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Die rasante Werkstoff-Entwicklung fordert gänzlich neue Prüfverfahren

Materialprüfung: Digitaltechnik und Windows-Software bestimmen das Bild in den Labors
Die rasante Werkstoff-Entwicklung fordert gänzlich neue Prüfverfahren

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Die brutale „Zerreißmaschine“ – vielen noch ein Inbegriff von Materialprüfung – ist Vergangenheit. In den Labors von heute stehen Universalprüfmaschinen, ausgerüstet mit Windows-Software und modernster Digitaltechnik, die Erkenntnisse über Materialeigenschaften ermitteln, ohne bis zum Probenbruch fahren zu müssen.

Manfred Dripke ist Fachjournalist in Rottenacker

Bereits während der Konstruktion und in der Fertigung besteht die Forderung, den Material- und Energieverbrauch so niedrig wie möglich zu halten. Für den Einsatz eines Produkts sind möglichst geringe Abmessungen und minimales Gewicht gefragt. Gleichzeitig steigen die Ansprüche hinsichtlich Festigkeit und Lebensdauer. Zudem müssen die Bauteile weitgehend korrosionsfest und resistent gegen zahlreiche Umwelteinflüsse sein. Und schließlich hat die Recyclingfähigkeit an Bedeutung gewonnen, um wertvolle Altstoffe wieder in den Herstellungskreislauf zurückzuführen.
Diese Forderungen führen zu Teilen und Komponenten aus neuartigen Werkstoffen, die mit modernen Technologien hergestellt werden. Zu den bereits realisierten Anwendungen zählen beispielsweise
– Fahrwerksteile aus Aluminium-Druckguß in Vakuum-Gießtechnik,
– Aluminium-Zylinderlaufbuchsen in intermetallischer Verbindung von Aluminium und Grauguß (oder pulvermetallurgisch hergestellt),
– Fahrzeug- und Flugzeugteile aus Integralschaumstoffen mit sandwichartiger Struktur und hoher mechanischer Festigkeit,
– Propeller und Flügel aus hochfesten kohlefaserverstärkten Werkstoffen,
– Ventile für Verbrennungsmotoren aus mechanisch, thermisch, elektrisch und chemisch hoch beanspruchbaren keramischen Werkstoffen.
Mit der rasanten Entwicklung der Werkstoffe haben sich auch die Ansprüche an die Werkstoffprüfung grundsätzlich geändert. Das vergleichende Beurteilen allein hilft in diesem Zusammenhang nicht mehr weiter. Auch die brutale „Zerreißmaschine“ – vielen Anwendern noch ein Inbegriff von zerstörender Materialprüfung – gehört der Vergangenheit an.
Bei der mechanischen Werkstoffprüfung von heute muß es nicht mehr knallen und krachen, sie ist vielmehr eine Kombination von Messen und Prüfen. Diese Vorgänge werden von der Prüfmaschine in drei Schritten durchgeführt:
– Mechanisches Beanspruchen durch Ziehen, Drücken, Biegen und Verdrehen,
– Messen des Probenverhaltens während der gesamten Beanspruchungszeit und schließlich
– Auswerten der Meßwerte und Darstellen der Ergebnisse in anwendungsgerechter, übersichtlicher Form.
Die Anwender fordern ein einfaches Handling der Prüfsysteme
In diesem Zusammenhang sind heute zunehmend Informationen gefragt, die weit über die klassischen Kennwerte hinausgehen. Es sollen nicht nur werkstoffbezogene Angaben, sondern auch anwendungsbezogene Aussagen möglich sein: Wie verhält sich das Material in einem realen Beanspruchungsspektrum? Wie läßt es sich bearbeiten? Dies sind die Fragen, die dem Werstoffprüfer unter den Nägeln brennen. Am Beispiel von menschlichen Ersatzteilen bedeutet das zum Beispiel, daß diverse Belastungen mit geeigneten Prüfanlagen simuliert werden müssen, um die Funktionsfähigkeit von Implantaten zu gewährleisten. „Besonders hervorzuheben ist eine entsprechende Einspannung“, so Dr. Erhard Bauerfeind, stellvertretender Geschäftsführer bei der MTS Systems GmbH in Berlin, „mit der sich Wirbelsäulenfixationen auf ihre mechanischen Eigenschaften hin überprüfen lassen. Schnelle Regelung, zusammen mit einer leistungsfähigen Mechanik, erlaubt es Forschern und Herstellern, Wirbelsäulen und ihre Modelle in Echtzeit und mit großen Winkeln praxisnah zu beaufschlagen.“
Früher stand die Beanspruchung und damit die ausführende Mechanik im Vordergrund. Die Möglichkeiten des Messens und Auswertens wurden durch den Menschen bestimmt und gleichzeitig durch seine eingeschränkte Reaktionsfähigkeit begrenzt. Die analoge Meß- und Leistungselektronik der siebziger Jahre brachte zwar deutliche Verbesserungen, teilte dem Bediener jedoch zusätzliche Einstell-, Steuer- und Auswerteaufgaben zu.
Eine ganz neue Qualität in der mechanisch-technologischen Werkstoffprüfung wurde durch die leistungsfähigen und kostengünstigen Rechnersysteme erreicht, die in den letzten Jahren Einzug in die mechanische Werkstoffprüfung hielten. Der Leistungs- und Funktionsumfang der Prüfsysteme nahm durch diese Entwicklung beträchtlich zu. Gleichzeitig erhöhten sich auch die Erwartungen der Anwender. Sie forderten ein einfacheres Handling der Systeme und zugleich mehr Flexibilität. Diese Erwartungen konnten die Hersteller durch den verstärkten Einsatz leistungsfähiger, intelligenter Programmsysteme erfüllen. Mit moderner Software ist es mittlerweile möglich, unterschiedliche Meßgrößen mit hoher Auflösung und Meßfrequenz gleichzeitig zu messen. Die Meßwerte lassen sich sofort zum Überwachen, Steuern, Regeln und Anzeigen bearbeiten. Schließlich können die Meßgrößen und relevanten Maschinenparameter für spätere Auswertungen gespeichert werden. Die Dominanz der Programmsysteme nahm durch diese Entwicklung beträchtlich zu. Die Branche sprach nicht mehr, wie bislang üblich, von einer Mechanik, die durch Software unterstützt wurde. Alles drehte sich fortan um ein flexibles Software-Paket mit mechanischem Anteil.
Moderne Software löst den Widerspruch zwischen hoher Flexibilität und einfacher Bedienung auf, denn sie nimmt dem Anwender viele zusätzliche Funktionen ab. Hierzu zählen in erster Linie das Speichern und Weiterverarbeiten der Daten sowie eine umfangreiche Dokumentation der Prüfergebnisse. Dadurch steigert sich die Leistung der Prüfmaschinen ganz beträchtlich. Die Programme ersetzen aber auch die zahlreichen Bedien- und Kontrollelemente aus der Vergangenheit durch Tastatur und Bildschirm. Der Bediener aus früheren Zeiten – wobei die Betonung auf „Diener“ liegt – wird zum Benutzer der Prüfmaschine, weil sie ihm mit gespeichertem Expertenwissen die lästigen und nervenden Routinefunktionen abnimmt.
Die Zwick GmbH in Ulm hat diesen Trend schon vor Jahren erkannt und brachte das Windows-Programm Testxpert auf den Markt. Seither wird das komfortable Prüfprogramm kontinuierlich weiterentwickelt. Peter Haldan, Manager bei der W.C. Heraeus GmbH, Hanau, ist Anwender der Zwickschen Software-Lösung und hat bislang gute Erfahrungen sammeln können: „Unserer Ansicht nach ist die Software einfach zu erlernen und zu bedienen, man wird gut durch das Programm geführt.“ Der Anwender sei frei für seine eigentlichen Aufgaben – sprich das Erteilen des Prüfauftrags und das Bewerten der Ergebnisse – und müsse sich nicht mit Problemen der Digital- und Programmiertechnik herumschlagen.
Inzwischen hat die Multimedia-Technik auch in die mechanische Werkstoffprüfung Einzug gehalten. In modernen Labors sieht heute die übliche Praxis folgendermaßen aus: Nachdem der Benutzer auf den Startknopf der Maschine gedrückt hat, werden Kraft und Weg in Richtung der Beanspruchung gemessen, gespeichert, als Zahlenwerte angezeigt und zugleich in Form einer Kennlinie aufbereitet. Aufwendige oder schwer beschreibbare Prüfanordnungen lassen sich im Bild festhalten. Beim sogenannten multimedialen Prüfen laufen die Prüfung und das Erfassen des Werkstoff- beziehungsweise Probenverhaltens simultan ab. Beides wird zu einem Komplex zusammengefaßt und steht anschließend als aussagefähiges Gesamtdokument zur Verfügung.
Das Probenverhalten läßt sich visuell mit der Videokamera, als mikroskopische oder endoskopische Aufnahme oder mit der Thermokamera erfassen. Dabei kann auch die Versuchsanordnung selbst festgehalten werden. Zudem hat der Anwender die Möglichkeit, mit Hilfe eines Mikrofons akustische Ereignisse aufzunehmen: beispielsweise das Knistern oder Knacken der Probe während des Versuchs. Prüfablauf und Werkstoffverhalten werden zeitgleich zusammengefaßt. Daraus ergibt sich ein wirklichkeitsgetreues Bild des gesamten Prüfablaufs. Die Prüfung selbst wird „nachprüfbar“ und erhält damit einen neuen Stellenwert. „Wir sind in der Lage, nicht nur die Meßdaten zu speichern, sondern auch das visuelle Umfeld der Prüfung“, so Dieter Schaffert, Mitarbeiter im Entwicklungszentrum, Abteilung Werkstofftechnik, der Porsche AG in Weissach. „Mit dieser Technik können wir auch das, was normalerweise nur der Prüfer mitbekommt, auf dem PC beliebig oft in Besprechungen präsentieren und analysieren. Das hat uns schon zu neuen Erkenntnissen geführt.“
Auch auf dem Gebiet der Härteprüfung haben sich in jüngster Zeit neue Perspektiven eröffnet. Die Härte ist bekanntlich nicht direkt meßbar, sondern läßt sich lediglich aus primären Meßgrößen wie Prüfkraft und Eindringtiefe ableiten. Die begrenzten Möglichkeiten der unterschiedlichen Basisverfahren und ihrer diversen Varianten schränkten die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ein. Zudem waren die Härtewerte aus den einzelnen Verfahren und Varianten gar nicht oder nur bedingt vergleichbar.
Mit der sogenannten Universalhärte (HU) läßt sich dieses Problem lösen, denn sie kann für alle Werkstoffe – vom Gummi bis zur Keramik – nach einem Verfahren bestimmt werden. Dadurch wird die Härte zu einer vergleichbaren Größe. Christian Schwaminger, Leiter der Werkstoffprüfung bei der MTU GmbH in München, konnte bereits erste praktische Erfahrungen auf diesem Gebiet sammeln: „Die Universalhärte-Prüfung ist das bisher einzige Verfahren, das neben einem Härtewert zusätzliche Informationen über das Verformungsverhalten von Werkstoffen liefert.“
Heute wird nicht mehr bis zum Probenbruch gefahren
Für die Ermittlung der HU müssen jedoch einige Bedingungen erfüllt sein. Hierzu zählen
– eine gleichbleibende Eindruckgeometrie,
– das feinstufige Erfassen der Verformung,
– das Bestimmen des Eindringtiefen-Nullpunkts und
– das Speichern der Meßwerte.
Diese Auflagen lassen sich nur mit moderner Antriebs- und Meßtechnik erfüllen, sprich mit Universalprüfmaschinen der aktuellen Generation. Denn erst sie ermöglichen es, die Prüfkraft kontrolliert aufzubringen und den gesamten Kraft-Eindringtiefenverlauf zu messen.
Präziser Antrieb, exakte Geschwindigkeitsregelung und Positionierung, hochauflösende Meßsysteme, anwendungsorientierte Software und nicht zuletzt ein spezieller Härte-Prüfkopf: Dies sind die Eigenschaften einer Universalprüfmaschine und zugleich die Voraussetzungen, um auch die HU mit vergleichbaren Ergebnissen, vereinfachter Bedienung und deutlich verkürzten Prüfzeiten nachhaltig zu verbessern.
Die ursprüngliche mechanische Werkstoffprüfung bestand darin, Proben bis zum Zerstören zu belasten, um ihre Eigenschaften zu testen oder zu ergründen. Dies war zugleich eine Spezialaufgabe im Labor und weit weg von der Fertigung. Heute ist das Prüfen in der Produktionslinie gefragt, eine Hundertprozent-Kontrolle, ohne daß dabei der Prüfling zu Bruch geht.
Prüf-Software: „Integriertes Expertenwissen unterstützt den Anwender“
Für Dr. Jan Stefan Roell, Geschäftsführer der Zwick GmbH & Co. in Ulm, wird das Prüfsystem der Zukunft weder Schulung noch Ausbildung erfordern. Dieses Ziel soll durch eine konsequente Weiterentwicklung von Mechanik, Elektronik und Software erreicht werden.
?Herr Dr. Roell, welchen Stellenwert hat heute die Software in der Materialprüfung?
!Ein Großteil der Prüfungen, bei denen unsere Maschinen zum Einsatz kommen, lassen sich ohne Software nicht mehr wirtschaftlich durchführen. Dafür ist das Ermitteln der Ergebnisse viel zu komplex. Wir werden jedoch immer auch Prüfmaschinen im Programm haben, die ohne Software manuell bedient werden können.
?Was zeichnet eine moderne Prüfsoftware aus?
!Ein Programm-System der neuen Generation muß den Anwender bei allen seinen Aufgaben unterstützen. Unsere Software erfüllt diesen Anspruch mit Hilfe eines integrierten Expertenwissens, in dem die Erfahrung unzähliger Fachleute steckt. Der Benutzer bekommt in jeder Phase des Prüfablaufs entsprechend Hilfe angeboten. Beispielsweise durch Zeichnungen oder erläuternde Texte. Auch Videofilme kommen zum Einsatz, um beispielsweise einen komplizierten Aufbau zu erklären.
?Kommt bei aller Liebe zur Software die Weiterentwicklung der Hardware-Komponenten nicht zu kurz?
!Bei uns herrscht keine Software-Euphorie. Allerdings konzentrieren wir uns auf dieses Thema, weil diese Disziplin jünger ist als die Elektronik und die Mechanik. Die Weiterentwicklung aller drei Bereiche richtet sich zudem nach den Prüfaufgaben, die bei unseren Kunden anstehen. Jede neue Prüfaufgabe leitet einen entsprechenden Entwicklungsschritt ein.
?Wie sieht Ihrer Ansicht nach das Prüfsystem der Zukunft aus?
!Die vollautomatische Prüfung ohne Bediener gibt es bei uns schon seit Jahren. Diese sogenannten Hasy-Systeme arbeiten Prüfabläufe ohne jegliche Eingriffe von Bedienern ab.
Das Prüfsystem der Zukunft wird flexibler sein und über ein erweitertes Expertenwissen verfügen. Zudem wird für das Bedienen solcher Maschinen weder Schulung noch Ausbildung mehr erforderlich sein. Wir wollen dieses Ziel durch Weiterentwicklungen in der Mechanik erreichen. Hierzu zähle ich beispielsweise Probenhalter oder Handhabungssysteme. Die Elektronik wird Schnittstellen für die Integration anderer Geräte besitzen. Auch neue Technologien für die Datenspeicherung, Multimedia-Fähigkeit sowie die Integration von Fernwartung und Teleservice werden in der Zukunft verstärkt zum Einsatz kommen. ub
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