In realtime toekijken hoe metalen stollen

Het team van Prof. Dr. John Banhart (1e van rechts) houdt het wereldrecord in 3D-CT-scanfotografie. De medewerkers kunnen momenteel 50 tomogrammen per seconde opnemen. (© TU Berlijn/PR/Felix Noak)

Materialwetenschappers willen met behulp van 3D-röntgentomografie het dendritische groei beter begrijpen en daarvoor de snelheid waarmee tomogrammen worden opgenomen, vertienvoudigen.

Wanneer men metaal bekijkt terwijl het stolt, lijkt het alsof er talloze kleine bomen groeien. Deze structuren worden dendrieten genoemd, afgeleid van het Griekse woord déndron voor boom. Daarom spreekt de wetenschap ook van dendritisch groeien. Dit stolingsproces is zeer complex en deels nog niet volledig begrepen. Wie wil kijken, heeft echter röntgenstralen nodig, want alleen deze dringen door het metaal. Voor het ontsluiten van het stolingsproces is nu een geschikte methode beschikbaar: de 3D-röntgentomografie, omdat het dendritische groeien een driedimensionaal proces is dat razendsnel verloopt.

De 3D-röntgentomografie is extreem snel. Momenteel kunnen de medewerkers van Prof. Dr. John Banhart 50 tomogrammen per seconde opnemen. Dat is een wereldrecord. "Maar voor het dendritische groeien is dat nog niet snel genoeg," zegt de leider van het TU-onderzoeksgebied Structuur en Eigenschappen van Materialen. "We willen 1000 tomogrammen per seconde bereiken en daarmee voor het eerst tomografie toepassen op het stolingsproces van metalen, om het beter te begrijpen." De term 'tomografie' heeft Banharts team pas onlangs bedacht. Ze willen hiermee de enorme snelheid uitdrukken die ze inmiddels bereiken, en zich ook taalkundig onderscheiden van de langzamere voorloper – de 3D-tomografie.

De Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) waardeerde dit onderzoek als "zeer innovatief" en keurde een "Reinhart-Koselleck-project" goed. Met deze DFG-beleidslijn krijgen onderzoekers die zich door hun wetenschappelijke prestaties onderscheiden de mogelijkheid om risicovolle projecten te ondernemen. Het Reinhart-Koselleck-project wordt door Prof. Dr. John Banhart van de DFG gefinancierd voor vijf jaar met in totaal 750.000 euro.

Bij de 3D-tomografie worden driedimensionale röntgentomogrammen in fracties van seconden opgenomen en verwerkt tot een 3D-film. Met de toepassing van 3D-röntgentomografie voor het onderzoek van metalen schuimen heeft John Banhart en zijn werkgroep al ruime ervaring. Dit materiaal wordt bijvoorbeeld gebruikt voor dempingselementen in de machinebouw en de lichtbouw. Er zijn ook eerste pogingen om motoren in elektrische voertuigen in metaal schuim te verpakken, om ze te beschermen tegen indringende voorwerpen die kortsluiting en daarmee een explosie kunnen veroorzaken.

Net als bijna elk schuim heeft ook metaal schuim de neiging om niet duurzaam te zijn. Het mooie schuim in bier verdwijnt sneller dan gewenst, en in bad kun je letterlijk toekijken hoe de bellen barsten. Dromen worden daarom ook volksmond schuimen genoemd. Deze onduurzaamheid van schuim baart ook materiaalwetenschappers zoals Prof. Dr. John Banhart zorgen. "Metaalschuimen worden gemaakt van een metaalpoeder en een drijfgas. Het drijfgas is ook een poeder van metaal en waterstof. Beide worden gemengd, gecomprimeerd en verhit, waarbij het drijfgas waterstof vrijlaat, waardoor het mengsel gaat schuimen. Tijdens het stolingsproces barsten de bellen en groeien ze samen tot grotere bellen. Dit is een ongewenst proces omdat het de mechanische eigenschappen van het materiaal verslechtert," legt John Banhart uit. Met behulp van 3D-tomografie is het zijn groep gelukt te beschrijven waarom de bellen barsten: de oorzaak ligt in lokale drukverhogingen rond de drijfgasteilletjes. "Daarom doen we onderzoek naar een nieuw drijfgas dat zich gelijkmatiger door het metaal verdeelt en het schuim zachter produceert," aldus Banhart.

Een andere toepassing van tomografie betreft processen waarbij met behulp van een laserstraal metaal in zeer korte tijd wordt gesmolten. Dit kan laserlas- en snijwerk zijn, maar ook de additieve productie, ook wel 3D-printen genoemd, waarbij materiaal laag voor laag wordt aangebracht tot een onderdeel. Hier wil John Banharts werkgroep de 3D-röntgentomografie gebruiken om te achterhalen wat er gebeurt in de korte tijd van het smelten en opnieuw stollen.

Een tweede focus ligt op het mathematisch verwerken van de enorme hoeveelheid data die daarbij vrijkomt – meerdere terabyte per minuut – zodat deze ook leiden tot nieuwe inzichten. "Daar staan we voor een enorme uitdaging," zegt John Banhart. De derde pijler van het onderzoek is de ontwikkeling van functionele en draagbare experimentele opstellingen waarmee de opnames gedaan kunnen worden in het synchrotron van het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland. John Banhart: "We hebben intensief röntgenlicht nodig, en dat wordt ons alleen door synchrotrons geleverd."