In seiner Doktorarbeit zum Thema „Rissdetektion mittels akustischer Emission an höchstfesten Stahldrähten“ hat Mathias Lorenz M. Eng. die Nutzung der akustischen Emissionstechnik zur Erkennung und Analyse von Rissen während der industriellen Serienfertigung von Schraubendruckfedern aus höchstfesten Stählen untersucht.
Im Fokus stand dabei die Detektion von Rissentstehung und -wachstum. Durch Laborversuche konnte er relevante Einflussfaktoren auf das akustische Signal identifizieren und eine automatisierte In-situ-Rissdetektion ermöglichen. Dabei hat Lorenz die akustischen Signale verschiedenen Schädigungsmechanismen eindeutig zuordnen können und geeignete Analyseketten in der Software entwickelt.
Hohe Kosten durch unentdeckte Risse vermeiden
Schraubendruckfedern erfüllen, trotz ihrer einfachen Bauweise, anspruchsvolle Aufgaben wie das Speichern mechanischer Energie und das Erzeugen von Vorspannkräften. Ihre hohe Beanspruchung, insbesondere bei Ventilfedern in Motoren, erfordert höchste Oberflächen- und Werkstoffqualität. Der Bruch einer Feder kann hohe Folgekosten verursachen, was die Rissdetektion essenziell macht. Aktuell fehlen jedoch zerstörungsfreie In-Situ-Überwachungslösungen für die Federnproduktion. Verfahren wie die Magnetpulverprüfung erkennen nur äußere Risse, sind zeitaufwendig und erfolgen nach kritischen Fertigungsschritten. Bei Schwingversuchen werden zudem nur ausgewählte Federn geprüft, was die Methode ineffizient und teuer macht. Eine automatisierte und wirtschaftliche Lösung ist bisher nicht verfügbar.
Verfahren mit hohem Praxispotential
Die akustische Emissionstechnik konnte erfolgreich zur Unterscheidung von Mikro- und Makrorissen sowie zur Überwachung im Schwingversuch ausgewählten (sicherheitsrelevanten) Federn und unter realen Bedingungen an Windemaschinen eingesetzt werden. Es zeigte sich, dass Material- und Prozessparameter keinen Einfluss auf die risstypischen akustischen Signale haben, die bei einer Ähnlichkeit von 65 Prozent materialspezifisch gleich bleiben. Mikrorisse ab einer Größe von 20 µm – was ungefähr einem Fünftel der Dicke eines Haares entspricht – wurden zuverlässig detektiert und durch Rasterelektronenmikroskopie bestätigt. Zudem ermöglicht die Technik eine Unterscheidung verschiedener Schädigungsmechanismen wie wasserstoff-induziertem interkristallinem Spaltbruch und transkristallinem Wabenbruch in In-situ-Anwendungen.
Dieses Ergebnis schätzt Professorin Schwerdt besonders, da es sowohl in der industriellen Anwendung in der Federnindustrie als auch bei der zukünftig zu entwickelnden Prüfmethodik für schnelle Versuche zur Verifizierung von Materialen zur Anwendung kommen kann, die in druckwasserstoff-führenden Systemen verbaut werden sollen. Wie hoch das Interesse für eine industrielle Anwendung ist, wurde durch die Anwesenheit von Industrievertretern der Fachbranche und deren Diskussionsbeiträge während der Verteidigung deutlich.
