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Betriebsfestigkeit Anrissverhalten in Bauteilen überwachen

| Redakteur: Beate Christmann

Kerben in Bauteilen können sich unbemerkt zu sicherheitsrelevanten Rissen entwickeln. Fraunhofer-Forscher wollen eine Methode entwickelt haben, mit der sie das Anriss- und Risswachstumsverhalten von Probenkörpern und Bauteilen aus metallischen und polymeren Werkstoff bestimmen können. Damit ließen sich Bauteile zuverlässiger auslegen sowie Schädigungsmechanismen identifizieren.

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Rissausbreitung an einer gekerbten Probe aus kurzglasfaserverstärktem Polyamid, längsorientiert, Bruchschwingspielzahl NB=2.200.000.
Rissausbreitung an einer gekerbten Probe aus kurzglasfaserverstärktem Polyamid, längsorientiert, Bruchschwingspielzahl NB=2.200.000.
(Bild: Fraunhofer-LBF)

Überall dort, wo sich Maschinen bewegen, können Schwingungen und Vibrationen entstehen. Eine große Belastung für die Bauteile. Abgesehen von einem erhöhten Wartungsbedarf, können solche Schwingungen die Zuverlässigkeit sowie die Sicherheit von Industriegeräten beeinflussen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich an Bauteilen konstruktionsbedingte Kerben befinden. Unter Betriebsbelastung können sich an diesen Stellen zunächst unbemerkt Risse entwickeln. Wachsen Anrisse plötzlich mit einer hohen Geschwindigkeit, versagen technische Produkte schlagartig.

Es ist also erstrebenswert, Anrisse frühzeitig zu detektieren und überwachen zu können. Allerdings sind materialspezifische Kennwerte meist nicht vorhanden, um das Anriss- und Risswachstumsverhalten von Bauteilen und Werkstoffen zu charakterisieren.

Nur wenig Mehraufwand

Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF will nun aber eine neue Methode entwickelt haben, um bei Schwingfestigkeitsversuchen das Anriss- und Risswachstumsverhalten von Probenkörpern und Bauteilen aus metallischen und polymeren Werkstoffen zu bestimmen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse lassen sich nach Meinung der Forscher zur zuverlässigen Auslegung von Bauteilen und Identifikation der Schädigungsmechanismen verwenden. Dies würde die Möglichkeit eröffnen, Leichtbau- und Werkstoffpotenziale besser auszunutzen.

Die neue Methode soll mit ein wenig Mehraufwand bei typischen Schwingfestigkeitsversuchen appliziert werden können. Wissenschaftler könnten damit schnell identifizieren, bei welcher Schwingspielzahl ein makroskopischer Anriss auftritt und wie schnell das Risswachstum voranschreitet. Darüber ließen sich an komplexen Bauteilen verlässliche Aussagen über den Ort der Schadeninitiierung und die Schädigungsmechanismen ermitteln, die anschließend in einer Schwingfestigkeitsbewertung berücksichtigt werden können.

Vielfältige Anwendungsgebiete

Die Anwendungsgebiete der Methode sind nach Vorstellung ihrer Entwickler vielfältig. So sei sie bis jetzt erfolgreich an kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten sowie Schweiß- und Lötverbindungen angewandt worden. Insbesondere an Faserverbunden ist das Versagensverhalten komplex, aber für die Bauteilbewertung von hoher Wichtigkeit. Dort soll die Methode zur Untersuchung von Delaminationsvorgängen verwendet werden können.

Während der zyklischen Prüfung stoppten die Forscher die Schwingfestigkeitsversuche nach einer bestimmten Anzahl von Lastwechseln und fotografierten den augenblicklichen Zustand der Probe mit einer hochauflösenden Kamera unter optimierter Ausleuchtung. Auf diese Weise konnten sie den betroffenen Bereich detailliert überwachen. Die zahlreichen, aufeinander folgenden Aufnahmen ließen sich zu einer Bildreihe zusammensetzen, die den Verlauf der Rissentwicklung filmähnlich wiedergibt. Den Versuchsaufbau hat das Fraunhofer-LBF so gestaltet, dass die Anrissüberwachung vollautomatisch online von statten geht.

Risslängen mit Bildverarbeitungsprogrammen ermittelt

Neuartig für Kunststoffe ist, dass die Darmstädter Forscher mit Hilfe von Bildverarbeitungsprogrammen die aufgetretenen Risslängen in Abhängigkeit der Schwingspiele ermitteln haben wollen. Daraus sollen sich Risswachstumsgeschwindigkeit und die Spannungsintensität ergeben haben. Bei der Verwendung dieser Kennwerte in einer industriellen Anwendung ließen sich Wartungsintervalle besser steuern (Maintenance-on-demand) und die Restlebensdauer exakter bestimmen. Auch an Bauteilen mit komplexem Versagensverhalten soll das System durch die Überwachung der hochbelasteten Bereiche den Ort der Rissinitiierung und das Risswachstum bestimmen können.

Fazit der LBF-Wissenschaftler: Die Anrissüberwachung bei Betriebsfestigkeitsversuchen ermöglicht es, das Versagensverhalten genau zu detektieren. Damit sei es möglich, mit nur geringem Mehraufwand einen signifikanten Mehrwert zu generieren, mit dem letztendlich die Bauteilsicherheit und die Zuverlässigkeit erhöht werden kann. So konnten sie herausfinden, dass bei gekerbten Proben aus kurzglasfaserverstärktem Thermoplast die Anrissschwingspielzahl bei rund der halben Bruchschwingspielzahl liegt. Gleichzeitig kann bei der Berücksichtigung des Anrissverhaltens bei der Bauteilauslegung das Leichtbaupotenzial der Werkstoffe besser ausgenutzt werden.

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