TY - JOUR A1 - Lemiasheuski, Anton A1 - Bajer, Evgenia A1 - Oder, Gabriele A1 - Göbel, Artur A1 - Hesse, Rene A1 - Pfennig, A. A1 - Bettge, Dirk T1 - Entwicklung eines automatisierten 3D-Metallographie-Systems und erste Beispiele für die Anwendung in der Gefüge-Analyse T1 - Development of an automated 3D metallography system and some first application examples in microstructural analysis N2 - Die klassische Metallographie basiert auf Abbildungen einzelner Schliffebenen und kann auf räumliche Formen und Anordnungen des Gefüges nur bedingt schließen. Die Idee, aus metallographischen Serienschliffen dreidimensionale Gefügestrukturen zu rekonstruieren, ist daher naheliegend und nicht neu. Allerdings ist der Aufwand, in Handarbeit viele Einzel-Schliffe zu präparieren und zu Bildstapeln zusammenzusetzen, sehr hoch und steht einer häufigen Anwendung entgegen. Deshalb wird an der BAM ein Roboter-gestütztes 3D-Metallographie-System entwickelt, das an einer Schliffprobe die Schritte Präparation und Bildeinzug vollautomatisch mit vielen Wiederholungen ausführt. Die Präparation umfasst Schleifen, Polieren und optional Ätzen der Schlifffläche, der Bildeinzug autofokussierte lichtmikroskopische Aufnahmen bei mehreren Vergrößerungsstufen. Der erhaltene Bildstapel wird anschließend vorverarbeitet, segmentiert und in ein 3D-Modell umgesetzt, das einer mikrotomographischen Aufnahme ähnelt, allerdings mit besserer lateraler Auflösung bei großem Volumen. Im Gegensatz zu tomographischen Verfahren besteht die Möglichkeit der Kontrastierung durch klassische chemische Ätzung. Die Integration eines REMs ist geplant. Bislang durchgeführte Arbeiten verdeutlichen die Möglichkeiten der Darstellung von Heißgas-Korrosionsschichten, Grauguss-Werkstoffen und Keramik-basierten mikroelektronischen Strukturen (Vias). N2 - Traditional metallography relies on the imaging of individual section planes. However, conclusions as to spatial shapes and microstructural arrangements can only be drawn to a limited extent. The idea to reconstruct three-dimensional microstructures from metallographic serial sections is therefore obvious and not at all new. However, the manual process of preparing a great number of individual sections and assembling them into image stacks is time-consuming and laborious and therefore constitutes an obstacle to frequent use. This is why the Federal Institute for Materials Research and Testing, or BAM for short (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung), is developing a robot-assisted 3D metallography system performing the tasks of preparation and image acquisition on a metallographic section fully automatically and repeatedly. Preparation includes grinding, polishing and optional etching of the section surface. Image acquisition is performed using a light optical microscope with autofocus at several magnification levels. The obtained image stack is then pre-processed, segmented and converted to a 3D model resembling a microtomographic image, but with a higher lateral resolution when large volumes are sampled. As opposed to tomographic techniques, it is possible to perform traditional chemical etching for contrasting. The integration of a SEM is in the planning stages. Studies conducted so far have demonstrated the possibility of visualizing hot gas corrosion layers, grey cast irons and ceramic-based microelectronic structures (vias). KW - 3D-Metallographie KW - Gefügeanalyse KW - Serienschnitte KW - Gefügerekonstruktion KW - 3D metallography KW - Microstructure analysis KW - Serial sectioning KW - Microstrucure reconstruction PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1515/pm-2023-0057 SN - 0032-678X VL - 60 IS - 10 SP - 676 EP - 691 PB - De Gruyter CY - Berlin/Boston AN - OPUS4-58593 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Lemiasheuski, Anton A1 - Kranzmann, Axel A1 - Pfennig, Anja T1 - Herausforderungen und Möglichkeiten des manuellen metallografischen Serienschnittverfahrens anhand einer quantitativen Gefügeanalyse der Grafite eines Gusseisens T1 - Challenges and possibilities of the manual metallographic serial sectioning process using the example of a quantitative microstructural analysis of graphite in cast iron N2 - Die in dieser Studie vorgestellte 3D-Gefüge-Analyse konzentriert sich auf die Kugelgrafite eines Gusseisens des Typs EN-GJS. Es werden die Form anhand des Formfaktors und des Seitenverhältnisses sowie die durchschnittliche Teilchengröße und -verteilung untersucht. Die Form der Grafite in Gusseisenwerkstoffen ist mitentscheidend für die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen und ist bei der Charakterisierung des Werkstoffs unumgänglich. Mittels Metallografischen Serienschnittverfahrens wird von dem Schicht für Schicht abgetragenen und lichtmikroskopisch schichtweise dargestellten Werkstoff ein digitaler Zwilling erstellt. Von diesem dreidimensionalen Zwilling lassen sich beliebige Ebenen digital projizieren und analysieren. Eine konventionelle quantitative 3D-Analyse untersucht die Voxelmenge und -zusammensetzung eines Körpers im 3D-Raum. Die hier vorgestellte Analyse wendet stereologische 2D-Analyseverfahren auf drei Raumebenen des Werkstoffs an. Dabei sind zwei der Ebenen digitale Projektionen des Zwillings. Die zwei rekonstruierten Ebenen des Werkstoffs sind so gewählt, dass die Richtungsvektoren aller drei Ebenen einen 90°-Winkel zueinander bilden. Diese Methodik wird eingehend beschrieben sowie Herausforderungen und Möglichkeiten des hier vorgestellten Serienschnittverfahrens diskutiert. N2 - The 3D microstructure analysis presented in this study focuses on the nodular graphite of an EN-GJS grade cast iron. The shape is analyzed based on shape factor and aspect ratio as well as average particle size and distribution. The shape of graphites in cast iron materials is critical to the mechanical properties of these alloys and is essential for the characterization of the material. Metallographic serial sectioning creates a digital twin of the material, which is removed layer by layer and visualized layer by layer under an optical microscope. From this three-dimensional twin, any number of planes can be digitally projected and analyzed. Conventional quantitative 3D analysis examines the voxel count and composition of a body in 3D space. The analysis presented here applies stereological 2D analysis methods to three spatial planes of the material. Two of the planes are digital projections of the twin. The two reconstructed planes of the material are chosen so that the direction vectors of all three planes form an angle of 90° to each other. The methodology is described in detail and the challenges and opportunities of the serial section method presented here are discussed. KW - Dreidimensionale Gefügeanalyse KW - Three-dimensional microstructure analysis KW - 3D-Metallografie KW - Serienschnittverfahren KW - Gefügerekonstruktion KW - Quantitative Gefügeanalyse KW - 3D metallography KW - Serial sectioning KW - Microstructure reconstruction KW - Quantitative microstructure analysis PY - 2024 DO - https://doi.org/10.1515/pm-2024-0066 SN - 0032-678X VL - 61 IS - 9-10 SP - 746 EP - 768 PB - De Gruyter CY - Berlin/Boston AN - OPUS4-60976 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Lemiasheuski, Anton A1 - Wehrkamp, F. A1 - Bajer, Evgenia A1 - Sonnenburg, Elke A1 - Göbel, Artur A1 - Porohovoj, Ilja A1 - Bettge, Dirk A1 - Pfennig, Anja T1 - Practical application of an automated 3D metallography system for the reconstruction and microstructural analysis of porosity in a sintered steel N2 - In the 3D microstructural analysis of a digital twin of porosity in the sintered steel Astaloy CrA, pore shape, average pore size as well as pore distribution will be analyzed. Porosity plays a major role in powder-metallurgical materials since it greatly impacts the mechanical properties of these materials and therefore represents a key parameter in their characterization. Based on the robot-assisted automated serial sectioning and imaging (RASI) system of the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM, Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung) in Berlin, the technique of metallographic serial sectioning will be used to image the microstructure and reconstruct a digital 3D twin from the stack of images obtained. Compared with an individual 2D microsection, the quantitative microstructural analysis of this 3D twin will enable more accurate conclusions on the shape, size and distribution of pores. This paper will detail the key steps in 3D microstructural analysis, including the metallographic preparation routine, the imaging technique, image alignment as well as the segmentation of pores. After the methodology has been described, the results of the quantitative microstructural analysis will be presented and the validity of quantitative parameters of 3D and 2D images will be compared and discussed. The analysis of more than 10,000 pores revealed a correlation between pore shape and pore size. It was also found that a 2D representation of the material surface is insufficient for a precise quantitative characterization of porosity. N2 - In der 3D-Gefügeanalyse eines digitalen Zwillings von Poren in einem Sinterstahl des Typs Astaloy CrA werden sowohl die Porenform als auch die durchschnittliche Porengröße und -verteilung analysiert. Die Porosität spielt in pulvermetallurgischen Werkstoffen eine große Rolle, da sie erheblich die mechanischen Eigenschaften beeinflusst und daher bei der Charakterisierung dieser Werkstoffe ein wichtiger Parameter ist. Basierend auf der Verwendung des Robot-Assisted Automated Serial-Sectioning and Imaging (RASI)-Systems der Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung (BAM) in Berlin, wird das metallographische Serienschnittverfahren genutzt, um das Gefüge aufzunehmen und aus dem Bildstapel einen digitalen 3D-Zwilling zu rekonstruieren. Verglichen zu einem 2D-Einzelschliff ermöglicht die quantitative Gefügeanalyse dieses 3D-Zwillings präzisere Aussagen zu Porenform, -größe und -verteilung. Diese Arbeit beschreibt die wesentlichen Schritte, die für eine 3D-Gefügeanalyse nötig sind, darunter die metallografische Präparationsroutine, das Bildgebungs-Verfahren, das Alignment der Bilder sowie die Segmentierung der Poren. Im Anschluss an die methodische Darstellung werden die Ergebnisse der quantitativen Gefügeanalyse präsentiert und ein Vergleich zwischen der Aussagekraft der quantitativen Parameter von 3D- und 2D-Abbildungen diskutiert. Bei der Analyse von über 10.000 Poren konnte eine Korrelation zwischen der Form und der Porengröße aufgezeigt werden. Weiterhin konnte aufgezeigt werden, dass eine 2D-Abbildung der Werkstoffoberfläche nicht ausreichend für eine eindeutige quantitative Beschreibung der Porosität ist. KW - 3D Metallographie KW - RASI KW - Porenstruktur PY - 2025 DO - https://doi.org/10.1515/pm-2025-0049 SN - 2195-8599 VL - 62 IS - 8 SP - 516 EP - 535 PB - De Gruyter Brill AN - OPUS4-63930 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Moschetti, Michael A1 - Lemiasheuski, Anton A1 - Bajer, Evgenia A1 - Porohovoj, Ilja A1 - Göbel, Artur A1 - Pfennig, Anja A1 - Bettge, Dirk A1 - Maaß, Robert T1 - Robot-Assisted Automated Serial-Sectioning and Imaging for 3D Microstructural Investigations N2 - Comprehensive materials characterization requires precise structural knowledge beyond traditional methods. The robot-assisted automated serial-sectioning and imaging (RASI) platform, developed at BAM, provides automated 3D metallographic reconstructions, enabling detailed microstructural analysis of technical materials. This article showcases RASI’s capabilities through several case studies, including characterization of lamellar graphite in gray cast iron, porosity in sintered steel, melt pool morphology in additively manufactured 316L stainless steel, defects in metal-ceramic packages, and oxidation behavior in an Fe-12Cr-2Co alloy. By automating sample handling, mechanical serial-sectioning, etching, and optical imaging, RASI captures complex 3D microstructures with high precision and at high speed. This approach reveals microstructural features missed by 2D analysis, even using stereological assumptions. Specifically, statistically rare and large microstructural features, such as secondary phases or interconnected pores, become apparent, which 2D methods cannot reveal. The generated volumetric data can furthermore serve as quantitative reference datasets (i.e., the ‘ground truth’) essential for validating other 3D characterization techniques and computational models, helping to bridge the gap between predictive simulations and real-world material behavior. RASI’s modular design makes it a flexible tool that provides realistic 3D insights into materials, which can be used for advanced materials research, process optimization, and quality control. KW - 3D metallography KW - Automated microstructure characterization KW - Image segmentation KW - Mechanical polishing based serial-sectioning KW - Process-microstructure-property relationships KW - Quantitative microstructure PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-649614 DO - https://doi.org/10.1002/adem.202502202 SN - 1527-2648 VL - 28 IS - 2 SP - 1 EP - 14 PB - Wiley-VCH GmbH AN - OPUS4-64961 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -