfähigeren Produkten mit verbesserter Langlebigkeit führen.

3. Umfassende chemische und strukturelle Analyse

Ein wesentliches Merkmal des Apreo ChemiSEM ist die ChemiPhase-Technologie, die automatisch die Verteilung und Quantifizierung verschiedener Phasen in einem Material erfasst. In der Luft- und Raumfahrt ermöglicht diese Technik eine detaillierte Analyse von TBC-Bond- und Deckschichten und identifiziert Phasenumwandlungen, die durch Hochtemperatureinwirkung verursacht werden. Der TruePix-Elektronenrückstreuungsdetektor (EBSD) und die EBSD-Software des Systems verbessern die Materialcharakterisierung weiter, indem sie neben der chemischen Zusammensetzung auch kristallografische Informationen liefern und so tiefere Einblicke in Materialeigenschaften wie die Kornstruktur ermöglichen, die für hochbelastete Anwendungen entscheidend sind.

4. Korrelative Mikroskopie und KI-gestützte Bildanalyse

Das Apreo ChemiSEM integriert mehrere Bildgebungsmodalitäten, um einen umfassenden Blick auf die Mikrostruktur von Materialien zu ermöglichen. Das REM wird in Verbindung mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) eingesetzt, um die verschiedenen Materialien in den verschiedenen TBC-Schichten zu identifizieren, während die KI-gestützte Bildanalyse die Phasendetektion über die gesamte Oberfläche des Materials automatisiert. Dies ermöglicht die gleichzeitige Visualisierung von Morphologie und chemischer Zusammensetzung auf einer großen Fläche, wodurch die manuelle Eingabe reduziert und die Zeit bis zum Vorliegen von Ergebnissen verkürzt wird. Durch die Automatisierung der Bildanalyse mittels maschinellen Lernens kann das System Phasen mit einer Genauigkeit von über 95 % für Phasensegmentierungsmetriken identifizieren und segmentieren. Dieser KI-gesteuerte Ansatz garantiert eine schnellere und genauere Charakterisierung komplexer Materialien.

Auswirkungen auf die Industrie: Auswirkungen auf die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Batterieherstellung

Die Fähigkeiten des Apreo ChemiSEM-Systems sind besonders vorteilhaft für Hochleistungsindustrien wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Batterieherstellung, wie im Folgenden erläutert wird:

> Luft- und Raumfahrt: Wie bereits erwähnt, können TBCs, die in Flugzeugtriebwerken verwendet werden, auf Elementdiffusion, Phasenumwandlung und strukturelle Integrität nach längerem Einsatz bei extremen Temperaturen untersucht werden. Die schnelle Analyse mit dem Apreo ChemiSEM hilft, die Zuverlässigkeit der Komponenten zu gewährleisten und die Wartungskosten zu senken. Darüber hinaus ermöglicht die automatisierte und umfassende Materialcharakterisierung eine gründliche Inspektion der verschiedenen in der Luft- und Raumfahrt verwendeten Materialien und bietet tiefere Einblicke in diese sich ständig weiterentwickelnde Branche.

> Automobilindustrie: Das Apreo ChemiSEM-System ermöglicht die detaillierte Untersuchung und Optimierung von Beschichtungen und Materialien, die in der Automobilindustrie verwendet werden. Verbesserte Beschichtungen erhöhen die Haltbarkeit von Fahrzeugen, indem sie einen besseren Schutz vor Korrosion, UV-Schäden und Verschleiß bieten und gleichzeitig die Kraftstoffeffizienz durch reibungsarme oder aerodynamische Eigenschaften verbessern. Darüber hinaus bieten langlebige Beschichtungen und hochwertige Oberflächen ein besseres ästhetisches Erscheinungsbild bei geringeren Wartungskosten.

> Batterieherstellung: Lithium-Ionen-Batteriekomponenten erfordern eine präzise Kontrolle der Materialzusammensetzung und Mikrostruktur. Das Apreo ChemiSEM könnte die Bildgebung und chemische Analyse komplexer mehrschichtiger Festkörperelektrolyte für Lithiumbatterien ermöglichen, was zu einem besseren Verständnis und einer Optimierung der Elektrolyt-Grenzflächen führt. Dies könnte die Batterieleistung erhöhen, die Energiedichte steigern und die Sicherheit von Lithium-Festkörperbatterien verbessern, was das System für die Weiterentwicklung von Batterietechnologien der nächsten Generation sehr wertvoll macht.

Schlussfolgerung: Höhere industrielle Leistung mit dem Apreo ChemiSEM

Das Apreo ChemiSEM-System von Thermo Scientific bietet eine effiziente, automatisierte Lösung für die Materialcharakterisierung in Branchen, in denen hohe Leistung und Zuverlässigkeit unerlässlich sind. Durch die Integration von korrelativer Mikroskopie mit KI-gestützter Analyse reduziert das System den Zeitaufwand und die Komplexität bei der Analyse von mehrschichtigen Materialien wie TBCs, Automobilbeschichtungen und Batteriekomponenten erheblich. Für Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Batteriehersteller ist das Apreo ChemiSEM ein leistungsstarkes Werkzeug, das die Produktentwicklung beschleunigt, die Qualitätskontrolle verschärft und die langfristige Haltbarkeit kritischer Komponenten sicherstellt. Seine Fähigkeit zur Integration mit anderen Geräten, die eine verbesserte Probenvorbereitung und automatisierte Bildgebung sowie Phasenanalyse ermöglicht, macht es zu einem unverzichtbaren Hilfsmittel für jedes Industrielabor, das sich den Herausforderungen der modernen Materialcharakterisierung stellt.

Referenzen und weiterführende Literatur

1. NASA. (2010). [Online] Beschichtungen verlängern die Lebensdauer von Triebwerken und Infrastruktur. Verfügbar unter: https://spinoff.nasa.gov/Spinoff2010/t_7.html (Zugriff am 18. September 2024).

2. Thermo Scientific. (2024). [RESOURCE PROVIDED IN BRIEF] App Note, Datenblatt, Fallstudie, Weißbuch, Technical Note.

3. ThermoFisher Scientific. [Datenblatt] Apreo ChemiSEM System. Verfügbar unter: https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/MSD/Datasheets/apreo-chemisem-system-ds0508-en.pdf

4. Hu, Y, et al. (2023). Mehrschichtige Elektrolyte für Festkörper-Lithiumbatterien. Next Energy. doi.org/10.1016/j.nxener.2023.100042

5. Clerici, D. (2024). Diffusionsinduzierte Spannungsverstärkung in Phasenübergangsmaterialien für Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien. International Journal of Mechanical Sciences. doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109541

6. Bogdan, M., et al. (2024). Ein umfassendes Verständnis von Wärmedämmschichten (Thermal Barrier Coatings, TBCs): Anwendungen, Materialien, Beschichtungsdesign und Versagensmechanismen. Metals. doi.org/10.3390/met14050575