Fraunhofer IWM und IPM Thermisch und mechanisch hoch belastete Werkstoffe schnell vermessen

Redakteur: Udo Schnell

Werkstoffe für Leichtbau und Hochtemperaturanwendungen müssen vor ihrer Verwendung zunächst qualifiziert werden. Die dafür notwendigen Ermüdungsversuche können mit einem neu entwickelten optischen Dehnungsmesssystem nun mit deutlich schnelleren Prüffrequenzen durchgeführt werden, ohne dass es zu einer ungewollten Beschädigung der Prüfkörper kommt.

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Zyklischer Ermüdungsversuch bei 1000 °C mit taktilem und optischem Dehnungssensor.
Zyklischer Ermüdungsversuch bei 1000 °C mit taktilem und optischem Dehnungssensor.
(Bild: Fraunhofer IWM und IPM)

Materialprüfung – us. Forschern des Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM und des Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM ist es in einem gemeinsamen Projekt gelungen, die Messgeschwindigkeit für die berührungsfreie Dehnungsmessung im Rahmen von Ermüdungsversuchen um den Faktor zehn zu steigern. Die Dehnungsmessstreifen können etwa beim Vermessen von Hochleistungswerkstoffen eingesetzt werden, weil sie die hohen Ansprüche an die Messgeschwindigkeit bei Ermüdungsversuchen erfüllen. Das von den Fraunhofer-Instituten IWM und IPM entwickelte vielseitige Verfahren vereint den Angaben zufolge die Vorteile bisheriger optischer und mechanischer Messverfahren. Es wird vom 27. bis 29. Juni 2017 auf der »8th International Conference on Low Cycle Fatigue LCF8« in Dresden präsentiert.

Wie das Fraunhofer IWM ausführt, verbessern Hochleistungswerkstoffe die Funktion und erweitern den Einsatzbereich von Maschinen und Anlagen, beispielsweise im Leichtbau und in Hochtemperaturanwendungen der Automobilindustrie, in Kraftwerksanlagen oder in Flugzeugtriebwerken. Komponenten auf Basis von Hochleistungswerkstoffen müssen jedoch jeweils qualifiziert werden, um die Belastbarkeit und Sicherheit des späteren Produkts zu gewährleisten. Im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften und das Lebensdauerverhalten geschieht dies zum Beispiel mit hochfrequenten Ermüdungsversuchen unter zyklischer, wiederkehrender Belastung. Doch diese Messungen stellen hohe Ansprüche an die Messgeschwindigkeit der eingesetzten Dehnungsmesssysteme, so das IWM weiter.

Optische Dehnungsmesssysteme funktionieren berührungslos und beeinflussen somit die Probe nicht. Dieser Vorteil gilt, so das IWM, bereits für heute übliche optische Systeme. Ihr großer Nachteil sei jedoch bisher die langsame Bildverarbeitungsgeschwindigkeit, welche die Mess- und somit auch Regelungsfrequenz begrenze. Solch hohe Messraten seien eine Grundvoraussetzung für die optische Dehnungsregelung, an der die Wissenschaftler beider Institute aktuell mit Hochdruck arbeiten.

Hohe Regelungs- und Messfrequenzen wurden bei Ermüdungsversuchen bisher nur mit taktilen Extensometern erreicht: Der dabei notwendige Anpressdruck der Extensometerstäbe kann, insbesondere bei Versuchsbedingungen, die im Bereich der Werkstoffbelastungsgrenze liegen, zu einer ungewollten Schädigung der Probe und somit Verfälschung der Messergebnisse führen. Das neue optische Messsystem nutzt den Angaben zufolge schnelle, moderne Bildverarbeitungstechniken erstmals dazu, die Vorteile taktiler und optischer Extensometer zu kombinieren: Schnelle, hochauflösende Kameras erfassen auch auf polierten Proben zuverlässig Oberflächenstrukturen und nutzen diese als natürliche Marker bei der Bildverarbeitung. Dadurch entfällt laut IWM die aufwändige Probenpräparation zur Aufbringung von künstlichen Markern.

Aufgrund einer parallelisierten Bildauswertung auf Grafikkarten lässt sich die Dehnung aktuell bereits berührungslos mit mehr als 1000 Hz messen – zuvor waren bei optischen Systemen nur Messraten bis 100 Hz möglich. Die Messgenauigkeit des neuen Fraunhofer-Dehnungsmesssystems entspreche der Klasse 0,5 nach DIN ISO 9513. Die Größe des Bildfeldes könne an die Prüfaufgabe angepasst werden, sodass die Echtzeit-Auswertung zukünftig auch dehnungsgeregelte Versuche im Mikro- und Makrobereich erlaubt.

Das optische Messsystem biete zukünftig auch die Möglichkeit von weiteren bildverarbeitenden Analysen. So könnte beispielsweise die Schädigungsentwicklung in Echtzeit oder im Nachgang analysiert werden. So erhalten Projektpartner exaktere Messdaten für noch genauere Vorhersagen der Bauteillebensdauer.

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