Makroskopische Anrissüberwachung in Bauteilen
Häufig sind an Bauteilen konstruktionsbedingte Kerben vorhanden. Unter Betriebsbelastung können sich an diesen Stellen Risse entwickeln, die die Zuverlässigkeit und Sicherheit beeinflussen. Wachsen Anrisse plötzlich mit einer hohen Geschwindigkeit, versagen technische Produkte schlagartig – höchst unerwünscht, insbesondere bei sicherheitsrelevanten Bauteilen. 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. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF hat daher eine neue Methode entwickelt, um bei Schwingfestigkeitsversuchen das Anriss- und Risswachstumsverhalten von Probenkörpern und Bauteilen aus metallischen und polymeren Werkstoffen zu bestimmen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse lassen sich zur zuverlässigen Auslegung von Bauteilen und Identifikation der Schädigungsmechanismen verwenden. Dies eröffnet die Möglichkeit, Leichtbau- und Werkstoffpotenziale besser auszunutzen.
Schwingungen allgemein und Schwingfestigkeitsversuche im Besonderen sind ein Tätigkeits- und Forschungsschwerpunkt im Fraunhofer-LBF. Um das Leistungsangebot bei Schwingfestigkeitsuntersuchungen zu erweitern, haben die Wissenschaftler eine neue Methode zur Ermittlung der Rissausbreitung während der schwingenden Beanspruchung in Bauteilen und Proben entwickelt. Diese kann mit wenig Mehraufwand bei typischen Schwingfestigkeitsversuchen appliziert werden. Mit dieser Methode können die Wissenschaftler schnell identifizieren, bei welcher Schwingspielzahl ein makroskopischer Anriss auftritt und wie schnell das Risswachstum voranschreitet. Darüber lassen sich an komplexen Bauteilen verlässliche Aussagen über den Ort der Schadeninitiierung und die Schädigungsmechanismen ermitteln, die anschließend in einer Schwingfestigkeitsbewertung berücksichtigt werden können.
Die Anwendungsgebiete der Methode sind vielfältig. Sie wurde bis jetzt erfolgreich an kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten sowie Schweiß- und Lötverbindungen angewandt. Insbesondere an Faserverbunden ist das Versagensverhalten komplex, aber für die Bauteilbewertung von hoher Bedeutung. Dort kann die Methode zur Untersuchung von Delaminationsvorgängen verwendet werden. 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 film-ähnlich wiedergibt. Den Versuchsaufbau hat das Fraunhofer-LBF so gestaltet, dass die Anrissüberwachung vollautomatisch online vonstattengeht.
Neuartig für Kunststoffe ist, dass die Darmstädter Forscher mit Hilfe von Bildverarbeitungsprogrammen die aufgetretenen Risslängen in Abhängigkeit der Schwingspiele ermitteln konnten. Daraus konnten die Risswachstumsgeschwindigkeit und die Spannungsintensität ermittelt werden, die anzeigen, ab wann vorhandene Risse kritisch anwachsen. Bei der Verwendung dieser Kennwerte in einer industriellen Anwendung lassen sich Wartungsintervalle besser steuern (Maintenance-on-demand) und die Restlebensdauer exakter bestimmen. Auch an Bauteilen mit komplexem Versagensverhalten konnte das System durch die Überwachung der hochbelasteten Bereiche den Ort der Rissinitiierung und das Risswachstum bestimmen.
Fazit der LBF-Wissenschaftler: Die Anrissüberwachung bei Betriebsfestigkeitsversuchen ermöglicht es, das Versagensverhalten genau zu detektieren. Damit ist es möglich, mit nur geringem Mehraufwand einen signifikanten Mehrwert zu generieren, mit dem letztendlich die Bauteilsicherheit und die Zuverlässigkeit erhöht werden können. 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.
Über das Fraunhofer-LBF
Das Fraunhofer-LBF entwickelt, bewertet und realisiert im Kundenauftrag maßgeschneiderte Lösungen für maschinenbauliche Komponenten und Systeme, vor allem für sicherheitsrelevante Bauteile und Systeme. Dies geschieht in den Leistungsfeldern Schwingungstechnik, Leichtbau, Zuverlässigkeit und Polymertechnik. Neben der Bewertung und optimierten Auslegung passiver mechanischer Strukturen werden aktive, mechatronisch-adaptronische Funktionseinheiten entwickelt und prototypisch umgesetzt. Parallel werden entsprechende numerische sowie experimentelle Methoden und Prüftechniken vorausschauend weiterentwickelt. Die Auftraggeber kommen aus dem Automobil- und Nutzfahrzeugbau, der Schienenverkehrstechnik, dem Schiffbau, der Luftfahrt, dem Maschinen- und Anlagenbau, der Energietechnik, der Elektrotechnik, dem Bauwesen, der Medizintechnik, der chemischen Industrie und weiteren Branchen.
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Rissausbreitung an einer gekerbten Probe aus kurzglasfaserverstärktem Polyamid, längsorientiert, Bruchschwingspielzahl NB=2.200.000Foto: Fraunhofer-LBF
