Werkstoffprüfung Zerstörungsfreies Prüfen unter realistischer Last

Fraunhofer-Forscher berichten, Bauteile unter Last und zerstörungsfrei analysieren zu können. Dazu führen sie eine Prüfung in einem Computertomografen durch, um Erkenntnisse zu Materialverhalten und -charakterisierung zu gewinnen.

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Bisher hat sich die Materialwissenschaft schwer damit getan, eine Methode zu entwickeln, mit der sie Bauteile unter realistischen Lasten und gleichzeitig zerstörungsfrei untersuchen kann. Dabei wäre solch eine Prüfung insbesondere für die Materialentwicklung und -herstellung für die Industrie, im Speziellen für den Leichtbau, von großer Bedeutung: Ließen sich doch wichtige Erkenntnisse zur Charakterisierung von Materialien und zur Beurteilung von Einschlüssen oder Schädigungen im Werkstoff im Hinblick auf deren Einfluss auf die Festigkeit und die Lebensdauer gewinnen.

Materialverhalten besser verstehen

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF sollen nun erstmals in der Lage sein, eine mechanische Prüfung eines Bauteils unter realistischen Belastungen mit einer radiologischen Durchstrahlungsprüfung zu kombinieren. Damit wäre es möglich, grundlegende Informationen zum besseren Verständnis von Materialverhalten und -charakterisierung zu gewinnen. „Bei der neuen Prüfmethode verbleibt das Bauteil während der mechanisch-dynamischen Lebensdauerbelastung in der Röntgenanlage – dadurch kann der exakte Ort im Material während der gesamten Belastungsdauer beobachtet und analysiert werden“, bringt Oliver Schwarzhaupt, wissenschaftlicher Mitarbeiter Funktionsintegrierter Leichtbau am Fraunhofer-LBF, die Neuerung auf den Punkt. Er erklärt, dass die Problematik bei bisherigen Prüfkonzepten im Ein- und Ausbau mit zwischenzeitlicher Durchstrahlungsprüfung der Proben lag. Damit sei es nie möglich gewesen, die notwendige Genauigkeit von wenigen Mikrometern zu erreichen. Das sei nun anders, ist sich Schwarzhaupt sicher: „Das neue Verfahren stellt einen großen Fortschritt in puncto Detailauflösung und Genauigkeit sowie der Wiederauffindbarkeit von möglichen Schadensursprüngen dar.“

Schäden dreidimensional darstellen

Bereits während der Prüfung können die Darmstädter Wissenschaftler demnach das Entstehen und das Fortschreiten einer Schädigung im Bauteil beobachten. Mit modernsten bildgebenden Verfahren sollen sich dann Risse und Schäden im Material plastisch und dreidimensional darstellen lassen und sich folglich viele Möglichkeiten der Analyse eröffnen. Durch die Verwendung einer Mikrofokussionsröhre besitzt die Röntgenanlage im Fraunhofer-LBF ein hohes Auflösungsvermögen von wenigen Mikrometern. So soll es möglich werden, feinste Schäden schon von Beginn der Entstehung an zu erkennen oder kleinste Unregelmäßigkeiten im Material als Ort der Schadensentstehung nachzuweisen. Und bei Prüfkräften von bis zu 250 kN sollen sich auch hochfeste Bauteile aus Kohlenstofffaser, wie sie insbesondere im Flugzeugbau verwendet werden, untersuchen lassen. „Im Verständnis über die Versagensmechanismen bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen gibt es noch viel Untersuchungsbedarf“, räumt Schwarzhaupt ein.

Mit diesem Wissen über die Fehlerursache und Fehlersequenz sollen Entwickler, Konstrukteure und Hersteller nach Vorstellung der Fraunhofer-Forscher ihre Materialien, Komponenten und Herstellungsverfahren verbessern können, noch bevor beispielsweise ein Anriss makroskopisch sichtbar wird.

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