Kasseler Forschung zu Materialermüdung soll katastrophale Schadensfälle vermeiden helfen

Wird Metall durch ständige Bewegung stark belastet, verändert sich seine Oberfläche. Sie wird erst rau, später bilden sich Risse und schließlich bricht das Material auseinander. Materialermüdung ist zum Beispiel für den Bahnverkehr eine Gefahr: So war das ICE-Unglück von Eschede, bei dem 1998 über 100 Menschen starben, Folge eines Risses in einem metallenen Radreifen.

Prof. Dr. Angelika Brückner-Foit, Leiterin des Fachgebiets Qualität und Zuverlässigkeit am Institut für Werkstofftechnik, und Prof. Dr. Peter Lehmann, Leiter des Fachgebiets Messtechnik im Fachbereich Elektrotechnik/Informatik, wollen Materialschäden frühzeitig erkennen, bevor sich Risse bilden. In ihrem Projekt „3D-Analyse von Oberflächenschädigungen in metallischen Werkstoffen unter Ermüdungsbelastung“ entwickeln sie seit November 2012 dazu ein neues Verfahren.

Das Projekt ist interdisziplinär angelegt und vereint die Kompetenzen der Fachbereiche Elektrotechnik/Informatik und Maschinenbau. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Vorhaben mit rund 350.000 Euro zunächst für zwei Jahre. Die Erkenntnisse sollen der Industrie helfen, Schäden in Bauteilen frühzeitig zu erkennen oder gar zu vermeiden.

Prof. Lehmann entwickelt in der ersten Projektphase ein optisches Messgerät, das Mikroveränderungen von Metalloberflächen dreidimensional anzeigt. Durch die 3D-Technik wird die Oberfläche als dreidimensionales Gebirge sichtbar. Schädigungen lassen sich somit besser und früher, nämlich schon im Stadium der Rauigkeit erkennen. Der Demonstrator für das neue Messgerät wird im Projekt aufgebaut und erprobt. Prof. Brückner-Foit beurteilt aus den Informationen der dreidimensionalen Oberflächenanalyse, ob bereits eine Schädigung besteht und ob diese eine Gefährdung des Bauteils darstellt.

Die Wissenschaftler simulieren die Belastungen, die z.B. auf die Räder von Eisenbahnzügen wirken oder auf Stahlbauteile von Brücken, die am Tag von Tausenden von Autos überquert werden, im Labormaßstab mit Proben. Diese werden in einer servohydraulischen Prüfmaschine Belastungszyklen ausgesetzt. Das 3D-Mikroskop wird im Versuchsaufbau integriert und ist so ebenfalls Schwingungen ausgesetzt. Trotzdem soll es Veränderungen an der Oberfläche im Nanometerbereich anzeigen.

Im Projekt soll eine Methode entwickelt werden, die mit einem integrierten Mess-System störende Schwingungen, die bei Bewegungen in der Umgebung entstehen, erfasst und ausgleicht. Somit ist das Mikroskop auch für die Nutzung außerhalb schwingungsisolierter optischer Labore geeignet. Mittelfristig soll erreicht werden, dass ein derartiges System auch bei Routineprüfungen, wie sie z.B. an Eisenbahnrädern oder Flugzeugen vorgenommen werden, eingesetzt werden kann. Das würde die Sicherheit der Bauteile erhöhen und gleichzeitig die Instandhaltungskosten senken.

Info
Prof. Dr. Angelika Brückner-Foit
Universität Kassel
Institut für Werkstofftechnik, Fachgebiet Qualität und Zuverlässigkeit
Tel.: +49 561 804-3680
E-Mail: a.brueckner-foit@uni-kassel.de
Prof. Dr. Peter Lehmann
Universität Kassel
Fachbereich Elektrotechnik/Informatik, Fachgebiet Messtechnik
Tel.: +49 561 804-6313
E-Mail: p.lehmann@uni-kassel.de